微生物产电促进多溴联苯醚厌氧生物脱溴的机理研究

The long-term and wide application of polybrominated diphenyl ethers(PBDEs) has resulted in serious global environmental pollution and various ecological risks. Enhancing the degradation of PBDEs in various environments has became one of the most important requirments to adress the correlative problems. Regulation of the anaerobic microbial respiration provides an effective method to enhance the debromiantion of PBDEs in anaerobic environments。Microbial fuel cells (MFC) technology shows many advantages in pollutants degradation and bioremediation which enable it to be an alternative technology in PBDEs debromination.In previous research, MFC was firstly used in PBDEs（BDE209）degradation, in which the BDE209 debromination efficiency was much higher than that in conventional biodegradation. In theory, however, microbial current generation was a competitive bacterial anaerobic respiration process to the PBDEs reductive debromination, which seems inconsistent to the enhancement. To understand this fact, a respiration driving-effect caused by the microbial current generation was proposed. Based on the quantified correlation between microbial current generation and debromination, this project will confirm the driving-effect via comparatively analyzing the properties of the microbail viability, community composition and the expression of functional genes under both MFC and conventional anaerobic conditions, exploring the microbiological mechanism by which microbial current generation enhanced the ananerobic PBDEs debromination. Many effective and high-throughput technics such as laser scanning confocal microscope, 454 pyrosequencing and Geochip will be used to achieve the objective of this project.These researches could further complete the fundamental theory of MFC, and provide valuable information for us to understand the biotransformation and fate of PBDEs in natural environments or develope new PBDEs biodebromination technology.

多溴联苯醚（PBDEs）的长期使用已在全球范围造成了严重的环境污染和生态威胁，加速PBDEs在生态环境中的降解已成为迫切的社会需要。调控微生物的厌氧呼吸过程可能是促进PBDEs在厌氧环境中脱溴降解的有效途径。微生物燃料电池（MFC）用于污染物降解具有多种优势。前期研究发现，相对于一般厌氧生物降解，MFC在产电的同时还可以显著促进PBDEs的还原脱溴。微生物产电与还原脱溴理论上是两个竞争性的呼吸过程，上述促进作用可能是电极呼吸触发的呼吸驱动效应的结果。本项目拟在确定微生物产电与PBDEs还原脱溴之间的量化关系的基础上，利用激光共聚焦显微镜、高通量测序及功能基因芯片等技术从微生物的代谢活性、群落结构及功能基因表达三个水平阐明这种驱动效应，揭示微生物产电促进PBDEs还原脱溴的机理。本项目在完善MFC理论基础的同时，也为了解环境中PBDEs的生物转化机制及开发新的PBDEs脱溴降解技术提供参考。

多溴联苯醚（PBDEs）的长期使用已在全球范围造成了严重的环境污染和生态威胁，加速PBDEs 在生态环境中的降解已成为迫切的社会需要。调控微生物的厌氧呼吸过程可能是促进PBDEs 在厌氧环境中脱溴降解的有效途径。微生物燃料电池（MFC）用于污染物降解具有多种优势。前期研究发现，相对于一般厌氧生物降解，MFC 在产电的同时还可以显著促进PBDEs 的还原脱溴。微生物产电与还原脱溴理论上是两个竞争性的呼吸过程，申请人推测，上述促进作用可能是电极呼吸触发的呼吸驱动效应的结果。为了验证上述推测，阐明微生物产电过程对PBDEs的强化降解机理，并为水体PBDEs污染问题提供可能的解决方案，本研究的研究内容及成果包括以下三个方面：.（1）相对于自然降解，MFC中十溴联苯醚（BDE209）的降解率从23.2%提高到58.9%。生物膜三维活性分析显示了MFC电极生物膜内部电子受体依赖型的活性分布模式。高通量测序技术和功能基因芯片（GeoChip 4.0）技术揭示了该过程中微生物群落结构（1000多个物种）和功能基因网络（9111个基因）的相应变化过程，统计学分析证实了改过程中微生物产电对BDE209脱溴降解的驱动和强化作用，从而为MFC技术在解决PBDEs污染问题中的应用提供了理论依据。.（2）为开发基于MFC的适用的污染水体修复技术，构建了逐级扩大（0.1、30、100 L）的MFC装置。对扩大化装置运行参数进行了优化，对其中PBDEs、PAHs等难降解污染物的降解性能进行了分析，揭示并证实了扩大化MFC装置对污染物的选择性降解规律和作为长期生物修复装置的适用性，为进一步将该技术应用于环境修复提供了可靠的技术指导。.（3）针对珠三角地区亟待解决的河涌污染问题，将扩大化的MFC在广东顺德某黑臭污染河涌中进行了原位试验，初步显示出良好的性能，后续性能的评估和测试尚在进行中。这也是全球首例MFC在实际污染河涌中的应用测试，有望为今后该技术的成熟和推广起到示范性的作用。. 本项目实际研究工作完成了预期研究目标，并在此基础上探索了MFC在实际典型污染环境中的适用性。此外，本项目研究内容在Environ Sci Technol、Sci Rep等SCI期刊发表论文7篇，中文核心论文1篇；在人才培养和学术交流方面也起到了显著的积极作用。