多氯联苯及多溴联苯醚分子生物检测方法及厌氧微生物脱卤机理研究

As typical persistent organic pollutants, PCBs and PBDEs were massively produced for industrial use and may co-contaminate soil and groundwater worldwide. However, PCBs/PBDEs bioremediation employing microbial reductive dehalogenation was hindered due to inefficient analysis method and unclear dehalogenation mechanism. Based on the integration of microbial cultivation, meta-omics analysis, molecular method development and bioreactor operation, we propose to: (1) develop molecular tools to detect and analyze PCBs/PBDEs in environmental samples; (2) enrich PCBs/PBDEs dehalogenating bacteria and characterize dehalogenation pathways; (3) identify PBDEs reductive dehalogenase genes; (4) elucidate the core metabolic network and dehalogenation mechanism for PCBs/PBDEs dehalogenation; (5) PCBs/PBDEs mimic in situ bioremediation. Results generated from this study will improve our understanding of PCBs/PBDEs microbial dehalogenation and support PCBs/PBDEs bioremediation through providing detection methods and bioaugmentation strategies.

多氯联苯及多溴联苯醚是在环境中广泛分布的两类典型持久卤代有机污染物，并在众多污染场地并存。厌氧微生物脱卤作为这两类卤代物原位生物修复主要方法因其同系物数目繁多及脱卤菌培养条件要求苛刻等原因，存在缺乏高效筛检方法及脱卤机理不清的两大问题。申请人将通过微生物培养、宏基因组学分析、分子生物技术开发及生物反应器运行的交叉应用，在以下方面进行深入研究来解决上述瓶颈问题：（1）开发基于严格脱卤菌及功能基因特异引物的分子生物方法用于卤代污染物环境样品筛检；（2）富集多氯联苯及多溴联苯醚脱卤菌并鉴定脱卤路径；（3）鉴定多溴联苯醚脱溴还原酶基因；（4）获得脱卤核心菌群代谢网络及其脱卤机理；（5）应用富集脱卤菌对多氯联苯及多溴联苯醚进行模拟原位生物修复处理。该研究成果将帮助了解多氯联苯及多溴联苯醚微生物脱卤机理，并为它们的原位生物修复提供从检测到处理的一整套理论依据及技术（方法）支持。

本项目旨在研究PCBs及PBDEs微生物脱卤机制及其生物修复应用，主要研究内容包括：环境样品中卤代有机物污染检测及脱卤酶活性测试新技术开发；脱卤呼吸菌筛选及功能基因鉴定；目标脱卤呼吸菌富集与分离；脱卤呼吸菌与其它功能菌形成的代谢网络和互作关系。经过4年研究，获得主要成果包括：（1）开发了基于Dehalococcoides等严格脱卤菌的未知卤代有机物检测及免细胞破碎的体外酶活测试新方法，该免细胞破碎方法测得的EF值更接近于活体细胞EF值；（2）从全国78个城市的污染水体沉积物中，富集获得PCB等卤代物脱卤富集培养物，从中分离出Geobacter lovley LYY，并对其进行了全基因组测序和脱卤酶基因鉴定；（3）在基于富集培养物、LYY菌株及其脱卤代谢网络分析，鉴定严格脱卤菌及非严格脱卤菌间存在即竞争又合作的互作关系；（4）通过脱卤路径分析，表明脱卤呼吸菌在PCB等脱卤过程中，主要脱除间位及对位卤素，邻位卤素存在空间位阻效应；（5）原位修复模拟实验表明剩余活性污泥可以为卤代有机物污染土壤等提供高效、经济的缓释电子供体、碳源及外源脱卤呼吸菌，强化脱卤。因此，本课题研发不仅提供了新的测试技术和方法，还为高效菌剂开发提供了不同脱卤特征的富集培养物，揭示了关键功能种群互作关系，为卤代有机物修复提供了理论依据、技术支持和应用材料，已经达到了预期研究目标。. 课题实施期间，已在Biotechnology Advances, Applied Environmental Microbiology等SCI期刊发表论文7篇，并仍有2篇论文在审；申请专利5项，其中一项为国际PCT专利；共培养研究生4人，课题负责人获得了国家自然科学基金优秀青年项目及珠江人才计划青年拔尖人才项目支持；组织国内外学术会议或分会3次，组织SCI期刊科研专题1个，参加国内外学术会议7次。