土壤中典型石油烃降解基因的地理分异性及环境响应机制

With the development of molecular biology techniques, the key metabolic enzymes and corresponding functional genes related to petroleum hydrocarbon biodegradation have been extensively studied on the cellular level. However, the research on distribution and main functional role of degradation genes in ecosystem is becoming the bottleneck and key issue in the bioremediation of petroleum hydrocarbons. In this project, key metabolic enzymes and the corresponding functional genes involved in the petroleum hydrocarbon (alkanes and aromatic hydrocarbons) metabolism will be targeted and new method of quantitative determination of degradation genes will be developed with the aid of the qPCR technology, molecular hybridization, DGGE and other molecular biological techniques; the copy numbers and diversity of degradation genes in soils of different geographic region (northeast, north , south, northwest of China) and some other specific regions will be studied; microcosm experiments of petroleum hydrocarbon exposure will be conducted to research the dynamic changes of abundance and diversity of petroleum hydrocarbon degradation genes, and the correlationship between degradation genes and other related indicators such as soil microbial community structure, respiration, metabolic enzyme activity and so on. Through this project, the application of molecular biology techniques in the field of environmental geoscience will be further strengthened. The study on the abundance and diversity of main petroleum hydrocarbon degradation genes, and their environmental responding mechanism will provide a theoretical regulation basis for the bioremediation of petroleum hydrocarbon contaminated soils.

随着分子生物学技术的发展，在细胞代谢水平上石油烃代谢的关键酶及相应基因已得到了深入的研究，但降解基因在生态系统中的分布和作用已成为土壤石油烃生态修复研究中的一个瓶颈和关键问题。本研究将选取主要石油烃（烷烃和芳香烃）生物代谢的关键基因为研究对象，采用qPCR技术、分子杂交、DGGE等技术建立和完善石油烃降解基因的测定方法；开展国内不同地理区域（东北，华北，南方，西北）及特殊区域土壤中石油烃降解基因的数量和多样性研究；进行不同土壤中石油烃暴露的微宇宙实验，确定污染物暴露及恢复过程中不同石油烃降解基因的数量及多样性的变动，研究降解基因与土壤中其它指标如微生物群落、呼吸、土壤酶活性等的相互关系。通过本项目的研究，将进一步加强分子生物学技术在环境地学领域的应用，并通过对不同类型土壤中主要降解基因的数量、多样性及其环境响应机制的研究，为石油烃污染土壤生物修复的调控提供理论依据。

随着分子生物学技术的发展，在细胞水平上石油烃代谢的关键酶及相应基因已经得到了深入的研究，但在生态水平上土壤环境中石油烃降解基因的分布及作用规律还是空白，这已成为土壤石油烃生物修复研究中的一个瓶颈和关键问题。本研究在总结石油烃代谢关键基因的基础上，建立了alkB, Nah, Phe等好氧代谢相关基因及masD和bamA等厌氧代谢相关基因的荧光定量qPCR分析方法。在此基础上对大港油田不同区域及地质中石油烃降解基因的分布和丰度进行了研究，结果表明实时荧光定量PCR技术测定的烷烃单加氧酶降解基因alkB含量为9.1×105-1.9×107拷贝数/g干重土，并且和TPHs含量显示出正相关的关系，nah降解基因含量高于alkB并和∑16 PAHs浓度之间表现出负相关关系。分别采自中国四个不同地理位置的大港油田DG、海砂SS、东北NE和厦门XM土壤进行为期112天的添加5%原油和1%石油组分的微宇宙培养实验，结果欧明SS和NE土壤中的TPHs降解率高于DG和XM土壤。三种降解基因alkB、nah和phe的丰度在培养过程中大量增加，在SS和NE土壤中增加了100-1000倍，比DG和XM土壤中高一个数量级。土柱模拟实验表明alkB的丰度在0-30、30-60和60-80cm的三个深度土壤中随着时间的进行不断增加， 0-30cm和30-60cm土壤中的nah和phe降解基因含量也大量积累。将李糖脂改性碳材料添加到石油污染土壤中，进一步研究了改性碳材料对石油污染土壤微生物修复过程的影响。经过90天的土壤微生物培养实验，发现将2 wt% 的污泥炭、稻壳炭和石油焦的鼠李糖脂改性生物炭添加到石油污染土壤，使得土壤中总石油烃（TPHs）的浓度降低了分别降低了31.6%, 28.8%和。改性生物炭材料对土壤温室气体排放也有影响，材料的添加促进了土壤中CO2和CH4的释放，抑制了N2O和NH3的释放。本研究对于石油烃污染的生物修复及生物炭石油烃修复中的应用具有重要的理论意义和应用价值。