厌氧下电生物对氯代芳烃的协同降解及关键降解酶基因的变异与表达

针对含难降解有机物的工业废水日渐多样化且生化处理难度大的趋势，课题拟选定含氯代芳烃类难降解有机物的工业废水为研究对象，在厌氧下将生物处理和电场相耦合，在单一反应器内实现微生物的还原降解、电极反应、电极－微生物－污染物间的电子及能量传递、电场对微生物刺激诱导及基因变异的作用、电场对污染物电子云的诱导以及菌种间的共代谢等协同降解作用，以达到氯代芳烃污染物的彻底矿化目的。通过研究降解的控制步骤、中间产物的形成机理，揭示厌氧下电生物协同（耦合）对氯代芳烃类有机物的降解机理、降解途经和控制因素，探索开发一种经济高效的电生物耦合新工艺。利用SSCP、PCR、DGGE等技术作为分子水平的定量检测手段，研究电刺激诱导对微生物关键降解酶基因的影响、变异与表达以及优势菌种菌落结构变化。构建一种可操作的微生物功能菌的诱导驯化方法，对开发氯代芳烃类化合物的污染控制技术与环境污染快速修复技术具有重要意义。

针对微生物还原降解氯代芳烃类难降解有机废水缺乏电子供体及过程缓慢的问题，将电辅助引入微生物还原体系，构建了以“电子传递”为核心的电生物耦合工艺，揭示了电子从电极到微生物的传递途径，形成“电辅助-微生物”互补性催化机制，大大提高了难降解污染物的定向还原降解效能。从源头上揭示电生物高效降解本质，为实现该工艺的推广应用奠定了理论基础。.课题以氯代芳烃类难降解有机废水的强化生物降解及定向生物转化为研究方向，进行了电生物耦合强化降解二氯酚、PCP及2,4-二氯苯氧乙酸的生物转化和生物代谢调控的研究，揭示了该体系中电极与微生物之间的电子传递途径与规律，从理论上揭示了电生物高效还原降解氯代芳烃污染物的本质。.本课题运用电化学工作站、XPS、拉曼光谱、分子生物技术等多种手段，证实了电生物体系的循环伏安曲线上存在明显的氧化还原峰，降解过程为两电子传递体系，符合微生物降解的规律。电生物体系对PCP的降解效率为97％，比微生物体系（降解效率为62％）和电化学体系（降解效率为26％）的加和高约10%。对二氯酚等的降解研究也表明电辅助提高了生物降解的动力学系数。电生物体系中存在着电极、细胞色素c、Cty•bc1、NAD和污染物间的逆向电子传递途径，可实现电极－微生物－污染物间多相界面的长程电子传递过程。.在电生物降解体系中，微生物还原降解和微生物阳极氧化结合在一起，难降解污染物在阴极的微生物还原产物可进一步被阳极微生物氧化，达到微生物还原和氧化协同作用。本课题研究思路和方法具有创新性。在电辅助阴极强化微生物降解的体系中，电刺激诱导使微生物形成适应环境的关键降解酶，其基因具有变异和遗传特性。电生物体系中与细胞色素c相关的电子传递功能菌群有明显的定向变化过程，主要以 Enterococcus，Pseudomonas和Bacteroidales 为优势菌群，这些菌种在电生物体系的电子传递中起着主要作用。电辅助的电极产物、能量输入也提高了微生物细胞的代谢过程和酶活性。对功能群落结构进行解析并通过16S rRNA基因克隆、测序构建了系统进化树，测定了关键降解酶的活性。该研究开发了氯代芳烃类难降解污染物高效降解的新工艺，为难降解有机物的环境治理提供了一种新的途径，有望形成环境修复的核心技术。