人工湿地厌氧空间多溴联苯醚降解的微生物生态学机制

Polybrominated diphenyl ethers (PBDEs), as an emergent persistent organic pollutant, attracts global attentions in relation to environmental safety, but reports on PBDE bioremediation are rare. In the past twenty years, constructed wetlands (CWs) have been successfully applied to treat various types of organic pollutants in wastewater; diverse micro-niches can be created for a variety of different microorganisms to survive and perform their transforming or degrading functions in CWs within a more controlled environment. It has been reported that PBDEs could be debrominated by dechlorinated bacteria under reducing conditions, similar to the anaerobic environment at the bottom of CWs; however, little is known about the diversity of related functional microbial groups and the ecological mechanism of microbial PBDE degradation in CWs. This project aims to evaluate the degradation potential of PBDEs by microorganisms in the underlying anaerobic zone of CWs; to investigate the PBDE degradation patterns under different controlled anaerobic conditions; to explore in-depth diversity resources of anaerobic microbial functional groups, with combined modern molecular ecology and classical microbiology approaches; to elucidate the ecological response mechanisms of microbial community to PBDEs, with regard to the interactions among microorganisms, pollutants and environmental factors in CWs. The findings of this project will provide scientific theoretical basis and practical model to enhance and to predict the performance of PBDE bioremediation in CWs.

多溴联苯醚（PBDEs）作为一种新型持久性有机污染物，其环境安全性备受全球关注，但目前有关PBDEs污染的生物修复研究鲜有报道。近二十年来，人工湿地已成功应用于处理污水中各类有机污染物；通过人为操控湿地运行条件，可营造丰富多样的微生境供各功能微生物生存并发挥其降解功能。已有报道在类似湿地底层的厌氧环境中，PBDEs可被脱氯细菌群在还原条件下脱溴，但是对人工湿地中相关功能微生物类群的多样性及其对PBDEs降解的生态学机制了解甚少。本项目拟关注人工湿地系统底层厌氧空间微生物对PBDEs的降解潜力；探讨PBDEs在不同厌氧空间调控策略下的降解规律；联合现代分子生态学和经典微生物学手段，深入挖掘人工湿地系统中厌氧微生物类群的多样性资源；关注人工湿地中微生物-污染物-环境因子的相互关系，阐明微生物群落生态响应机制，以期为人工湿地对PBDEs生物修复强化及效果预测提供科学的理论依据和实践模型。

污水深度处理中新型持久性有机污染物如多溴联苯醚（PBDEs）和氧化态污染物如硝酸盐往往难以通过传统好氧工艺去除。人工湿地技术，在人为可控的条件下，可营造多样的好氧-厌氧交替环境实现对这两大类污染物的高效去除。然而，目前对湿地系统厌氧微生物过程的研究较少，尤其在湿地底层厌氧区域微生物净化机制仍为黑箱。.本项目以复合垂直流人工湿地（IVCW）底层厌氧单元为研究对象，首先通过构建分段式IVCW柱状模拟系统，研究了不同调控手段对系统内部厌氧环境、厌氧单元微生物群落组成动态及其对低碳氮比污水脱氮效果的影响。发现系统第1段即下行流上层单元对整体脱氮贡献最大，高达80%以上；不同处理间强化脱氮效果虽不显著，但系统后段其脱氮途径存在一定差异。基质层加深相比于添加活性生物质对微生物反硝化脱氮的增强效果更显著，且基质层加深的处理系统抗高硝态氮负荷能力更佳。相应地，微生物的丰度和活性在系统第1段下行流上层单元最高，而在系统后段微生物的种类和丰度显著降低，厌氧细菌在上行流第3-4段才逐渐占据优势；不同处理间底层基质微生物群落结构差异不明显。.由此，湿地底层基质对PBDEs脱氮规律的研究调整以天然湿地底泥微生物为研究对象，建立厌氧微宇宙泥浆降解体系，比较研究了不同来源湿地底泥微生物对BDE-153的还原脱溴潜力，发现淡水与咸水湿地底泥微生物对PBDEs脱溴速率差异显著。基于微生物群落动态诊断分析，证实天然底泥样品中土著微生物群落组成及动态响应特征与其还原脱溴速率显著相关；揭示在脱溴后期，Alphaproteobacteria，相较于Beta-和Gamma-proteobacteria，与含已知还原脱卤菌株的 Deltaproteobacteria 和 Chloroflexi 组合可实现更高效、更完全的脱溴。后续将进一步改进IVCW柱状模拟系统，通过设计PBDEs及其代谢产物和微生物群落的原位在线采集和富集装置，以便在均相体系开展湿地基质对 PBDEs生物强化修复技术研究。.本研究成果将为拓宽人工湿地污水深度处理新技术、保障流域水环境安全与生态健康提供理论基础和技术支持。