油田土壤环境中产脲酶真菌的多样性及其对重金属离子的矿化机制研究

During the process of oil exploration, more and more heavy metals are accumulated in the oilfield due to the leaching accident of crude oil and drilling mud, and the high toxicity, persistence and accumulation of heavy metal ions in the soil cannot be ignored. However, much research has been done on the bioremediation of petroleum hydrocarbon pollutants in the oilfield, little attention has been paid on the bioremediation of heavy metal pollution in the oilfield as well as the mechanism involved in fungal biomineralization of heavy metal. To have a better understanding about the interaction between ureolytic fungi and heavy metals and then set up a novel biomineralization model with the Geochemist’s workbench software, the project will investigate the phylogenetic diversity of ureolytic fungi and the physicochemical properties of oilfield soil. The interaction between environmental factors and ureolytic fungal metabolites in the biomineralization process will be further demonstrated by assessing the influence of environmental factors and fungal metabolites on the process, as well as the urease kinetics and metal ion mineralization kinetics involved. The outcome obtained from the project can systematically illustrate the biomineralization mechanism of heavy metal ions involved with ureolytic fungi in oilfield soil environment. Moreover, the project will provide more theoretical and scientific support for the bioremediation of heavy metal-contaminated soil in engineering practice and more comprehensive evaluation about the effect of environmental factors on the biomineralization process.

石油开采工业中原油和钻井泥浆的泄漏导致油田土壤中重金属的累积，重金属在土壤中的高毒性、持久性和蓄积性不容忽视，当前对于油田土壤中石油烃类污染物的微生物修复有较广泛的研究，但是针对油田土壤中重金属污染的微生物修复研究相对较少。本项目拟通过分析重金属污染的油田土壤中产脲酶真菌的种群结构及土壤的理化性质，研究产脲酶真菌和重金属离子的相互作用，建立生物矿化模型，并通过评估环境因素及真菌代谢产物对重金属离子矿化过程的影响，结合脲酶动力学和金属离子矿化动力学研究，进一步阐明环境因素和产脲酶真菌代谢产物在重金属离子生物矿化过程中的交互作用，揭示油田土壤中产脲酶真菌对重金属离子的生物矿化机制，为重金属污染土壤的生物修复提供科学依据；在工程实践中也能够更加针对性地对重金属污染土壤开展生物矿化修复并全面评估土壤环境因素对于生物矿化有效性的影响。

本项目通过研究重金属污染下的油田土壤中产脲酶真菌的种群结构，结合土壤物化环境分析，揭示了产脲酶真菌对重金属离子迁移转化过程的影响，建立了油田土壤的生物矿化模型。利用地球化学分析以及真菌代谢组学表征的手段研究了克拉玛依地区重金属污染的油田土壤，分析了真菌代谢过程以及土壤微环境对重金属元素生物矿化过程的作用，阐明了油田土壤中产脲酶真菌对重金属离子的生物矿化机制，取得的研究成果如下：（1）利用高通量测序获得土壤中真菌的优化序列，结果表明油田土壤中微生物群落多样性受环境影响较大，筛选获得了4株产脲酶优势菌株，分别与Penicillium rubens，Aspergillus cejpii，Chaetomium globosum，Aspergillus sydowii有较高的相似性，为产脲酶真菌数据库的建立提供了宝贵的菌株资源；（2）在利用产脲酶菌株进行镍离子的生物矿化实验时发现，矿化产物均为纳米级矿物质，且主要为碳酸镍和痕量的磷酸镍，这与GWB模拟计算结果相悖，该现象阐明GWB模拟预测生物矿物的形成时，还应充分考虑实际试验中产脲酶菌株自身的代谢调控过程，进一步利用ATR-FTIR对吸附于含镍纳米矿物颗粒表面的胞外蛋白进行分析时发现，随着Ni2+的加入，蛋白质的二级结构由高度螺旋结构转变为展开状态，可能为矿物质的形成提供更多的成核位点，以促进碳酸镍的成核和结晶；（3）在重油存在条件下，产脲酶真菌不仅能够在重油区域存活，同时在培养基-重油的界面处有很多矿物颗粒聚集生长，这与在培养基中的随机分散或是菌丝周围的成核生长行为有所不同，可能是由于重油在一定程度上为菌丝生长提供额外碳源进而为矿物生长提供成核位点，同时重油表面对矿物本身也有一定的吸附作用，这是首次关于重油-微生物-矿物质相互作用的研究。研究成果将为重金属污染土壤的生物修复提供科学依据；在工程实践中也能够更加针对性地对重金属污染土壤开展生物矿化修复并全面评估土壤环境因素对于生物矿化有效性的影响。