手性多氯联苯厌氧微生物脱氯研究

Among 209 polychlorinated biphenyl (PCB) congeners, 19 PCBs can present relatively stable chiral configuration at room temperature. Physical and chemical processes cannot change the enantioselectivity of these PCBs, and the biological processes like bioaccumulation and metabolism may alter the enantiomeric composition of chiral PCBs. Since the chiral isomers may cause different toxicity to organisms, it is very significant to investigate the enantioselectivity of the chiral PCBs. In this study, we combined molecular biology technology, anaerobic microbial incubation, bioinformatics analysis to investigate the enantioselectivity of chiral PCBs during the dechlorination by pure and mix culture. At the same time, we will study the relationship between the transcription of the functional gene and the enatiomeric fraction of substrate, intermediate product and final product in the process of dechlorination. The successful implementation of this project will help to understand the specificity of chiral PCBs dechlorination, and provide theoretical support for the remediation of chiral halogenated organic pollutants.

在209种多氯联苯（PCBs）同系物中，有19种阻类PCBs在室温环境下可以保持相对稳定的手性结构。理化过程不能改变这些PCBs的手性组成，而生物过程（生物富集和代谢）可能改变手性PCBs的对映体组成。由于不同的手性异构体可能对生物体造成不同的毒性，因此针对手性PCBs的对映体在脱氯过程中的特异选择性分析显得尤为重要。本项目拟综合应用分子生物技术、厌氧微生物培养、生物信息分析等技术平台，研究手性PCBs的厌氧纯种脱氯菌与环境脱氯菌的脱氯选择性。同时研究脱氯功能基因转录水平与手性PCBs脱氯过程中底物、中间产物以及最终产物的对映体分数变化的关系。本课题研究成果将帮助了解手性PCBs厌氧微生物脱氯特异性，并对环境中手性卤代有机污染物的迁移转化研究提供理论依据。

许多有机污染物均存在手性异构体，如在209种多氯联苯（PCBs）同系物中，有19种阻类PCBs在室温环境下可以保持相对稳定的手性结构，约占商业用PCB混合物中30 mol%。由于生物过程中的手性选择性，手性化合物的对映异构体可能具有不同的环境分布、行为和生态毒性。在厌氧或缺氧的土壤和沉积物中存在许多手性有机卤化物，而脱卤呼吸菌在这些手性有机卤化物的环境衰减和全球循环中起重要作用。因此，研究脱卤呼吸菌的脱卤手性选择性显得尤为重要。本项目拟综合应用分子生物技术、厌氧微生物培养、生物信息分析与量子化学计算等技术平台，以手性PCBs为研究目标污染物，探究脱卤呼吸菌在环境与在实验室培养条件下的选择性脱卤行为。研究从以下四个方面具体开展：（1）手性PCBs在环境样品中的分布特征； （2）纯种严格脱卤菌对手性PCBs对映体脱氯选择性； （3）环境生物样品（混菌）对手性PCBs脱氯活性研究及脱卤菌鉴定； （4）手性PCBs的微生物脱氯机理。实验结果表明手性PCB广泛分布在各类受污染的土壤及沉积物中，且其手性分布特点没有明显的规律。进一步在实验室的混菌体系实验也证实手性PCB的微生物还原脱氯可能受不同的脱卤菌/脱卤酶的影响，导致手性分布并无特点规律。但是，在Dehalococcoides mccartyi CG1 纯菌实验中发现，CG1优先从8种手性PCBs的左旋体脱氯。利用量子化学计算对手性PCB脱氯的模拟发现：（1）PCB的手性对映体结构决定脱氯发生的优先次序。（2）相应中间态反应的能垒高低决定反应速率的快慢及反应程度。此外，不同的脱卤菌（脱卤酶）是手性PCBs选择性脱氯过程中的关键，尤其是脱卤酶与底物的结合方式。本项目所获结果对于认识环境中PCBs污染物迁移转化规律及环境毒性影响具有重要意义，并对卤代有机物原位微生物脱卤修复启指示作用。