有机污染土壤微生物修复中功能菌群演替的生物驱动力研究

本项目旨在探索多环芳烃污染土壤微生物修复过程中细菌生物膜形成和群体感应作为生物驱动力对降解多环芳烃的效率和功能菌群演替的影响。利用分析化学手段和分子指纹法（如TRFLP法，基因芯片phylochip法）阐明在不同土壤种类、环境条件下，降解多环芳烃的功能菌群和土著细菌总群落的结构变化，以及这些变化与多环芳烃降解效率间的相关性；重点表征不同修复生境中具有生物膜形成和群体感应潜能的功能菌群的种属多样性，探明这些功能菌群在总细菌群落中以及降解多环芳烃功能菌群中的分布和地位；通过调节修复生境中细菌的生物膜形成和群体感应，研究其对多环芳烃降解效率和降解功能菌群结构的影响，以探讨生物膜形成和群体感应在降解多环芳烃功能菌群演替中的作用。本项目预期成果将加深对多环芳烃污染土壤生物修复过程中土著细菌群落和功能菌群的多样性的认识，为优化土著细菌群落结构以提高多环芳烃降解效率提供理论依据。

本课题以多环芳烃（PAHs）为代表性有机污染物，土壤土著微生物菌群为出发菌，以不同性质膨润土为载体建立模拟修复生境，研究了有机污染土壤微生物修复过程中的功能菌群特点，以及生物膜和群体感应作为生物驱动力影响群落演替的可能性。探明了微生物在膨润土-水界面上的生物膜形成情况，表征了膨润土对多种细菌的亲和性，以及煅烧有机膨润土对降解菌群的选择性，发现Sphingomonads 这一类菌是生物膜中的优势降解菌群，为有机粘土联合生物修复这个新趋势提供基础信息。筛选、获得一系列既能降解PAHs又能产生酰基化高丝氨酸内酯（AHLs）的菌株，通过16S DNA 初步鉴定菌种属性，发现有一半菌株属于Sphingomonads。利用GC-MS、TLC和HPLC等方法鉴定这些菌的AHLs化学特征，并分析一些菌株的降解PAHs动力学。对单个菌株开展生物膜形式降解PAHs的效率以及影响因素的调查，并通过添加AHLs方法进行群体感应干扰，摸索获得了一些实验条件和经验。同时运用分子信息学分析方法，从近2000株已经获得全基因组测序的菌株中，发现了丰富的既能降解PAHs又能产生AHLs 的潜在菌株，分布于15个科，42个属。对其中降解基因和群体感应基因的相关性分析发现横向基因转移的可能性。我们的调查发现首次为联系群体感应和多环芳烃降解建立生物多样性基础。本项目还表征了淡水生物膜在形成过程以及不同非根际土壤中产AHLs菌的分布和多样性，并成功扩增了其中一类新颖AHL产生菌Ensifer spp 的AHL合成酶基因，表征了其多样性。建立了一种新的分子生物学方法，设计新颖的兼并引物，以非培养的方法检测环境中AHL产生菌的多样性。该方法不仅适合于纯菌株的检测，还适合环境样品特别是根际菌群的研究。我们联合使用了依靠培养和不依靠培养的方法，调查湿地植物根际AHL产生菌的多样性，发现了两种方法的明显互补性，为调查真实环境中AHL产生菌的研究提供先进的手段。调查还发现湿地植物根际AHL产生菌与植物的获取营养、抗病能力以及降解污染物的修复功能有潜在联系。总之，本项目研究着重关注的是微生物生物膜形成和群体感应这两个新颖的研究热点，探索了生物膜形成以及群体感应作为功能菌群演替的生物驱动力的潜能。本项目总体上按照原研究计划执行，回答了项目申请时提出的基本科学问题，并引伸了一系列新的科学问题。