滨海湿地中铁还原耦合滴滴涕还原脱氯的化学与微生物机制

Coastal wetlands are the sink and the migration carrier of pollutants. Dichlorodiphenyltrichloroethane (DDT) is an organic persistent pollutant widely distributed in coastal wetlands of South China. Considering the characteristics of anoxia, slightly alkaline, high salinity and high iron sulfide minerals for coastal wetland soil, the objectives for the project are to investigate the degradation kinetics and pathways of DDT in coastal wetland soil and the mechanism of Fe(III) reduction coupling reductive dechlorination of DDT. The main contents include (1) investigating the correlations between the degradation kinetics of DDT with physical and chemical properties of sterile soil and clarify the chemical mechanism of DDT dechlorination; (2) assimilating two microbial consortiums capable of degrading DDT and dissimilating Fe(III) reduction, respectively. Then, examining the correlations between the microbial taxonomy composition, copy numbers of reductive dechlorination genes and dechlorination kinetics of DDT and clarify the microbial mechanism of DDT dechlorination; (3) investigating the microbial community structure of Fe(III) reduction and DDT dechlorination, reductive dechlorination genes and their copy numbers using stable carbon isotope labeling combining with high-throughput sequencing and electrochemical methods; In addition, analyzing the relative contribution of chemical dechlorination, microbial dechlorination, and chemical coupling microbial dechlorination using mathematical statistical method with the aim to investigate the mechanism of chemical coupling microbial dechlorination. Finally, providing a scientific basis for deeply understanding the environmental behaviors of persistent organchlorines in wetland soil.

滨海湿地是污染物的汇及其迁移转化的载体。滴滴涕（DDTs）是一种在华南滨海湿地中广泛存在的持久性有机污染物。本申请针对滨海湿地厌氧、微碱性、高盐度、高硫铁矿丰度等特点，研究DDTs脱氯转化途径与动力学，探讨铁还原耦合DDTs还原脱氯的作用机制。主要研究内容：（1）研究灭菌湿地土壤中DDTs还原脱氯动力学与其理化性质的关系，探讨其脱氯转化化学机制；（2）驯化两个分别具有铁还原功能、脱氯功能的微生物菌团，探讨微生物菌团物种组成、脱氯基因拷贝数与其脱氯动力学之间的关系，阐明其脱氯转化的微生物机制；（3）采用稳定碳同位素标记结合高通量测序与电化学方法，研究湿地土壤铁还原与DDTs还原脱氯的微生物群落结构、脱氯基因及其拷贝数；采用数理统计方法分析化学脱氯、菌团脱氯、化学与微生物耦合脱氯的相对贡献，探讨其脱氯转化的化学与微生物耦合机制，为深入理解湿地土壤中持久性有机氯的环境行为提供科学依据。

滴滴涕（DDT）属于典型的持久性有机污染物，是人类历史上第一个大量使用的有机合成杀虫剂。由于DDT在环境中降解周期长，具有亲脂性，使其易于沿着食物链不断地在生物体内蓄积，造成环境与食品污染，从而对人类健康构成巨大威胁。本项目以DDT还原降解为核心，重点研究DDT厌氧降解的化学与生物机制、腐殖质及零价铁促进DDT降解的生物化学机制及手性DDT与DDD降解的对映体选择性。研究进展包括三个方面：（1）滨海湿地土壤中DDT降解的化学与微生物机制。脱氯菌及铁还原菌在DDT的降解中具有重要作用，此外铁物种及还原态硫对DDT降解的化学作用亦不容忽视；（2）腐殖质及零价铁促进污染场地土壤中高浓度DDT降解的生物化学机制。腐殖质模型物AQDS作为电子穿梭体可加速微生物至还原受体之间的胞外电子传递，促进体系中活性铁物种的生成量及脱氯菌、铁还原菌的富集，从而提高DDT的降解率。零价铁ZVI与厌氧微生物联合降解DDT有很强的脱氯作用，微生物的异化铁还原作用在一定程度上可以缓解ZVI表面的钝化，从而促进DDT的脱氯。（3）从对映体水平上探讨手性有机氯农药o,p'-DDT及o,p'-DDD降解的对应体选择性。两种手性有机氯农药在以水稻土为基质构建的厌氧培养体系及以菜园土为基质构建的好氧培养体系中的降解均无明显的对映体选择性，推测体系中存在的DDT降解酶对2种对映体转化速率相同，或者存在异构酶把不被优先降解的那种对映体转化为另外一种可优先降解的对映体，然后2种对映体可同时被降解。此外土壤有机碳可能是影响目标物降解选择性的因素之一，土壤pH对降解选择性的影响仍有待进一步研究。虽然许多国家都已限制DDT的生产和使用或禁止其大范围使用，但目前我国在三氯杀螨醇、含DDT渔船防污漆及卫生防疫等三个方面仍在使用DDT。据报道，我国每年约有250吨DDT（约占DDT生产总量的1/4）被用于渔船防污漆的生产。此外，随着我国城市化规模的扩大，城市布局的调整及产业结构的优化，大量农药厂的搬迁导致大面积的高浓度农药污染的场地土壤亟待修复。本研究虽以滴滴涕为目标物，研究结果对其他卤代有机污染物的降解也具有较好的指导意义，且促进了土壤化学及土壤生物学的交叉融合。共发表SCI论文5篇，参加国际学术会议两次，全国性学术会议一次。