厌氧脱溴菌群降解多溴联苯醚的脱卤呼吸机理研究

Polybrominated diphenyl ethers (PBDEs) are a class of persistent organic pollutants which are ubiquitously distributed in the environment. The dangers posed to biological populations by exposure to PBDEs due to their high toxicity and bioaccumulation have raised great public concerns. Although organohalide respiring bacteria have played essential roles in in-situ bioremediation of organohalides contaminated sites, the bioremediation of PBDEs has been restricted in lack of effective debrominating populations and unclear debromination mechanisms. In our previous study, a Dehalococcoides-containing culture, GY70, was found to effectively and completely debrominate hepta- through tetra-BDEs to non-toxic end-product, diphenyl ether. In this study, we will explore culture GY70’s debromination mechanisms via the identification of debromination pathways and reductive dehalogenases using transcriptional, proteomic, and bioinformatic tools. The understanding of PBDEs’ debromination mechanisms will further provide fundamental knowledge in the development of bioremediation strategy of PBDEs contaminants.

多溴联苯醚是一种广泛存在于环境中的持久性有机污染物，具有高毒性和生物积累的特性，严重危害人类健康。脱卤呼吸菌通过脱卤呼吸作用在卤代有机污染物的原位生物修复中发挥着关键作用，然而由于多溴联苯醚的生物难降解性，目前缺乏有效降解多溴联苯醚的菌群，由此导致对其降解机理所知甚少，对原位生物修复造成了限制。在前期工作中，通过对不同污染环境样品的筛选和富集，我们得到了能够通过脱卤呼吸作用高效降解多溴联苯醚的菌群GY70，实现了对多溴代联苯醚中毒性最大、生物富集性最大的七溴代至四溴代联苯醚的完全脱溴降解。本课题将采用应用微生物、分析化学、分子生物学、生物信息学、蛋白质组学等多学科交叉的研究手段，通过对菌群GY70脱溴途径和脱溴基因的鉴定，对尚未明确的脱溴联苯醚脱卤呼吸机理进行阐释，以期为多溴联苯醚原位生物修复提供重要的理论依据和和技术支持。

多溴联苯醚是一种全球广泛使用的添加型溴代阻燃剂，由于在产品生产、使用以及废弃物处置中的不当处理，多溴联苯醚会释放到环境中并进行广域迁移，造成全球性的空气、水体、土壤和沉积物的长期污染。本研究选取在环境中分布最为广泛、并且具有更高毒性和生物富集性的四溴代联苯醚BDE-47及七溴代联苯醚BDE-183为研究目标，以期获得能够高效稳定降解多溴联苯醚得菌群或菌株，最终能够应用于原位生物修复。通过研究不同碳源，电子供体，抗生素对GY70降解多溴联苯醚的影响，定向富集获得了脱溴菌丰度高达70%的高效稳定脱溴菌群。脱溴菌群展现了快速有效稳定的脱溴性能：25天内完全降解0.44 uM四溴代联苯醚BDE-47为二苯醚；在120天内对0.34 uM 七溴代联苯醚BDE-183的降解也达到了62.4%，主要产生三溴代至五溴代联苯醚，同时产生少量的完全无溴的联苯醚。通过GY70对四溴代联苯醚BDE-47及七溴代联苯醚BDE-183共污染的降解特征进行分析， 七溴代联苯醚BDE-183得到了更为充分、快速和彻底的降解。与BDE-183作为唯一存在污染物相比，降解速度得到了7.83倍的提升，降解程度由62.4%提升为87.7%，二苯醚为降解主要产物，说明不同溴代污染物的存在可能对脱溴酶的表达产生协同作用。同时，菌群GY70中的脱溴菌及降解途径得到全面解析。Dehalococcoides被确定为菌群GY70中的脱溴功能菌。在四溴代联苯醚BDE-47降解为联苯醚的过程中，菌群GY70并未显示出在邻位和对位脱溴的选择性。在七溴代联苯醚BDE-183的降解过程中，虽然邻位、间位、和对位脱溴都有出现，然而在脱溴的起始阶段，间位和对位脱溴还是占据主导地位。同时，脱溴机理得到了阐明，高溴代和低溴代联苯醚的降解由不同的脱溴酶介导，相关的脱溴基因得到了鉴定。这项研究对高效降解多溴联苯醚菌群GY70进行了进一步富集，建立更加稳定、更易于实地应用的菌群；对尚未明确的脱溴途径进行鉴定，并对脱卤机理进行阐释。