浅水湖聚藻区沉积物中多环芳烃的降解过程及机理

The accumulation and sedimentation of cyanobacterial biomasses play an important role in accumulating of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in freshwater sediments, which leading to potential ecological risk. But the mechanism has not been elucidated. This study contributes to predicting PAHs degradation and accumulation rate in sediments hypoxic zone induced by algal blooms and developing in situ bio-regulation technology to decrease potential ecological risk. The project proposed a new idea of DNA stable isotope probing (DNA-SIP) technology to elucidate the microbial community structure and functions in the process of PAHs degradation in sediments. The major factors controlling PAHs degradation and in situ PAHs degradation characteristics in the Meiliang Bay and Zhushan Bay were investigated to clarify the characteristics of degradation process. The dominant microbial species using PAHs as sole carbon source were separated and analyzed their physiological characteristics. The microbial community structure and functions in sediments were analyzed by DNA-SIP technology in order to reveal key function microorganisms of community structure in the degradation process. The project is important in lake environmental protection ,management and ecosystem restoration, to provide scientific guidance for the effective implementation bioremediation of contaminated environment.

蓝藻的聚集沉降对湖泊沉积物中多环芳烃（PAHs）累积导致潜在生态风险起重要作用，但其机制尚未阐明。研究浅水湖聚藻区沉积物中PAHs的降解过程及机理, 有助于预测聚藻区沉积物中PAHs降解与蓄积速率以及开发原位生物调控措施以降低其潜在生态风险。本项目提出了利用稳定性同位素核酸探针（DNA-SIP）技术来认知聚藻区沉积物中PAHs降解过程中微生物群落的生理代谢功能一种新思路。项目以太湖蓝藻聚集的主要区域梅梁湾和竺山湾为研究对象，通过探讨聚藻区沉积物中影响PAHs降解的主要因素及其原位降解，以阐明其降解过程特征；分离聚藻区沉积物中以PAHs为碳源的优势菌种且分析其生理特性，同时应用DNA-SIP技术定向发掘参与PAHs降解的功能微生物，以揭示其降解过程中的关键功能微生物群落结构特征。本项目在湖泊环境保护与管理和湖泊生态系统恢复方面具有重要意义，为有效地开展污染环境生物修复提供科学指导。

蓝藻的聚集沉降对湖泊沉积物中多环芳烃（PAHs）累积导致潜在生态风险起重要作用。项目研究了聚藻区沉积物中PAHs 的降解过程及机理。其主要创新成果包括阐明了不同湖区水环境中天然有机质对沉积物中高分子量PAHs降解影响及其降解特征，发现藻源性有机质（易氧化碳或者不稳定碳）进入沉积物中引起了激发效应（Priming Effect），此激发效应可通过生物刺激/生物强化（蓝藻附生菌）的方式加快沉积物中高分子量PAHs的降解；进一步探究不同类型外源性氨基酸对沉积物中PAHs生物降解影响，发现芳香族氨基酸具有定向诱导高分子量PAHs的生物降解的性能，芳香族氨基酸（苯丙氨酸和酪氨酸）和杂环氨基酸（色氨酸）对5-6环PAHs的去除率要显著高于脂肪族氨基酸（天冬氨酸和丙氨酸）；从PAHs污染的沉积物中分离了一株芘降解菌（Hydrogenophaga PYR1），该菌株不仅好氧条件下可以降解芘，且厌氧铁还原条件下，该菌株通过产生生物表面活性剂可以同时降解芘和苯并(a)芘。通过高通量测序和功能基因芯片GeoChip技术等分子生物学分析手段，进一步揭示了沉积物中关键的功能微生物群落结构特征，发现沉积物内部参与有机物修复的芳香烃降解基因（aromatic degradation genes）和胞外木质素降解酶（extracellular ligninolytic enzymes）的丰度明显提高，而且这些功能基因大部分来自具有复合代谢功能的微生物；沉积物内这些功能基因的变化导致了易氧化有机碳和腐殖酸的产生，进而有助于提高苯并(a)芘的生物有效性、加快其降解速率。应用基于随机矩阵理论方法构建分子生态学网络模型，还发现微生物电化学作用下沉积物微生物群落物种间作用网络更加紧密，特别是毒性污染物降解和有机碳分解转化的功能基因有显著相关性。多元统计方法分析也进一步表明沉积物的总碳和腐殖酸含量是影响和决定微生物群落结构和功能的主要环境因子，从而阐明强化胞外电子传递条件下湖泊沉积物内微生物代谢网络结构的响应特征。这些研究成果有助于发展基于微生物群落代谢途径调控的湖泊污染物的高效生物修复技术。