生物酶作用下多氯联苯的降解机理研究

Phlorinated biphenyls (PCBs) are considered as typical persistent organic pollutants (POPs) and listed by the international Stockholm Convention as POPs. PCBs have carcinogenic,teratogenic,mutagenic and endocrine disrupting effects. Due to their widespread use, serious environmental problems are emerging, and they are among the priority pollutants in China. PCBs could degrade under various environmental conditions and transform to nontoxic or less toxic compounds. But some of them may also transform to more toxic second polltants such as dioxins. This project will study the degradation of PCBs with the aid of enzyme by using the quantum calculation and molecular simulation. The geometrical parameters, degradation mechanism and intermediates will be obtained from the molecular level. This project will also study the influence of the active center of enzyme, amino acid, on the rate determining step of the degradation processes. Especially, the amino acids, which depress the rate determining step, will be identified. And, this project will find more effective enzymes by means of mutation. This project will associate the structures of PCBs with their enviromental actions and construct the degradation model of PCBs. We hope that this project will help to develop more effective control strategies of PCBs and be of practical value for the international Stockholm Convention.

多氯联苯(PCBs)是一类典型的持久性有机污染物(POPs)，已被首批列入《斯德哥尔摩公约》POPs的黑名单中。PCBs具有致癌、致畸、致突变效应及环境内分泌干扰效应。多氯联苯在工业上的广泛应用，已造成全球性环境污染，PCBs也是我国优先控制污染物之一。多氯联苯可在各种环境介质中降解，转化成安全无毒或毒性较低的产物，但也可能生成毒性更强、更稳定的二次污染物如二噁英。本项目拟采用量子化学计算与分子模拟(QM/MM)组合方法研究多氯联苯在生物酶作用下的降解，从分子水平上探讨其结构信息、降解机理、中间产物等；研究酶活性中心部位氨基酸对速控步骤的影响，尤其查明对速控步骤有抑制作用的氨基酸，有针对性的进行突变，构建更为高效的降解酶；将PCBs结构与其宏观的环境行为进行关联，建立多氯联苯降解性能预测模型。期望通过本项目的研究为有效控制多氯联苯污染乃至为我国履行POPs国际公约提供理论依据和科技支撑。

本项目依照申请书按计划执行并且已完成预期目标，采用量子力学和分子力学组合方法，辅以适当的实验验证，研究了多氯联苯在生物酶作用下的降解机理，阐明了多氯联苯在非血红素铁双加氧酶(BphA)、联苯脱氢酶(BphB)、多氯联苯非血红素铁双加氧化酶(BphC)、酰胺水解酶(LigY)等生物酶作用下的降解机理，结构信息、反应路径、转化过程、中间产物等，获得了典型新型有机污染物降解过程中关键基元过程的速率常数，明确了外部环境因素对降解机理的影响，构建了多氯联苯结构对反应活性和降解机理的影响模型。通过氨基酸静电影响分析等突变手段明确了生物酶活性中心氨基酸对酶催化反应的影响，提出潜在的突变靶点以获取更为高效的多氯联苯降解剂或降解酶。研究结果为评估多氯联苯对环境的影响及污染控制与修复提供新的研究方法和理论依据。研究成果将多氯联苯结构与其宏观的环境行为进行关联，为更好地理解多氯联苯在环境中的反应活性、清除规律，以及通过本项目的研究为有效控制多氯联苯污染乃至为我国履行POPs国际公约提供理论依据和科技支撑.项目预期发表SCI论文10-14篇，其中3.0以上的文章8-10篇。本项目截止目前共发表SCI论文17篇，其中发表影响因子5.0以上的SCI论文6篇，影响因子3.0以上论文12篇。项目执行期间，负责人及项目成员共参加国内外专业学术会议10余人次。负责人于2018年获评山东省泰山学者特聘专家称号，于2019年获得俄罗斯Petryanov Gold Medal奖(该奖于2011年由俄罗斯化学家联盟成立，以Petryanov院士命名，旨在表彰物理和应用化学领域的杰出学者，目前获奖50人左右，其中包括7名俄罗斯科学院院士，17名国家奖获得者)。负责人还分别于2016、2018、2019年获得山东省高等学校科学技术一等奖 (排名第一)、山东省高等科学技术奖三等奖(排名第一)以及山东省优秀研究生指导教师称号。