腈降解菌定殖细菌生物膜对氰污染地下水强化生物修复的研究

Biofilms are well-organized communities of bacteria that adhere to surfaces and are embedded in an extra-cellular slime layer. Studies have shown that biofilms in wastewater treatment have many advantages. Little knowledge of biofilm-forming factors, microbial community structure and gene expression in biofilms is available due to the complexity and dynamic nature of biofilms. However, the above-mentioned factors determine the efficiency of sewage treatment. The major aims of this program are as follows: (a) Screening biofilm-forming bacteria from cyanide-contaminated groundwater and sludge and studying biofilm-forming factors and structure and components of biofilms; (b) Exploring the colonizing conditions of nitrile-degrading strains in biofilms and the synergistic degradation effect on nitrile with biofilm-forming bacteria; (c) Detecting the expression level of nitrile hydratase and nitrilase in biofilms; (d) Studying the microbial community structure and dynamic changes of microorganisms in biofilms. The internal relationship between the efficiency of sewage treatment and microbial ecosystem in biofilms is expected to be determined through this study. Moreover, this study not only can explore the colonizing rules of nitrile-degrading strains in biofilms, but also has important theoretical significance and practical value for innovating biodegradation technologies, optimizing operating parameters of bioreactors, improving wastewater treatment efficiency and delaying biofilm fouling.

细菌生物膜(Biofilms)是附着于物体表面的一种结构性细菌群落，研究表明其在污水处理中有着无可匹敌的优势。由于细菌生物膜的复杂性和动态性，对影响细菌生物膜形成因素，膜内菌群结构特征等知之甚少，但这些因素决定着污水处理效率。本课题从腈类有机物污染地下水及污泥中筛选出多株强成膜细菌，研究细菌生物学特性对生物膜形成的贡献及所形成生物膜的结构；腈类有机物高效降解菌株在该强成膜细菌中的定殖情况及协同降解效果；生物膜内腈转化酶基因表达；生物膜内微生物种群结构及其演替规律，达到从根本上了解细菌生物膜内微生物生态系统及其与污水处理效率间内在关系的目的。本研究不仅在理论上探讨腈类有机物高效降解菌在强成膜细菌中的定殖条件及腈转化酶基因表达，而且对创新生物降解技术、优化生物反应器运行，提高废水处理效果，延缓膜污染等都具有重要的理论探索意义和实际应用价值。

腈类化合物是带有氰基（−C≡N）的一类有机化合物，是氰化物中重要的成员。腈类化合物是现代工业生产中常用的原料或中间物质，可广泛应用于有机溶剂、塑料、橡胶以及医药行业，大部分的腈类化合物具有致癌、致畸、致突变特性。由于工业生产及人类活动产生的大量含腈废液排放到自然环境，并通过地表径流或淋溶等途径进入河流和地下水，从而导致环境污染。因此，含氰废水及氰污染地下水生物修复现已引起广泛关注。本项目针对前期筛选获得的一株高效腈降解细菌Rhodococcus rhodochrous BX2，研究其对脂肪腈类化合物（乙腈、丙烯腈、丁烯腈）的降解及其相应代谢酶的表达情况，结果表明脂肪腈类化合物的生物降解是通过腈水合酶途径和腈水解酶途径共同完成，其中腈水合酶途径占主导地位；转录组测序分析显示，腈水合酶/酰胺酶在腈降解中的作用可能更为重要，该结果与前期研究认为腈水合酶/酰胺酶途径为脂肪腈降解优势途径的推断具有一定吻合性；同时，筛选出4株具有较强生物膜形成能力的细菌，考察了各菌株的细菌生物学特性与生物膜形成能力之间的关系并优化了成膜条件；研究了生物膜形成菌与高效腈降解菌联合作用于含氰地下水处理系统，结果表明生物膜形成菌可以促进腈降解菌在生物膜中定殖，提高氰污染地下水中腈类物质的处理效果；将生物膜形成菌与高效腈降解菌联合作用于含氰废水（乙腈废水、丙烯腈废水、丁烯腈废水）处理系统，结果表明生物膜形成菌可以促进腈降解菌在生物膜中定殖，进而提高废水中腈类物质的降解效果；构建可同时具有腈降解能力和生物膜形成能力的重组菌株Bacillus subtilis N4-pHT01-nit，并将其应用于含氰废水处理，结果表明Bacillus subtilis N4-pHT01-nit可以提高废水中腈类物质的降解，通过MBBR中载体生物膜中细菌群落结构分析，表明Bacillus subtilis N4-pHT01-nit可成功定殖于反应器中并成为优势种属。.本研究揭示了高效腈降解菌株Rhodococcus rhodochrous BX2降解脂肪腈的共性机制，通过与生物膜形成菌联合作用加强了Rhodococcus rhodochrous BX2在含氰废水以及氰污染地下水处理中的应用效果，为实际含氰废水及氰污染地下水治理提供了新思路并奠定了理论基础。