土壤中根瘤菌-豆科植物共生体对多氯联苯的降解机制研究

Polychlorinated biphenyls (PCBs), as one of the priority persistent organic pollutants (POPs) are of great concern due to their persistence and toxicity in the world. Remediation of PCBs contaminated soil in the high risk areas caused by electronic waste has become an important environmental & technological issue and urgently needs to be solved by Departments of National Environmental Protection. Legume-rhizobium symbiosis as the biological phenomena is widely spreading in nature. Our previous results showed that Rhizobium and PCB28 coexisted in the core area of alfalfa-rhizobium symbiosis nodules in which nitrogen fixation occurred, and Rhizobium bacteroids can degradate PCB28. Thus, we propose that a scientific hypothesis to elucidate whether the coupling mechanism between PCB biological degradation and symbiotic nitrogen fixation process exists? It still needs to be further verified. This project will be carried out in a pot experiment.A integrate technology is to combine 13C-PCBs isotope and GFP gene double mark,Scanning Ion-selective Electrode Technique(SIET), with GC-MS analysis and molecular biological methods in order to deeply study the intrinsic coupling relationship between PCBs metabolism and biological nitrogen fixation process in the nodule of legume-rhizobium symbiosis. The ion flow of Cl-, NH4+, and H+ and the dynamic changes of H2 release, hydrogenase activity and the reductive dechlorination enzyme gene are analyzed, and reveal the coupling mechanism of symbiotic nitrogen fixation and PCBs reductive dechlorination process, which will provide the scientific basis for bioremediation of soils contaminated with polychlorinated biphenyls.

多氯联苯（PCBs）是国际上共同关注的优控持久性有机污染物。电子废弃物高风险区PCBs污染土壤的修复已成为国家环保部门亟需解决的重要环境科学技术问题。豆科植物-根瘤菌共生是自然界普遍存在的生物学现象。课题组近期研究发现豆科植物紫花苜蓿共生体根瘤中根瘤菌和PCB28共存于固氮核心区，且根瘤中根瘤菌类菌体能够降解PCB28。这一有趣的科学现象是否与共生固氮过程存在耦合关系，其降解机制如何？尚需深入研究。本项目拟采用室内盆栽试验，结合13C-PCBs同位素与GFP基因双标记示踪法、非损伤微测技术、GC-MS及分子生物技术，深入研究豆科植物-根瘤菌共生体根瘤中固氮过程与PCBs代谢的关系，分析共生体根瘤中Cl-、NH4+、H+离子流、H2释放以及氢化酶活性和还原脱氯酶基因的动态变化，以揭示豆科植物-根瘤菌共生体中PCBs还原脱氯与共生固氮的耦合机制，为多氯联苯污染土壤的生物修复提供科学依据。

多氯联苯（PCBs）是国际上共同关注的优控持久性有机污染物。电子废弃物高风险区PCBs污染土壤的修复已成为国家环保部门亟待解决的重要环境科学技术问题。在全球陆地生态系统中，根瘤菌-豆科植物共生体系是主要的生物可利用氮素来源。而近年来研究也发现该共生系统能够有效修复氯代有机物污染土壤。但是，在此共生关系中，共生固氮与PCBs的脱氯反应之间是否存在一定联系，鲜有报道。本项目以一株苜蓿中华根瘤菌（Sinorhizobium meliloti）NM和豆科植物紫花苜蓿为研究对象，以具有类二噁英共平面结构的3,3’,4,4’-四氯联苯（PCB 77）为模式底物开展研究。采用室内双层瓶盆钵试验，结合gfp标记示踪法、非损伤微测技术、GC-MS及分子生物学技术，探明了Sinorhizobium meliloti NM对PCB 77的降解能力及其代谢途径和机制，揭示了紫花苜蓿-根瘤菌共生体系中共生固氮与PCBs脱氯之间的偶联关系，同时明确了根瘤菌共生缓解四氯联苯诱导的紫花苜蓿系统氧化胁迫损伤机制。本研究主要结果如下：. 1. S. meliloti NM菌株能够在以PCB 77为唯一碳源和能源的无机盐培养基中进行生长，降解PCB 77的下游代谢途径为苯甲酸代谢途径。这是首次报道的能利用共平面四氯联苯PCB 77作为唯一碳源和能源的菌株，表明该菌可用于PCBs污染土壤的生物修复。转录学分析显示，S. meliloti NM的脱氯活性可能与脱氯酶基因gene829有关。. 2. 进一步采用非损伤微测技术（NMT）对根瘤中PCB的脱氯行为进行跟踪。结果发现，共生固氮活性与PCB 77脱氯行为之间存在正相关关系，Mo元素的加入既可以提高固氮酶的活性还可以促进PCB77的脱氯。在实际应用中，可通过提高固氮酶活性来促进根瘤菌对有机卤代污染物的修复效率。这一结果对于污染土壤的修复和管理有重大意义。而Mo元素可能作为潜在的关键微量元素，限制有机卤代污染物的脱氯进程。普遍认为卤代有机物污染场地的原位修复常受到氮素供应的约束，这个限制也可通过实施生物固氮体系而得以缓解。. 3. 根瘤菌接种能增加紫花苜蓿对PCB胁迫的耐受能力，并且芸苔素唑BRs可能参与了此信号介导途径。可见，根瘤菌能通过多种机制修复PCBs污染土壤。此结果为根瘤菌用于PCBs污染土壤的生物修复与调控提供了理论基础。