生物纳米粒子介导Pseudomonas降解BDE-47机制研究

Considering the difficult capture and recalcitrant of BDE47 in water, a hybrid approach is constructed by biologically precipitated Pd nanoparticles alongside the periplasmic hydrogenases and cytochromes of Pseudomonas putida. Bio-nanoparticles could facilitate electron transfer inside the cells and catalyze the degradation of BDE47. The coupled system is adjusted with the limited factors (such as oxidation reduction potential (ORP), pH, DO, Pd and BDE47 concentrations) by the model of Principal Component Analysis (PCA). Furthermore, the synergy mechanism and electron transfer between Bio-nanoparticle and bacteria will be explored by analyzing the intermediate products, structure evolution and through TEM, SEM-EDS, XPS, Zeta potential and electrochemistry analysis. This will explore the rapid, in-site capture and complete remediation of trace BDE-47 in water, which will provide potential theoretical and technical support for efficient degradation and ecological restoration of POPs.

本项目拟以BDE-47为目标污染物，探讨位于细菌Pseudomonas putida周质或外膜上生物纳米粒子Pd合成技术，构建生物纳米粒子Pd-菌Pp的复合体系(Bio-Pd-PP)，研究细胞内及细胞外BDE-47在生物纳米颗粒介导下BDE-47快速脱溴，完全矿化过程。采用SIMCA-P主成分分析模型（Principal Component Analysis (PCA)）从动态角度定量化地描述系统中限制性生态及环境因子（ORP、pH、溶氧浓度，离子浓度，BDE47等）作用规律和调控对策。通过代谢产物的分析和TEM、SEM-EDS、XPS和Zeta电位等现代分析手段，并结合微菌体内生物活性组分和生物电化学分析，从电子传递效能角度，阐明联合体系对水体中BDE-47原位降解的协同效应机制。本项目研究将为生物纳米粒子-菌体复合体系在实际POPs污染的原位修复提供参考

本基金课题构建微生物-生物纳米粒子联合体系通过加快微生物的界面转移效率并耦合生化协同降解机制实现持久性有机污染物的快速降解和完全矿化。首先，利用TEM、XPS、XRD等多种表征手段证明Pseudomonas putida 具有异化金属还原能力能够在细胞的周质或外膜上成功合成Pd(0)纳米粒子，并且NADH和其他未知的还原性物质以及氢化酶还原的还原作用是细菌合成纳米粒子Pd(0)的主要机制。此外，通过CV、DPV、I-t等电化学分析方法揭示微生物合成Pd(0)纳米粒子的胞外电子传递行为， 发现Pd2+不仅可以通过NADH和其他未知的还原性物质以及氢化酶还原成Pd(0)，也可以可从呼吸链上的电子载体、与细胞膜结合的c-Cyt以及细菌分泌的RF处获得电子合成胞外Pd(0)。同时，构建生物纳米粒子Pd- Pseudomonas putida复合体系，通过加快微生物的界面电子传递，实现了以多溴联苯醚为代表的持久性有机污染物的快速降解和彻底矿化。并通过自由基屏蔽实验和LC-MS对体系中的自由基和代谢产物进行分析，阐明了P. putida 对BDE-47的的有角度双加氧和侧链双加氧降解路径，并阐明Bio-P.p-Pds联合体系中的跨介质环境行为及生物还原托溴、类芬顿氧化降解与生物氧化矿化的协同降解机制；利用流式细胞仪、透射电镜等探究不同接触方式的纳米粒子对细胞的结构和形态的毒性影响，结果显示相比于化学合成的纳米粒子，生物纳米粒子具有更低的毒性效应和更高的生物相容性，同时阐明了好氧条件下Pd (II)对膜结构的直接破坏和氧化应激是Pd (0)-NPs的重要杀菌机制，而厌氧条件下剩余Pd (II)对膜结构的直接破坏是Pd(0)纳米粒子的重要杀菌机制，从细胞水平上阐述生物纳米粒子与P. putida的相互作用规律。本课题按照课题研究计划要点执行，并已完成了以上课题研究计划，共计标注发表SCI论文33篇。