利用高分辨率质谱和高通量基因测序研究新兴污染物的生物降解机理

The elimination and fate of emerging pollutants (EPs) in the secondary biological treatment process of municipal wastewater treatment plants (WWTPs) have recently drawn great attention all over the world. In this study, the biodegradation mechanisms of three typical EPs, including cephalexin (β-lactams antibiotic), triclosan (additive of personal care products) and 17α-ethynylestradiol (synthetic estrogen) will be conducted by the combination of high-throughput sequencing (microbial analysis) and quadrupole time-of-flight mass spectrometry (QTOF-MS/MS) with high resolution and accurate measurements capabilities (chemical analysis) for the first time. This study mainly focuses on (1) characterization and identification of the degradation products of the selected EPs in environmental samples containing complicated matrix, (2) explanation of the target EPs metabolic pathways under different process conditions, (3) identification of the major EPs-degrading microorganisms, （4） prediction and confirmation of the EPs degradation genes, and (5) investigation of EPs degrading genes expression in activated sludge process. The success of this study will demonstrate the feasibility of utilizing both high-throughput sequencing and QTOF-MS/MS to explore the fate and biotransformation mechanisms of EPs at the degradation pathways and genes levels. This study could open the "black box" in the previous studies on EPs biodegradation and provide technical reference for the future study. Additionally, the conclusions and results of this project could also be used as scientific evidences to predicate the fates of some other EPs of similar physicochemical properties in the biological treatment process of WWTPs.

新兴污染物（EPs）在污水二级生物处理工艺中的归趋正在成为国内外研究热点。本项目选取3种具代表性的EPs：头孢氨苄（β-内酰胺类抗生素），三氯生（个人护理品添加剂）和17α-乙炔基雌二醇（人工合成雌激素）作为目标EPs，首次联合使用高通量测序技术和高分辨率四级杆飞行时间串联质谱技术，开展污水生物处理系统中EPs生物降解机理的研究。包括：（1）建立复杂基质样品中未知降解产物的鉴定方法，（2）阐释EPs的代谢途径，（3）分析相关降解微生物菌群的多样性，（4）预测并验证有关降解的功能基因，（5）考察降解功能基因在活性污泥工艺中的表达。通过上述两项新技术的联用，展示从代谢途径和降解功能基因层面研究EPs在生物处理工艺中生物转化机理的可行性，突破环境科学和工程领域中生物处理过程研究的瓶颈，为今后的相关研究提供技术借鉴；同时可为预测其他理化性质相似的新兴污染物在污水生物处理工艺中的归趋提供科学依据。

新兴污染物（Emerging Pollutants，EPs）在污水二级生物处理工艺中的归趋已成为国内外研究热点。本研究联合使用高通量测序技术和高分辨率质谱技术，开展活性污泥工艺中EPs生物降解机理的研究，包括：.（1）活性污泥对新兴污染物的去除行为.在选定的目标EPs中，Carbamazepine在整个实验周期中既不能被生物降解，也无法被污泥吸附；Acyclovir、metronidazole、methylparaben、benzylparaben、ethylparaben及propyloaraben只可被生物降解；Benzophenone-3和ranitidine既可被部分吸附又可被部分降解；而化合物fluoxetine在短时间内可被污泥完全吸附。.（2）利用宏基因组学探究了EPs代谢途径、分析了降解菌群及功能结构多样性.利用宏基因组测序技术与分析手段，对降解菌群进行了群落结构的阐述，在微生物基因组水平上讨论了代糖代谢过程中的主要参与者，结果表明具备代糖代谢能力的细菌基因组中大部分来自于新的属或新的种。.（3）建立并优化了宏基因组数据中特定功能基因的快速筛查及注释方法.现今最为常用的宏基因组数据中功能基因比对及注释的工具为BLASTX。然而，BLASTX比对时间较长，成为了限制宏基因组数据功能基因分析的瓶颈。本研究建立并评估了UBLAST与BLASTX复合注释方法对抗生素抗性基因、砷抗性基因与氮循环相关功能基因的筛查注释效率及准确度。.（4）考察了污水处理系统中特定功能基因在质粒上的分布.通过与对应样品的全基因组序列的相关性分析得到全基因组与质粒基因组之间的关系；通过与抗生素抗性基因数据库和金属抗性基因数据库比对可得到相应抗性基因在质粒宏基因组中的分布；并通过组装手段分析获得完整的携带抗性基因的质粒结构。.（5）阐明了活性污泥工艺中抗生素类EPs生物降解过程以及抗生素抗性基因的表达。.研究了氨苄西林在活性污泥系统中的降解过程，通过宏转录组学方法研究了抗生素抗性基因在氨苄西林降解过程中表达水平的变化，找到了影响氨苄西林在活性污泥中降解的关键抗生素抗性基因及其表达的变化趋势。. 本研究展示了从代谢途径和降解功能基因层面研究EPs生物转化机理的可行性，突破了环境科学和工程领域中生物处理过程新兴污染物降解研究的一些瓶颈。