电缆细菌驱动沉积物中疏水性有机污染物重分配机制

The distribution of hydrophobic organic contaminants (HOCs) in sediments is closely related to mineral composition and directly affects their bioavailability. Cable bacteria, filamentous microbes, have recently been identified in various sedimentary settings worldwide in recent years. They transfer electrons from the bottom anaerobic zone to the surface aerobic zone by mediating electrogenic sulphur oxidation (e-SOx), leading to dissolution of iron, manganese, calcium and other minerals in the bottom and reprecipitation in the surface. Our previous study showed that pyrene in the sediment was redistributed with the growth of cable bacteria, in which the bioavailable concentrations of pyrene incresed in the bottom anoxic zone and decreased in the surface aerobic zone. It is speculated that cable bacteria in the sediments are important force driving the mineral cycle and mediating HOCs redistribution. This project intends to synthetically use biogeochemistry and environmental microbiology, and establish laboratory microcosmic simulation system, to analyze the mechanism of cable bacteria mediating mineral circulation, to clarify the influence of cable bacteria mediating mineral cycle on HOCs redistribution in sediments, and to reveal the mechanism of cable bacteria driving HOCs redistribution in sediments. This project will replenish and expand the redistribution mechanism of HOCs in sediments, and provide scientific theoretical guidance for the ecological risk assessment of HOCs.

疏水性有机污染物（HOCs）在沉积物中的分配与矿物组成密切相关，也直接影响其生物可利用性，但相关机制尚不清楚。电缆细菌是最近几年发现的广泛存在于水体沉积物的长线状细菌，通过执行产电硫氧化将电子从底层无氧区传递到表层有氧区，促进铁、锰、钙等矿物在底层溶解、表层沉积。我们的前期研究结果显示，随着电缆细菌的生长，沉积物中芘发生了重分配，其中底层芘的生物可利用浓度增大，而表层芘的生物可利用浓度减小。据此推测：沉积物中电缆细菌是驱动矿物循环介导HOCs重分配的重要力量。本项目拟综合运用生物地球化学、环境微生物学等研究方法，构建实验室微宇宙模拟体系，解析电缆细菌介导矿物循环的作用机制，阐明沉积物中电缆细菌介导矿物循环过程对HOCs重分配的影响，揭示电缆细菌驱动沉积物中HOCs重分配的作用机制。本项目将补充和拓展沉积物中HOCs的分配机制，为HOCs的生态风险评价提供科科学理论指导。

疏水性有机污染物（HOCs）在水体沉积物中的重分配受到微生物活动、沉积物组成等多种因素的影响，其在沉积物中的迁移降解转化一直是研究的热点及难点。电缆细菌是广泛存在于沉积物中具有跨越不同氧化还原梯度进行长距离电子传递的一类特殊微生物，其运动能力和趋硫特性使其可能扮演着HOCs迁移的重要微生物载体的作用；同时，电缆细菌通过执行产电硫氧化引起的酸化现象可促使沉积物中铁、锰、钙等矿物的溶解，这可以增大HOCs的生物可利用性。另外，电缆细菌可加速沉积物中硫酸盐的积累，从而改变沉积物中功能微生物群落结构组成，进而促进HOCs的降解转化。因此，电缆细菌可能是沉积物中HOCs重分配的重要潜在调控因子，但目前为止，相关研究存在较大空白，相关机制仍不清晰。.本项目通过搭建基于连通和隔断处理的室内微宇宙沉积物培养实验体系，综合运用高通量测序、宏基因组分析、常规理化分析、扫描电镜、荧光原位杂交等技术手段，阐明电缆细菌驱动水体沉积物中HOCs重分配的作用特点及其调控机制。主要成果如下：① 揭示了沉积物中电缆细菌促进芘迁移的机制。本项目发现微生物作用显著促进芘的向下迁移，其中运动性和长线状的微生物在芘迁移过程中起关键作用，特别是电缆细菌。电缆细菌的趋硫生长及运动，伴随其他微生物向下迁移，一同促进芘的向下迁移。②阐明了沉积物中电缆细菌促进芘去除的机制。本项目发现沉积物中随着电缆细菌的富集，沉积物中的含铁矿物相对比例明显降低，芘的生物可利用浓度显著增强，同时硫酸盐还原菌和芳香化合物降解菌等也相应富集，芘的去除效率也显著提高；电缆细菌存在一条长距离电子传递耦合醋酸/甲酸盐氧化的呼吸产能途径；芘的存在可能选择和富集了对芘具有高耐受性的电缆细菌，并改变沉积物中相关的功能微生物群落，从而加速了芘的去除。相关的成果从新的视角探究了沉积物中HOCs的环境行为，为沉积物中HOCs的生态风险评价和原位修复提供重要的理论指导。