基于脱卤呼吸电子传递过程的多氯联苯还原脱氯生物强化机理研究

The low PCBs dechlorination efficiency has become the bottleneck for in situ bioremediation of PCBs. In this study, the applicant will solve this problem through enhancing the intra- and inter-cellular electron transport and thus the organohalide respiration of PCB-dechlorinating bacteria: (1) to optimize electron transport efficiency in PCB-dechlorinating bacteria with PCBs-alternative organohalides as electron acceptors, based the assumption of bifunctional PCBs reductive dehalogenase (RDase), and to enrich PCBs dechlorinators and identify PCB RDase; (2) to elucidate the impacts of alternative electron acceptors on PCBs-respiring bacteria, and screen and enrich dechlorinating bacteria capable of completely removing halogens from alternative electron acceptors; (3) to stimulate the intercellular electron transport via amending specific inhibitors of electron transport chains, as well as their effects on the organohalide respiration; (4) to employ abovementioned enrichment cultures and strategies to mimic biostimulation of PCBs bioremediation at contaminated sediments. All those results shall shed lights on PCBs in situ bioremediation by providing mechanistic insights and technical supports.

在利用还原脱氯菌对聚集在沉积物环境中多氯联苯（PCBs）污染物进行原位生物修复时，PCBs脱氯效率低是PCBs污染修复的瓶颈问题。申请人将基于PCBs脱氯菌胞内、胞外电子传递过程，通过以下4个方面的深入研究实现PCBs脱氯生物强化并阐明机理：（1）基于脱卤酶双功能特征假设，利用替代电子受体促进PCBs脱氯菌胞内电子传递效率，实现沉积物环境PCBs脱氯菌的快速筛选、富集并鉴定PCBs脱卤酶基因；（2）揭示替代电子受体对PCBs脱氯菌脱氯呼吸影响，并筛选、富集替代电子受体完全脱氯菌；（3）投加电子传递链特异阻隔剂及胞外电子载体促进PCBs脱氯菌胞外电子传递效率，并研究该强化过程对PCBs脱氯菌脱氯呼吸影响；（4）应用获得富集培养物及脱氯呼吸电子传递生物强化信息对沉积物环境中PCBs污染原位修复进行模拟生物强化处理。该研究成果将为沉积物环境中PCBs污染生物修复提供理论依据及技术支持。

本项目旨在研究替代电子受体及胞内外电子传递物质/过程对脱卤呼吸过程的影响机制及其强化脱卤修复应用，主要研究内容包括：环境中双功能脱卤酶特征及其替代电子受体与高效脱卤菌筛选/富集应用；替代电子受体对多氯联苯（PCB）脱卤菌脱卤呼吸及脱卤深度影响机制；细胞内外电子传递强化对脱卤呼吸过程的影响机制；基于电子传递过程强化的PCB污染生物修复效果验证。经过4年研究，获得主要成果包括：（1）在全国76个城市污染水体沉积物中筛选获得了165个高效脱卤培养物并发现双功能脱卤酶普遍存在于这些脱卤菌中，在此基础上构建了脱卤菌库，其脱卤活性涵盖污染场地典型卤代有机物并由于菌源广泛性可避免修复应用中因外源菌剂导致的生物风险问题；（2）通过系统分析重金属、硫酸盐及消化污泥等（替代）电子受体对脱卤菌脱卤呼吸的影响，表明上述电子受体可直接对脱卤呼吸电子传递链形成抑制作用，同时由于上述电子受体还原菌可为脱卤呼吸菌提供厌氧环境及生长因子从而形成间接促进作用，最终形成直接抑制和间接促进的复杂影响和平衡，在此基础上开发了PCB深度修复Bio-RD-PAOP技术；（3）基于不同卤代有机物作为电子受体对脱卤呼吸电子传递链及能量代谢单元的影响，阐明了代谢脱卤、共代谢脱卤、脱卤酶水平脱卤3种典型脱卤呼吸类型及其电子传递特征，同时发现了电子供受体调控的脱卤种群间竞争、合作、既竞争又合作3种互作关系，并且探明了污泥基材料由于可提供电子供受体及细胞生长因子从而可以支持脱卤菌代谢脱卤并实现脱卤种群间3种互作关系的调控，实现了脱卤修复效果的强化；（4）在脱卤修复模拟系统中验证了替代电子受体对脱卤修复过程的强化作用机制。因此，本课题研发不仅探明了PCB脱卤菌双功能脱卤酶特征及其环境分布的普遍性并完成了脱卤菌高效筛选和菌库构建，还发现了基于脱卤呼吸电子传递链的代谢/共代谢脱卤机制与脱卤菌种间互作规律，为卤代有机污染生物修复提供了理论指导和强化修复微生物资源，已经达到了预期研究目标。.课题实施期间，已在ES&T等SCI期刊发表论文13篇，并仍有1篇论文在审；微生物还原脱卤主题书著1部；获授权专利3项，其中包括1项美国专利；共培养研究生4人，课题负责人获得了国家自然科学基金优秀青年项目支持；组织国内外学术会议或分会3次，组织SCI期刊科研专题1个，参加国内外学术会议10次。