基于特异型细菌发光传感器的土壤重金属及PAHs共污染机制与有效性研究

Pollutants especially heavy metals plus PAHs caused not only soil physical states, chemical properties of the change, but also directly affects the soil microorganism population and quantity. Their pollution states and bioavailablities also have different characteristics under the influence of their coeffections. Based on the previous work, the research select different type of soil ,which is widely distributed in China,and the typical pollutants（mercury and phenanthrene）as the research objects, and carry out a set of microbial sensors carrying genetic elements which can specifically identify heavy metal and PAHs pollutants. Using micro-cosmos testing and various analysis methods, we are trying to explore the relationship between microorganism and the toxic dose of single and combined pollutants. The characteristics of the mutrual relationship among the pollution state, transformation, quantity of specific microbial population are also being investigated. At the same time, simulated cultivation experiments focus on the different temperature, humidity, fertilization and biomass and try to find out how they act on the pollutants circulation and pollution process in different soil types. The research emphasize the distribution and stability mechanism of heavy metal and PAH pollutants- soil- microbial system from different angles, and try to improve the bioavailable theory of combined soil pollutants, provide the theory basis of soil pollution control and farmland reformation.

重金属和多环芳烃的复合污染不仅能加剧土壤物理状态、化学性质的变化，而且严重影响到土壤微生物的种群和数量。其污染状态和有效性在相互作用和影响下也会发生改变并具有不同的特点。本研究在前期工作的基础上，选取广泛分布于我国的多种典型土壤和具有代表性的污染物- - 汞、菲为研究对象，采用携带有识别污染物基因调控元件的微生物发光传感器及各种分析手段，特异性地研究比较土壤微生物与复合污染物的剂量- - 效应关系；探究复合污染物在土壤中的污染状态、特定微生物种群数量等方面的特点及相互作用机制。同时采用微域培养试验，研究不同温度、湿度、施肥及生物量变化对残留的汞、菲等在土壤中的循环和转化情况，动态揭示代表性复合污染物在多种土壤类型中的相互影响规律。从不同角度研究重金属和多环芳烃复合污染物- - 土壤- - 微生物系统内的相互作用机理，完善土壤污染物循环和生物有效性理论，为土壤复合污染治理和农田基本改造提供理论依据。

本研究首先利用细菌的Hg（II）胞内转运识别及调控蛋白基因序列，和多环芳烃降解途径中的底物诱导表达调控序列，通过分子生物学的方法，构建了基于染色体和质粒系统的一系列发光报告基因工程菌。该报告菌能分别特异性识别重金属汞和多环芳烃菲，并表达强烈的荧光信号。然后，对所构建的报告菌信号表达，遗传稳定性，底物特异性，细胞稳定性进行了优化。固定化的报告菌颗粒与吸附固定化滤纸片能稳定保持菌体活力且分别对连续剂量的Hg、菲表现出强烈的底物特异性。其他二价重金属离子均对BMB-ME表达信号无干扰；报告菌BMB-PL对低环PAH具有一定的信号相应而菲的RLU显著较高。接着，建立和优化了报告菌对典型红壤中汞、菲污染物的生物有效性评价方法，同时利用所构建的全细胞微生物传感器在单一及复合污染条件下，对红壤中汞/菲污染物进行了有效性分析。结果表明红壤汞、菲复合污染有效性特征曲线与单一污染不同，污染物有效性之间产生了相互的干扰。多种污染物的总生物有效性由溶解性更好，对微生物细胞有效性更高的污染物主导。另外，分析法和报告菌法对污染物检出率变化趋势较为一致尽管报告菌BMB-PL对污染物的检出量显著低于HPLC。我们还确定了测定实际环境土壤样品的最佳菌土混合比例，并拟合了在此条件下的汞、菲有效性测定的特征性sigmoid曲线。利用所构建的汞/菲报告菌对南京、上海、宁波三个典型重金属和多环芳烃污染的炼油厂周边土壤进行了污染物有效评价；在较大尺度范围内对长江三角洲地区土壤汞/菲污染物空间地理分布和有效性状况进行筛查并与人口及PM10数据进行了插值比较。最后，我们也对种植了不同作物的江西红壤进行了汞/菲污染物单一及复合处理，通过测定污染物有效性、土壤酶活、土壤微生物区系变化，综合比较了土壤在不同污染物处理条件下的生态毒性。