太湖底泥中微生物催化多氯联苯长期降解过程研究

发布时间：2020-03-23 22:06

【摘要】：多氯联苯(Polychlorinated Biphenyls,简称PCBs)是典型的环境持久性有机污染物,因其具有高毒性、长距离迁移性和生物富集性等,对生态环境和人体健康造成极大威胁,是全球关注的焦点。河湖底泥是多氯联苯的主要归宿之一,多氯联苯在底泥中能够通过厌氧微生物催化进行脱氯降解。然而厌氧脱氯是个极其复杂的过程,降解过程中地球化学因素的影响机制及微生物作用方式和机理尚不明晰,受污染时间较长的底泥是否具有持续的微生物降解能力尚无定论。因此,研究底泥中微生物催化多氯联苯的长期降解过程意义重大。本研究现场采集太湖竺山湾及入湖河流底泥样品共16个,调查分析了底泥样品中多氯联苯单体的分布情况以及污染来源。以此为参考,选取二氯联苯PCB 5(23-CB)和PCB 12(34-CB)、四氯联苯PCB 64(236-4-CB)和PCB 71(26-34-CB)、五氯联苯PCB 105(234-34-CB)和PCB 114(234-45-CB)、六氯联苯PCB 149(236-245-CB)和PCB 153(245-245-CB)以及七氯联苯PCB 170(2345-234-CB)。利用太湖竺山湾底泥构建厌氧反应微环境,设置无外加多氯联苯混合物的空白对照组(T)和外加多氯联苯混合物的基础组(T-1),采用化学分析方法考察9种典型多氯联苯单体在长达108周内的微生物脱氯降解过程;并在前期研究成果的基础上,设计了补充碳源(电子供体)的乙酸组(T-1-AC)和混合脂肪酸组(T-1-CS),探究碳源对多氯联苯脱氯进程的影响;并利用分子生物学技术深入探讨微生物群落变化和脱氯相关微生物的响应,以揭示出太湖底泥多氯联苯长期降解的调控机制。主要结论如下:(1)太湖研究区域底泥中共检出115种多氯联苯单体,浓度在11.02~84.05 ng/g之间,以一氯和二氯联苯居多,占总量的57.45%;与国内其他河湖多氯联苯污染相比,太湖多氯联苯污染整体处于中高水平。根据多氯联苯同系物主成分分析,多氯联苯可能来源于研究区域附近泄漏的电容器、变压器油以及油漆、造纸等行业排放的污水。(2)在108周长期降解反应期内,太湖底泥微环境中多氯联苯发生了深度脱氯反应,多氯联苯总量呈持续下降趋势,存在继续脱氯的潜能。母体多氯联苯的变化规律与多氯联苯总量的变化规律不尽相同,母体多氯联苯的降解经历传统的滞后期、快速降解期和类平台期后,脱氯重新启动,第51周至108周,降解曲线再次趋平,降解非常缓慢。通过对9种母体一一分析,主要是PCB 64、PCB 71和PCB 149这三种单体难以降解导致的。其他母体多氯联苯均实现了较大程度的降解,尤其是类二VA英多氯联苯PCB105和PCB 114。伴随PCB 105和PCB 114的脱氯降解,毒性当量仅为2.64±0.45 pg/g,底泥微环境中的类二VA英毒性已降至太湖环境水平(0.006~13.552 pg/g)。PCB 25(24-3-CB)的邻位脱氯产物PCB 13(3-4-CB)从检出时间到反应结束在底泥中一直存在,说明太湖底泥存在邻位脱氯功能的微生物,太湖底泥仍具备邻位脱氯的能力。(3)后期补充碳源不会显著促进体系中多氯联苯总量的降低,但添加乙酸能够促进PCB 105的降解,其一代子产物PCB 66(24-34-CB)也有所下降,而其二代子产物PCB 25则显著增加,说明乙酸可以促进的脱氯路径包括双侧氯取代的间位脱氯(DF Meta)和单侧氯取代的对位脱氯(SF Para)。补充混合酸可以促进PCB 64的降解,而乙酸和混合酸均能促进PCB 149和PCB 153的降解。因此,补充碳源对多氯联苯脱氯的促进作用呈现单体选择性。(4)高通量测序结果表明,已知的脱氯菌Chloroflexi相对丰度随着脱氯的进行逐渐增大,成为优势门类。51周后,T-1-AC组和T-1-CS组中Chloroflexi相对丰度与T-1组无明显区别,说明反应后期补充碳源对Chloroflexi并无显著影响。另外,已知与多氯联苯脱氯活动相关的Dehalococcoidales占比也逐渐升高,且Dehalococcoidales与Chloroflexi的比值也同样增加。T-1组中Dehalococcoides出现选择性富集现象,部分说明Dehalococcoides对太湖底泥多氯联苯厌氧脱氯作用至关重要。(5)qPCR结果显示,脱氯菌Chloroflexi、Dehalococcoides及还原脱卤酶ardA和rdh12均能指示多氯联苯的脱氯启动,其中还原脱卤酶ardA和rdh12的指示效果更好。至反应期结束,底泥微环境中这几种脱氯相关微生物/基因仍然保持较高的浓度,在10~7~10~8数量级之间,表明108周后脱氯反应仍在继续进行,太湖底泥仍有较好的脱氯潜能。本研究为筛选多氯联苯的有效脱氯微生物,并利用基因工程实现多氯联苯的高效降解积累了重要的基础数据和基本结论。
【图文】：

分子结构图,多氯联苯,分子结构,氯联苯

多氯联苯分子结构

好氧降解,多氯联苯,微生物,代谢途径

图 1-2 多氯联苯的微生物好氧降解代谢途径多氯联苯微生物好氧降解可通过增加溶解氧、共底物和引发剂等加快完成，目前比较成功的共底物是联苯，可作为多氯联苯共代谢产物，很好地促进其好氧降解。研究发现，多氯联苯的分子结构能够影响好氧降解过程，主要体现为：1）好氧降解难易程度与
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X524;X172

【参考文献】