生物阴极强化氯霉素还原降解及电极微生物功能机制解析

发布时间：2020-05-04 11:50

【摘要】：抗生素进入环境可以诱发进化新的抗生素抗性基因和抗性细菌，对人类健康产生巨大威胁，因此抗生素的抗性问题已引起全球关注。氯代硝基芳香类抗生素氯霉素对人类可导致再生障碍性贫血且具有潜在的遗传毒性和致癌性。环境中频繁检测出低浓度的氯霉素和氯霉素抗性基因存在，因此在废水处理过程中消除氯霉素抗细菌活性至关重要。生物电化学系统（BES）生物阴极可以还原降解多种污染物，重要地是微生物作为阴极催化剂具有可自我更新和环境友好等特性，发展颇具潜力。硝基基团对于决定氯霉素抗细菌活性非常重要，本研究采用生物阴极还原降解氯霉素为脱氯芳香胺产物，对应的硝基还原和脱氯反应解除了氯霉素抗细菌活性；揭示了加速阴极电子传递还原氯霉素的核心微生物群落与关键功能基因组成；发现了低温启动生物阴极更能应激环境温度变化维持稳定的催化活性，为开发抗生素废水高效降解生物技术提供了重要依据。 生物阴极（阴极电位为-0.7V和提供500mg/L葡萄糖）还原氯霉素速率比非生物阴极和单纯厌氧生物膜还原分别快10倍和1.6倍，证明了生物阴极强化还原氯霉素为芳香胺产物AMCl2，，并进一步依赖脱卤素酶脱氯生成AMCl产物。非生物阴极还原氯霉素明显积累毒性较大的亚硝基和羟基胺基中间产物，并通过加氢脱氯机制脱氯AMCl2生成AMCl。微生物催化氯霉素短暂积累独特的氯霉素乙酰化产物。阴极还原氯霉素过程解除了其抗细菌活性。电化学分析表明生物阴极明显降低了氯霉素还原反应过电位（正移400mV），暗示了阴极微生物促进阴极电子传递。生物阴极中多个占优势菌属具有硝基芳香烃还原能力（Salmonella、Enterobacter、Clavibacter和Pseudomonas）和阴极电化学活性（Enterobacter、Pseudomonas和Dechloromonas），说明了这些功能微生物参与强化氯霉素还原降解过程。 生物阴极还原氯霉素效率显著高于单纯厌氧生物膜。基于高通量功能基因芯片（GeoChip）和16S rRNA基因Illumina测序结果表明阴极给电子刺激具有选择性，显著改变了阴极生物膜的群落结构与功能基因组成，并明显降低了阴极生物膜群落多样性。生物阴极显著富集了具有电化学活性革兰氏阳性Lactococcus（P=0.004；51.50±24.60%），Lactococcus能够分泌电子传递中介体这与生物阴极检测到显著低水平的典型电子传递蛋白细胞色素c基因丰度（P=0.023）相一致，重要地是Lactococcus具有硝基芳香烃还原能力；而厌氧生物膜显著富集了葡萄糖发酵细菌Escherichia（P=0.002；10.64±4.49%）和Dysgonomonas（P=0.015；25.25±13.17%），其中Escherichia具有氯霉素还原能力。生物膜中占优势其它菌属比如Desulfovibrio、Geobacter、Pseudomonas和Klebsiella均具有还原硝基芳香化合物到对应的芳香胺产物的能力。生物阴极显著高的氯霉素还原效率与生物膜中占优势的Lactococcus丰度成显著正相关（r=0.7769；P=0.003），而与细胞色素c基因丰度成显著负相关（r=-0.5857；P=0.045），暗示了生物阴极主要通过电子传递中介体捕获电子加速还原降解氯霉素。 北方寒冷地区环境温度变化大，启动能够应激温度变化的生物阴极来稳定还原氯霉素至关重要。对比常温25℃和低温10℃启动生物阴极，并分别降低或升高15℃后，发现10℃比25℃启动生物阴极更能应激温度变化来稳定还原降解氯霉素，而且常温下产物AMCl形成效率与低温运行时无显著差异。基于GeoChip和16S rRNA基因Illumina测序结果，温度提升15℃显著改变阴极生物膜群落结构与功能基因组成。在菌门水平上温度变化前后阴极生物膜没有显著差别，主要富集变形菌门（＞60%）和厚壁菌门（＞20%）细菌，但占优势菌属差异非常显著。10℃和25℃阴极生物膜分别富集1067和2113个独特功能基因，其中各富集了9个独特的电子传递有关基因。进一步分析发现了维持生物阴极催化功能的关键功能基因及优势菌属。低温运行显著富集适低温环境的Aeromonas和Vagococcus细菌，而温度提升显著富集具有硝基芳香烃还原能力细菌Raoultella和硝基还原酶基因丰度。参与热激响应的基因在阴极生物膜环境温度提高后显著富集，而细胞色素c和氢化酶等重要电子传递基因丰度均未显著改变。这些重要功能基因类群和生物膜占优势菌属参与应激环境温度变化，对于维持生物阴极稳定还原降解氯霉素具有重要作用。
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1.5 微生物厌氧呼吸机制研究进展在无外加人工中介体的情况下，微生物通常可以采用三种模式进行到电极的胞外电子传递（图1-2）：（1）通过微生物自身分泌的可溶性氧化还原活性物质介导（电子传递穿梭体）；（2）当细胞外膜与电极之间的距离较小时，则直接进行氧化还原活性物质与电极之间的电子转移（主要指细胞色素 c）；（3）长距离时则可借助导电生物膜的作用（微生物纳米导线）[111]；（4）最近发现微生物自身分泌的中介体与外膜细胞色素 c 之间互作可以调节加速胞外电子传递[112,113]。图1-2微生物胞外电子传递可能机制[111]Fig. 1-2 Potential mechanisms for extracellular microbial electrons transfer1.5.1 基于氧化还原活性蛋白的短程直接电子传递已有文献报道多种微生物可以直接向电极进行电子转移[111]。关于微生物向电极直接电子转移的机制研究主要集中于 G. sulfurreducens。早期的研究认为 Geobacter 的种属无需使用电子介体还原三价铁氧化物[114]，也不参与电子向电极的传递[115]。G. sulfurreducens 有许多类细胞色素 c[116]，是重要的电子传递蛋白，其中分布于细胞外膜的也很多[111]。从细胞外膜分离纯化的细胞色素 c 可以体外还原已知的胞外电子受体[117-119]。基因缺失突变研究认为同一类的细胞色素 c 可以向多种胞外电子受体转移电子[120-125]。很多有关产电 G.sulfurreducens 生物膜的研究证实其细胞色素 c 与阳极之间有电化学联系[111]。

[187]。图1-5 Shewanella生物阴极潜在胞外电子传递机制[153]Fig. 1-5 The proposed extracellular electron transfer mechanisms for Shewanella biocathodoe1.6.3 阴极强化生物修复污染物生物修复污染的环境是从电极到微生物的直接电子转移最有前途的应用策略之一。氯代有机溶剂是另一类比较普遍的地下水污染物，通过外加有机电子供体进行生物修复，依赖于有机物的发酵为脱氯微生物提供氢[188]。这种方式特异性差，效率也较低，主要因为氢气同时还可以刺激其他非脱氯产氢发酵微生物和非脱氯微生物的生长，这些微生物都会与脱氯微生物竞争氢气。直接向脱氯微生物提供电子可以避免以上限制，可以更有效的为脱氯微生物提供电子。Geobacter lovleyi 以电极作为唯一电子受体还原四氯乙烯（PCE）和三氯乙烯（TCE）为

本文编号：2648495