基于稳定同位素分析的六氯环己烷微生物降解研究

发布时间：2020-10-12 17:14

　　 六氯环己烷(俗称,六六六,HCH),作为一种有机氯杀虫剂在上个世纪七十年代前在世界范围内被广泛使用而被释放到环境中对土壤和水体造成污染,被联合国环境规划署列入持久性有机污染物(persistent organic pollutants,简称POPs)名单。最近,欧洲环境保护署报道由于六氯环己烷大对人类和环境生态系统健康的巨大的危害,大约有342,000个六氯环己烷污染场地需要治理修复的。而且在美国也存在类似情况,也有大约294,000个污染场地需要修复。鉴于此,表层水体、地下水、土壤、湖泊和江河的沉积物和淤泥等介质中的六氯环己烷污染对环境构成了严重威胁,危害着人类的健康,破坏和危及整个生态系统,带来的经济损失也十分严重,由此引起的环境污染问题成为一个棘手的世界性难题,这就迫切需要开发出能有效地从自然环境中去除六氯环己烷的技术手段。自然环境中的原位微生物降解被认为是六氯环己烷最廉价和有效的转化方式,它通过降解转化成其它低氯有机物或无机物,才能最终在自然环境中消失。由于自然系统中微生物对污染物的迁移,转化过程相当复杂,用目前常规方法深入研究有关微生物降解六氯环己烷的途径和机制受到较大限制,使得大部分的研究都未能从定量的角度阐明其作用机制,而且当前我国对于六氯环己烷的微生物降解、迁移转化的研究只是从微生物物质代谢的角度进行研究,仍处于初始定性阶段,测定降解速率的方法还没有标准化,各实验室结果之间的可比性较差,一般集中于降解六氯环己烷微生物的富集、分离及菌种鉴定、影响因素对降解的影响、六氯环己烷降解脱氯机理等方面。当然,从微生物物质代谢的角度研究六氯环己烷微生物降解动力学也已经取得了很多有意义的成果,但是,若能以现有的物质代谢研究为基础,从同位素效应的角度对微生物在六氯环己烷降解及迁移转化过程中所起的作用以及它们的作用机制进行研究,将有助于从定性和定量的角度阐明微生物与六氯环己烷的相互作用机制。由于有机污染物在环境中经历的各种过程中伴随着不同特征的同位素分馏效应,在降解反应过程中含有轻同位素会优先参加反应,从而导致在残留的污染物中富集较重的同位素。随着分析技术的发展,应用化合物特定元素同位素分析(CSIA)技术监测微生物降解六氯环己烷过程中特定元素的同位素效应,有助于获得六氯环己烷在环境中降解、迁移和转化等地球化学信息,从而为解决六氯环己烷的环境污染这一世界性难题提供更有效的理论技术支持。α-HCH和许多其他有机化合物以对映体的外消旋混合物出现在环境中,对映异构体(EF)的同位素分馏也可以显示生物降解的有关信息。因此,将碳稳定同位素分析和对映体稳定同位素分析相结合的技术可以用来研究手性有机氯污染物的降解转化路径与机理。本次研究将微生物学、微生物地球化学、有机地球化学和环境科学的理论与稳定同位素分析、生化分析等现代技术手段相结合,根据实验中发现的新现象,从同位素角度研究几种六氯环己烷的同分异构体与降解微生物的作用机制,并将不同环境体系下的微生物降解转化的路径和同位素分馏特征进行比较,从而建立六氯环己烷的环境行为过程中伴随的稳定同位素分馏特征和同位素组成。为环境生物有机地球化学及微生物学的研究提供新的技术手段,形成微生物学、微生物地球化学和有机地球化学等多学科交叉渗透研究微生物对环境中有机污染物原位降解转化机制的新途径,并为开发和利用微生物资源来修复我国大量有机氯农药化合物污染环境提供重要的科学依据和技术支撑。具体内容如下：首先,研究了六氯环己烷在厌氧条件下被Dehalococcoides strains 195降解过程碳同位素分馏特征,并对碳稳定同位素技术在六氯环己烷生物原位厌氧微生物降解转化研究中的可行性进行评价。还通过分析六氯环己烷在厌氧降解转化过程中的中间代谢产物和最终产物,来揭示六氯环己烷的厌氧微生物降解路径。此外,比较评价了六氯环己烷在被Dehalococcoides strains 195和污染场地富集培养微生物厌氧降解过程中稳定碳同位素分馏特征的变化,为碳稳定同位素分析在污染场地的厌氧原位应用提供理论数据。其次,在纯培养条件下,测定了六氯环己烷的α-同分异构体的两种对映体被两株新降解菌(S. quisquilarium P25和S. chinhatense IP26)好氧降解转化过程中的同位素分馏,对比分析不同对映异构体的降解特征,并和总的α-HCH与γ-HCH对应的厌氧降解转化过程中的碳同位素的分馏情况进行比较。此外,进一步研究了α-HCH的两种对映体在降解过程中对映体同位素分馏及对映体富集系数的变化,检验瑞利分馏方程是否可以用来拟合计算α-HCH对映体同位素分馏系数(ε。),从而验证将碳稳定同位素分析与对映体同位素分析技术结合使用来研究环境中有机对映体污染物的微生物降解转化路径与机理的有效性。最后,首次利用碳稳定同位素分析技术研究分析了六氯环己烷各种主要同分异构体在污染土壤体系下被好氧微生物S quisquilarium P25降解转化途径机制。并对比评价了六氯环己烷在纯培养体系和污染土壤介质中的好氧微生物降解过程及可持续性,建立相应的同位素分馏特征曲线及同位素富集数据,为碳稳定同位素分析在污染场地的原位应用提供理论数据。主要研究结果如下：测定计算了六氯环己烷的同分异构体(α,γ-,δ-HOH)在厌氧和好氧微生物降解转换过程对应的碳同位素富集系数。α和γ-HCH被S. quisquilarium P25与Schinhatense IP26好氧降解具有相同的反应机制,对应的碳同位素富集系数也很相近,分别对应为：α-HCH,εc=-1.43±0.3‰ and -0.86±0.2‰；γ-HCH, εc=-1.03±0.1‰ and -1.27±0.2‰。在污染土壤介质中α和γ-HCH被S.quisquilarium P25好氧微生物降解所对应的碳同位素富集系数分别为：ε。=-2.52±0.1‰和εc=-2.06±0.3%,并首次发现在污染土壤介质比纯培养条件下相同微生物降解反应所对应的碳同位素富集系数都要大。与γ-HCH的好氧微生物降解(-0.86% to -1.43%)相比,厌氧微生物降解对应的碳同位素分馏系数较大(D.ethenogenes strain 195, εc=-5.5±0.8‰;污染场地富集培养微生物,ε。=-3.1土0.4%)。此外,在好氧微生物降解过程中比较分析了γ-HCH的异构体和对映体选择性碳同位素分馏及富集特征。γ-HCH的两种手性对映体,(+)和(-)α-HCH被S. quisquilarium P25和S. chinhatense IP26降解过程所对应的碳同位素富集系数有很大的差异,(+)α-HCH对映体微生物降解的碳同位素富集系数(-1.72±0.8%0和-2.27±0.6%)比(+)α-HCH的碳同位素富集系数(-0.73±0.2%和-1.01±0.6%)大。(-)α-HCH比(+)α-HCH更容易被降解,被微生物降解所对应的对映体分馏系数值(EF-)分别为：S.quisquilarium P25,0.447～0.142; chinhatense IP26,0.495～0.236.并拟合计算出α-HCH被S.guisquilarium P25和S. chinhatense IP26微生物降解对应的对映体富集系数(εe)分别为-44±16%和-23±6%。在α-HCH好氧微生物降解研究中出现了对映体选择性降解转化和同位素分馏。研究中α-HCH的每个对映体的对映体富集系数(εe)和总的α-HCH的同位素富集系数有很好的一致性,这也证明了对映体同位素分析技术的有效性。在所有的实验室研究中,碳稳定同位素分馏的程度和差异性也证实了利用碳稳定同位素分析技术来研究环境中六氯环己烷污染物的微生物降解转化路径与机理的可行性。对映体同位素分析(ESIA)技术可以用来辨别手性对映异构体微生物降解之间的差异,因此这种技术可以潜在的用来示踪环境中手性有机污染物的迁移转化。污染土壤介质中微生物降解的碳稳定同位素分析(CSIA)的首次研究,也提出了利用该技术来确定环境中六氯环己烷污染源和估算沿着污染原浓度梯度分布的污染物降解程度。简而言之,本次研究为环境中六氯环己烷微生物降解的研究提出了一个新的概念。将微生物学、分子生物学和环境地球化学基本原理结合,利用稳定同位素分析技术来测定六氯环己烷微生物降解转化过程中的碳同位素分馏特征,将更好的解释六氯环己烷微生物降解转化的路径与机理。将碳稳定同位素分析与对映体同位素分析技术结合使用来研究有机氯污染物的微生物降解转化路径与机理,从而为将碳稳定同位素分析与对映体同位素分析技术结合使用来研究环境中有机对映体污染物的微生物降解转化路径与机理的研究提供理论基础。
【学位单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：X172
【文章目录】：
作者简介
摘要
ABSTRACT
List of abbreviations
Chapter 1 Introduction
    §1.1 Statement of the Problem and Objectives
    §1.2 Organization of the Thesis and Novelty Statement
    §1.3 Sources of the Research Projects
    References
Chapter 2 Literature Review
    §2.1 Properties and persistence of HCHs
    §2.2 Environment contamination and risks of HCHs
    §2.3 Remediation strategies for contaminated site
    §2.4 Microbial degradation of HCHs
    §2.5 Approaches for assessment of biodegradation of HCHs
    §2.6 Compound-Specific Isotope Analysis(CSIA)
    §2.7 Enantiomer-Specific Isotope Analysis(ESIA)
    References
Chapter 3 CSIA Study for Anaerobic Biodegradation HCHs by Dehalococcoides
    §3.1 Introduction
    §3.2 Materials and Methods
    §3.3 Results and Discussion
    §3.4 Summary
    References
Chapter 4 CSIA Study for Aerobic Biodegradation of HCHs by sphingomonad
    §4.1 Introduction
    §4.2 Materials and Methods
    §4.3 Results and Discussion
    §4.4 Summary
    References
Chapter 5 CSIA Study for Biodegradation of HCHs within a Contaminated Soil
    §5.1 Introduction
    §5.2 Materials and Methods
    §5.3 Results and Discussion
    §5.4 Summary
    References
Chapter 6 Conclusions and Suggestions
    §6.1 Conclusions
    §6.2 Suggestions
    References
Acknowledgements

【参考文献】

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1 马爱芝,武俊,汪婷,张国顺,李顺鹏;六六六(HCH)降解菌Sphingomonassp.BHC-A的分离与降解特性的研究[J];微生物学报;2005年05期

本文编号：2838049