厭氧條件下五氯酚還原脫氯動力學及其化學-微生物學耦合調(diào)控機制.pdf

1、五氯酚(Pentachlorophenol，PCP)是環(huán)境中普遍存在的一種高毒性、致畸、致癌氯代有機污染物。通常，PCP作為木材防腐劑以及殺蟲劑被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)和農(nóng)業(yè)中。在厭氧條件下，PCP的還原脫氯過程是其主要的轉(zhuǎn)化方式，并且結(jié)合生物化學循環(huán)過程將電子從氫氣和有機碳轉(zhuǎn)移至電子受體PCP中。一般來說，土壤環(huán)境中NO3-、Fe(Ⅲ)、Mn(Ⅳ)以及SO42-等離子是土壤環(huán)境中的主要電子受體，并且在厭氧條件下非?；钴S，因此PCP的還原脫氯

2、過程勢必與土壤氧化還原反應(yīng)過程中其他的電子傳遞過程存在著相互聯(lián)系。
　　本文以PCP作為目標污染物，研究其在厭氧條件下土壤環(huán)境中還原脫氯動力學及其化學-微生物學耦合調(diào)控作用機制。詳細的研究內(nèi)容主要包括:厭氧條件下PCP的還原脫氯途徑;PCP還原轉(zhuǎn)化及其與土壤中不同電子受體(NO3-、Fe(Ⅲ)、Mn(Ⅳ)和SO42-等）之間的還原動力學耦合關(guān)系;PCP還原轉(zhuǎn)化過程中土壤微生物菌群以及功能菌群的變化規(guī)律。主要研究結(jié)果如下:
　

3、　(1)純菌體系:通過富集篩選分離技術(shù)在水稻泥漿中篩選出一株新的Fe(Ⅲ)還原菌Clostridium beijerinckii Z（菌株Z），該菌具有一定的PCP脫氯功能。經(jīng)過11天的厭氧培養(yǎng)，菌株Z存在的條件下大約有50％的PCP被去除，當水鐵礦與菌株Z同時存在的情況下，PCP的脫氯效率達到83％。在非生物試驗過程中，約有40％的PCP被表面吸附態(tài)-Fe(Ⅱ)還原。這表明C.beijerinckii Z的生物脫氯過程是PCP還原脫氯

4、的主要途徑，并且脫氯率在添加水鐵礦進行Fe(Ⅲ)還原的過程中大幅度提高。菌株Z鐵還原過程中產(chǎn)生的吸附態(tài)Fe(Ⅱ)可能是添加水鐵礦后促進PCP脫氯率提高的主要機制。
　　(2)泥漿培養(yǎng)體系:通過碳單體同位素分析技術(shù)、微生物分子技術(shù)結(jié)合環(huán)境因子變化數(shù)據(jù)集，研究了厭氧條件下紅樹林土壤受到PCP污染后PCP的轉(zhuǎn)化規(guī)律，同時探討了PCP還原轉(zhuǎn)化過程中土壤主要的氧化還原動力學過程。與對照21％的脫氯率相比，添加乙酸鈉可以顯著促進PCP的還原脫

5、氯過程，脫氯效率平均高達96％。基于碳單體同位素分析殘留態(tài)PCP結(jié)果表明，13C在殘留態(tài)PCP中顯著富集（碳同位素富集系數(shù)εC，-3.01±0.1％）。生物分子學以及動力學分析表明PCP的還原脫氯過程與Fe(Ⅲ)還原過程是相互協(xié)同的電子接收過程。通過分析功能微生物組成結(jié)構(gòu)及其含量進一步證實了在Fe(Ⅲ)還原過程中PCP的還原脫氯作用加強的原因可能與Geobacteraceae除鐵還原以外的多樣性環(huán)境功能有關(guān)。與Fe(Ⅲ)還原過程相反，P

6、CP的添加顯著抑制SO42-還原菌的生長，從而促進大量的電子從SO42-還原過程轉(zhuǎn)移至產(chǎn)甲烷過程。
　　(3)群落結(jié)構(gòu)體系:為了研究在厭氧條件下未污染土壤受到外源PCP污染脅迫后微生物群落結(jié)構(gòu)的變化過程及其與PCP還原脫氯轉(zhuǎn)化的關(guān)系，通過Miseq高通量測序技術(shù)測定了泥漿培養(yǎng)體系中表層0-20 cm和底層80-100cm土壤中古菌、細菌的菌群結(jié)構(gòu)變化。通過分析，發(fā)現(xiàn)乙酸鈉作為厭氧食物鏈中主要的微生物基質(zhì)有效地促進了PCP還原脫氯的

7、進程。在PCP還原脫氯初期，主導的細菌菌門為Bacteroidetes，然而，隨著脫氯過程的進行，當大量的PCP轉(zhuǎn)化為2，3，4，5-TeCP和3，4，5-TCP時，細菌菌門主要由Proteobacteria、Firmicutes以及Chloroflexi組成。通過將不同處理中含量占前100位的OTUs進行比對分析可知，Clostridium-like、Desulfuromonas-like以及Dehalococcoides-like菌

8、群在PCP還原脫氯過程中非常活躍，因此它們可能是參與調(diào)控PCP還原脫氯過程中的主要功能微生物。相對于細菌菌群結(jié)構(gòu)變化而言，古菌的結(jié)構(gòu)則相對簡單，添加PCP后能夠顯著降低Crenarchaeota豐度，同時，Euryarchaeota的相對含量逐漸增加。序列分析結(jié)果表明，在表層和底層土壤中，Euryarchaeota菌門中的產(chǎn)甲烷菌在PCP處理中較為豐富，尤其在乙酸鈉處理中更為活躍。在兩層土層中乙酸型產(chǎn)甲烷菌Methanosarcina-

9、like是PCP處理條件下的最主要產(chǎn)甲烷菌。
　　(4)特定微生物菌群培養(yǎng)體系:添加標記態(tài)13C-乙酸鈉研究了厭氧條件下PCP的還原轉(zhuǎn)化過程中土壤微生物菌群的演變特征。經(jīng)過長時間的厭氧培養(yǎng)過程，13C可以進入部分微生物的核酸中，通過DNA-同位素標記分析技術(shù)(DNA-SIP)將標記態(tài)微生物進行分離并且將其作為目標微生物進行分析。結(jié)果表明，紅樹林土壤中與氮磷固定相關(guān)的微生物菌群Bradyrhizobium、 Burkholderia

10、和Acinetobacter在標記層富集，但是添加 PCP后這些微生物的相對豐度逐漸下降。同樣的，以乙酸鈉作為碳源的甲基營養(yǎng)型細菌Methylobacterium的含量在PCP的毒性作用下急劇下降。、與以上微生物群落相比，F(xiàn)e(Ⅲ)還原菌群Comamonas、Bacillus、Geobacter、Pelobacter、Clostridium和Pesudomonas在標記層較為富集，添加PCP后對其影響不大。另外，添加PCP后能夠顯著增加