脱卤球菌纲(Dehalococcodia Class)在有机卤化物生物地球化学循环中的作用

脱卤球菌(Dehalococcoidia,Dia)纲是绿弯菌门下属八大纲之一.迄今为止,脱卤球菌纲中包含3个能进行严格厌氧有机卤化物呼吸的菌属:脱卤拟球菌(Dehalococcoides,Dhc)、脱卤单胞菌(Dehalogenimonas,Dhgm)及尚未正式命名的Candidatus"Dehalobium".当前关于脱卤拟球菌和脱卤单胞菌生理学、生物化学和生态学方面的研究,主要集中在从有机氯污染场地中富集或者分离出来的菌株方面.而越来越多的研究证据表明,能进行有机卤化物呼吸的脱卤球菌纲微生物不仅仅只存在于污染物产地,在各种环境(如海洋、淡水、陆地)中也能经常被检测和鉴定到.但脱卤球菌纲微生物在自然界生态系统中起到的重要作用尚未被完全揭示.本文旨在介绍和讨论被低估且未被充分研究的脱卤球菌纲微生物的生理生态特征及其潜在的生态学功能,从而引起研究人员更广泛的关注,鼓励跨学科研究来揭示这一类特殊微生物在有机卤化物生物地球化学循环中的重要作用.

脱卤拟球菌(CBDB1)脱氯途径的构效关系

运用密度泛函理论在B3LYP/6-31G(d)水平下对多氯二苯并-对-二噁英(PCDDs)、氯苯和氯苯酚等分子进行计算,找到了一个可指示脱卤拟球菌Dehalococcoides sp.CBDB1降解转化PCDDs、氯苯和氯苯酚等有机氯污染物的脱氯途径和中间产物的参数氯原子电荷QCl(n).以QCl(n)作为理论探针可准确指示PCDDs、氯苯和氯苯酚被菌株CBDB1转化的主要脱氯中间产物,脱氯反应主要发生在含有最大QCl(n)的位置上.对于同一系列化合物,根据不同分子的最大QCl(n)数值,可判断该分子发生脱氯反应可能性的大小,QCl(n)过大或过小都不利于脱氯反应的进行.另外还可利用同一分子内不同氯原子间电荷大小的差异ΔQCl(n)推断存在第二种脱氯产物可能性的大小,ΔQ越小则同时存在两种脱氯中间产物的可能性越大.

产乙烯脱卤拟球菌195脱卤反应途径的理论探针

运用密度泛函理论在B3LYP/6-31G(d)水平下对多氯二苯并-对-二噁(PCDDs)、多氯二苯并呋喃(PCDFs)、多氯联苯(PCBs)、多溴联苯醚(PBDEs)和氯苯分子进行计算,找到了一个可指示产乙烯脱卤拟球菌(Dehalococcoides ethenogenes)195降解转化这些芳香卤化物脱卤反应途径和中间产物的参数—结构上可能的脱卤产物的分子总能量(ET).以ET作为理论探针可指示PCDD/Fs、PCBs、PBDEs和氯苯被菌株195转化的主要脱卤中间产物,脱卤反应倾向于生成具有较低ET值的中间产物.另外可以利用结构上可能的脱卤中间产物与具有最低ET值脱卤中间产物间的分子总能量差(△ET)作为理论探针,推断存在第2种脱卤中间产物的可能性,△ET越小,则同时存在多种脱卤中间产物的可能性越大.

电化学氧化对湖泊沉积物细菌群落结构的影响

生物电化学技术在水生态修复中具有良好的应用前景。3种不同生境条件下的湖泊沉积物,经过30 d的电化学氧化后,只观测到1种沉积物中细菌微生物的Shannon指数发生了显著性改变(P<0.05)。3种沉积物中共计17个细菌门的相对丰度发生显著性变化:其中只有酸杆菌门、硝化菌门和螺旋菌门的相对丰度大于1%。相反地,相对丰度最高的9个细菌门在电化学氧化组和对照组中的变化则不显著。电化学氧化对沉积物中不同细菌微生物之间的相互关系影响同样较小。但是,在纲分类水平上,电化学氧化对脱卤球菌纲和多种硫酸盐还原菌(如Thermodesulfovibrionia和Desulfobulbia)的相对丰度影响显著,表明电化学氧化可能改变沉积物中卤素和硫等元素的生物地球化学循环过程。研究成果为明确电化学氧化修复处理污染沉积物所造成的潜在生态效应提供了供更多理论依据。

电性矿物强化脱氯菌对水中TCE的降解

针对地下水环境中脱氯菌污染修复周期长、电子供给难度大、易带来二次污染等问题,设计以天然矿物电气石的电场刺激、水解供氢和水体调节性能强化含脱卤拟球菌(Dehalococcoides spp.)的混合脱氯菌功能,通过将电气石和脱氯菌共同固定化,开发适用于地下水环境的生物强化原位修复技术.研究了共同包埋的电气石和脱氯菌对地下水典型有机污染物三氯乙烯(TCE)的降解性能.结果表明,在包埋材料海藻酸钠含量6%、凝固剂氯化钙含量6%、电气石含量1.0%、交联时间24 h条件下制得的固定化微球弹性好,机械强度高,粒径均匀分布在3~5 mm,具有多孔洞内结构和较为致密的外表面,既可提供电气石和细菌附着的场所,又能有效地防止微球内部菌体的流失.同时,包埋后的电气石仍能快速调节水体的pH和ORP,为厌氧脱氯菌提供适宜的生长代谢环境.无论是固定化还是分离体系,电气石的加入均增强了脱氯菌对TCE的还原脱氯效果,而电气石-脱氯菌共同固定化体系不仅能加快TCE的降解,在无外加电子供体的情况下仅180 h即可将16 mg/L的TCE完全去除,还显著促进了中间产物的进一步脱氯,反应800 h时终产物乙烯的转化率达到64%,比菌体系提升了1倍.电气石对共同包埋的脱氯菌更有效地起到了电场刺激和电子供体的作用,使其快速稳定的增殖.该复合固定化的应用方式促进了脱氯菌的富集及与电气石的接触,更加充分地发挥了电气石表面电场的直接和间接强化作用,可解决实际地下水修复过程中微生物和强化剂易分离失效的问题,促进地下水有机污染原位生物修复技术的发展.

电气石对脱氯菌降解三氯乙烯的影响

以电气石作为环境微生物强化介质材料,协同以Dehalococcoides spp.为主体的脱氯混合菌群(简称脱氯菌)对水中的三氯乙烯(TCE)进行降解,探讨了电气石对降解效果的影响。实验结果表明:电气石可调节水溶液的p H使之趋向于中性并提高水溶液的电导率;在脱氯菌接种量为8%、电气石加入量为5.0 g/L的条件下降解20mg/L的TCE,84 h时TCE已全部降解,而未加电气石体系只降解了54.7%;外加电子供体甲醇和外加电气石均可明显提高脱氯菌对TCE的降解速率,且外加电气石的降解效果更好,说明电气石可能在促进微生物生长繁殖的同时也能为其提供合适的电子供体,这对降解地下水中的TCE具有重要意义。

氯代乙烯的厌氧微生物还原脱氯特性

四氯乙烯(PCE)和三氯乙烯(TCE)是地下水中典型的卤代有机化合物,严重威胁生态环境与人体健康.为获得氯代乙烯高效厌氧降解菌剂并探究其在污染地下水中的应用潜能,利用某工业污染场地的地下水,通过投喂PCE或TCE进行长期富集培养,获得了可将PCE和TCE完全脱氯成无毒乙烯的厌氧菌剂W-1.菌剂W-1的PCE和TCE脱氯速率分别是(120.1±4.9)μmol·(L·d)^(-1)和(172.4±21.8)μmol·(L·d)^(-1).16S rRNA基因扩增子测序和qPCR结果表明,98.3μmol PCE还原脱氯至顺-1,2-二氯乙烯(cis-1,2-DCE)时,Dehalobacter丰度从1.9%增长至57.1%,基因拷贝数每释放1μmol Cl-增加1.7×10^(7)copies;cis-1,2-DCE完全还原脱氯至乙烯时,Dehalococcoides丰度从1.1%增长至53.8%;PCE完全还原脱氯至乙烯过程中Dehalococcoides基因拷贝数每释放1μmol Cl^(-)增加1.7×10^(8)copies.以上结果说明Dehalobacter与Dehalococcoides协同互作实现PCE完全降解解毒.当菌群W-1以TCE为电子受体时,222.8μmol TCE完全还原脱氯至乙烯时候,Dehalococcoides丰度从(29.1±2.4)%增长至(77.7±0.2)%,基因拷贝数每释放1μmol Cl-增加(1.9±0.4)×10^(8)copies.结合PCR和Sanger测序,获得了菌剂W-1中主要脱卤菌Dehalococcoides LWT1较完整的16S rRNA基因序列,其与D.mccartyi strain 19516S rRNA基因序列相似度达100%.将菌群W-1添加至受TCE(418.7μmol·L^(-1))污染的地下水中,28 d内实现了(69.2±9.8)%的TCE被完全脱毒至乙烯,TCE脱氯速率为(10.3±1.5)μmol·(L·d)^(-1).研究成果可为PCE或TCE污染地下水开展厌氧微生物修复提供菌剂资源和理论指导.

苯甲酸盐厌氧驯化体系中三氯乙烯的还原脱氯特性

采用气相色谱法实时监测了厌氧条件下,以苯甲酸盐为唯一碳源的驯化活性污泥体系对三氯乙烯(TCE)的还原脱氯情况;同时,结合454焦磷酸测序和实时荧光定量PCR技术对该体系中的微生物群落结构及脱卤拟球菌(DHC)的数量进行分析.结果表明,该驯化体系在94 d内能将TCE完全去除,最终转化产物为一氯乙烯(VC),同时伴随大量的甲烷产生;体系中微生物的多样性很高,涵盖了16个门、33个纲、52个目、88个科和129个属,而且体系中约有51.2%的微生物的分类地位尚未明确,说明体系中还存在很多未知的功能菌;体系对TCE的降解过程其实就是还原脱氯菌与其它功能菌相互作用的结果,且起主要还原脱氯作用的是携带tce A功能基因的DHC.

构建半人工光合系统实现可见光驱动专性有机卤化物呼吸菌去除三氯乙烯

发展新型绿色、高效、低能耗和可持续的微生物修复技术用于处理氯代烯烃污染十分必要.专性有机卤化物呼吸菌能专一高效地去除氯代有机污染物,但在实际修复过程中电子供体如氢气的不足限制了其应用,因此寻找合适的供氢方式十分重要.利用光催化水解产氢为微生物提供电子供体可能是一种理想方式,然而国内外尚未有半人工光合系统驱动微生物脱卤呼吸的相关研究.本文利用脱卤拟球菌Dehalococcoides mccartyi菌株195(Dhc195)与硼掺杂石墨相氮化碳纳米片构建了B-C3N4-NS-Dhc195生物杂化体系,探究可见光驱动其对三氯乙烯(TCE)进行厌氧还原脱氯的可行性.研究结果表明,在(25±5) W m^(-2)的低强度可见光下该生物杂化体系可持续稳定地将TCE逐步还原脱氯至乙烯(ETH),脱氯速率为(1.13±0.13)μmol L^(-1)d^(-1);该杂化体系内检测到氢气生成,对Dhc195脱氯的用氢量进行衡算,其氢气利用率达84%.这表明可见光下光催化剂分解水产氢,脱氯菌利用氢气作为电子供体还原TCE,从而实现可见光驱动微生物脱卤呼吸.本研究提出了一种间接利用光能实现微生物处理氯代有机污染物的方法,对氯代有机污染物的绿色、低碳、可持续治理和修复具有启发意义.