四氯化碳厌氧生物降解机制及微生物与矿物协同强化去除研究

Carbon tetrachloride is a common organochlorine in polluted groundwater in China. Its strong toxicity has a significant inhibitory effect on a variety of microorganisms, limiting the application of microbial technology in bioremediation of contaminated sites. This project intends to continue investigating the anaerobic carbon tetrachloride-degrading microbial community pre-enriched and cultivated by the applicant, and comprehensively apply the theories and methods of anaerobic microbiology, microbial OMICs and mineralogy to studying anaerobic biodegradation mechanisms of carbon tetrachloride and synergistic enhanced removal by microorganisms and minerals in the groundwater environment. The tasks of the project include: 1) analyzing environmental factors on the degradation rates of carbon tetrachloride and the microbial community structures; 2) investigating carbon tetrachloride degradation products and pathways, discovering the key degradation genes and metabolic pathways of anaerobic microorganisms, and isolating and purifying carbon tetrachloride-degrading microorganisms; 3) promotion of microbial-mediated iron-sulfur mineral generation by adding iron and sulfur compounds in different proportions and forms, thereby utilizing biotic and abiotic mechanisms synergistically to improve the removal efficiency of carbon tetrachloride. The implementation of this project will provide a new scientific basis for revealing the mechanisms of anaerobic microbial degradation of carbon tetrachloride, and also offer new theoretical support for the development and construction of green and efficient in situ remediation technology for organochlorine-contaminated groundwater.

四氯化碳是我国污染地下水中一种常见有机氯化物，其强烈毒性对多种微生物均有显著抑制作用，限制了微生物技术在污染场地生物修复中的应用。本项目拟以申请人前期富集培养的四氯化碳厌氧降解菌群为研究对象，综合运用厌氧微生物学、微生物组学和矿物学理论与方法，开展以地下水环境为主体的四氯化碳厌氧生物降解机制及微生物与矿物协同去除研究，具体包括：1）分析环境因子对四氯化碳降解速率及降解菌群落结构影响；2）解析四氯化碳降解产物与途径，探究厌氧微生物的关键降解基因及代谢通路，分离纯化四氯化碳降解微生物；3）通过添加不同比例浓度及形态的铁、硫化合物来促进微生物介导的铁硫矿物生成，从而利用生物与非生物协同机制提高四氯化碳去除效率。本项目的实施将为揭示四氯化碳厌氧微生物降解机制提供新的科学依据，也为开发、构建绿色高效的有机氯污染地下水的原位修复技术提供新的理论支撑。

四氯化碳（Carbon tetrachloride）是一种在全球范围广泛使用的优良清洁剂、涂料以及制冷剂。其氯代程度高、生物毒性大且化学性质稳定，不易降解，是一种持久性环境污染物。四氯化碳的脱氯转化产物三氯甲烷（Chloroform）和二氯甲烷（Dichloromethane）均可对人体造成不同程度的危害。因此，四氯化碳、氯仿和二氯甲烷均被归类为致癌或者疑似致癌物质，其中四氯化碳已经被包括中国和美国在内的多个国家确定为“优先控制污染物”。 氯仿和二氯甲烷的深度降解转化是实现四氯化碳彻底无害化的关键步骤。由于四氯化碳特殊的化学结构和高生物毒性，在厌氧条件下转化四氯化碳的脱氯微生物目前尚无报道。本项目的开展揭示了厌氧环境中，在生物与非生物联合作用下，四氯化碳脱氯产物为三氯甲烷与二氯甲烷，并最终被矿化为小分子有机酸（如乙酸等）的转化途径，明确了此过程中的关键功能微生物之一为脱卤杆菌Dehalobacter；通过分段富集培养，成功获得三氯甲烷到二氯甲烷脱氯菌群及二氯甲烷矿化至小分子有机酸菌群，进而利用测序技术阐明了菌群差异；基于以上菌群，成功分离纯化多株脱氯微生物。综上所述，本项目的开展开发出一种针对四氯化碳污染的生物与非生物联合修复方法，提供了一种将纳米零价铁和厌氧菌群联合降解转化四氯化碳为无毒产物的技术，为四氯化碳污染场地的原位修复提供了技术指导和新的思路，对实施四氯化碳以及其他有机氯化物污染的原位修复有着重要的实践意义。