甲烷氧化耦合硒酸盐还原的微生物学机理及产物回收研究

The selenium contamination in water and soil, mainly contains selenate (VI) as the main soluble form, is getting serious these days. Since its reduced elemental Se (Se0) is insoluble and can be recovered by centrifugation or filtration, the bioreduction of selenate is an important Se remediation manner. Our group recently reported that a certain microbial consortia is able to reduce selenate using methane as electron donor, but the mechanism remains unclear. Thus, we propose to study the methane oxidation coupled to selenate reduction (MO-SeR) mechanism by a combination of multiple advanced technologies, based on the enriched culture in our lab. We will study the metabolic behavior, e.g. metabolic pathway of the MO-SeR using isotope 13CH4 tracing, ion chromatography (IC), gas chromatography-mass detector (GC-MS) technologies et al; we will study the functional gene distribution and relative enzyme expression by the combination of meta-genome, meta-transcriptome, and proteomics technologies; we will study the electron transfer among different functional microorganisms, along with the oxygen effect on the bioreduction process, by using the metabonomics and bio-electrochemistry technologies. Furth more, we will construct a model after studying the interaction between the key microorganisms. We will also deeply study the features of reduced selenium by using SEM,,XPS, XRD and DLS et al. By conducting such experiments, we will be able to address the mechanism of the MO-SeR process, which is of great interest and importance for bioremediation of Se contaminated environment.

环境水体及土壤中硒多以高价硒酸盐形式存在，且污染日趋严重。因其还原产物硒单质不溶于水，可通过沉淀等方法分离去除，因此硒酸盐生物还原是环境中硒污染修复的重要手段。本团队最近研究表明，一类微生物可以利用甲烷为电子供体还原硒酸盐，但该过程的微生物学机理并不清楚。本项目以甲烷氧化耦合硒酸盐还原菌群为对象，以甲烷为电子供体，利用同位素示踪、离子色谱、气质联用等技术，研究该菌群氧化甲烷耦合硒酸盐还原的代谢行为；利用宏基因组、宏转录组和蛋白组学技术，研究该过程的功能基因分布及功能蛋白表达并阐明其酶学机制；利用代谢组学和生物电化学技术，研究该过程的电子载体及混合菌群中的电子传递途径，并进一步揭示氧气对该过程的影响与调控；研究生物膜中关键微生物（甲烷氧化菌、硒酸盐还原菌、异养菌等）之间的相互关系，分析构建数学模型；以期阐明甲烷氧化耦合硒酸盐还原的微生物学过程机理，为环境中硒酸盐污染生物修复提供理论参考。

硒在水体中通常以高价硒酸盐形式存在，将硒酸盐生物还原至不溶态硒单质是硒污染治理的重要手段。相较于乙酸等外源投加有机物，以污水处理过程产物甲烷为电子供体不仅可以有效驱动硒污染的生物还原去除，同时能大幅降低外加碳源用量，从而实现污水处理过程的减污降碳协同增效。但甲烷氧化耦合硒酸盐还原的微生物学机理及其过程调控机制并不清楚，严重限制了相关技术的研发与应用。.本项目首先建立了甲烷氧化耦合硒酸盐生物还原研究体系，随后探究了耦合过程的微生物代谢途径及其种间电子传递机理，解析了共存电子受体氧气、硫酸盐等关键环境因子对耦合过程的影响调控机制，最后发展了同步去除水体硒污染并分离回收高经济价值产物硒单质的技术体系。.同位素示踪实验表明，微生物菌群能够以甲烷为唯一电子供体有效还原硒酸盐。该菌群由Methylocystis与Pseudoxanthomonas主导，前者能利用微量氧气氧化甲烷生成中间产物甲醛，随后将甲醛厌氧发酵为乙酸、丙酸等小分子有机酸并释放；后者不具备甲烷氧化能力，但编码有机酸代谢基因以及细胞周质型硝酸盐还原酶基因。基因敲除结合宏蛋白组结果证明了Pseudoxanthomonas不仅能代谢小分子有机酸合成生物质，同时可以利用硝酸盐还原酶还原硒酸盐，从而耦合甲烷氧化与硒酸盐还原。原位荧光杂交结果显示不同功能菌分布分散，未形成紧密团聚体，进一步证实了代谢产物小分子有机酸介导的微生物种间间接电子传递机理。当氧气与硒酸盐共存时，氧气会促进甲烷氧化进而维持甲烷基质硒酸盐还原的反应效率；而当硫酸盐共存时，硫酸盐会竞争钼酸盐转运蛋白，导致微生物缺乏金属钼而无法合成钼依赖型硒酸盐还原酶，最终抑制硒酸盐的生物还原。基于理论研究结果，本项目发展了双阶段连续流反应技术，首先控制生物还原硒酸盐至亚硒酸盐并积累，随后结合硫离子催化生成终产物硒单质，最终同步实现水体硒污染去除与硒资源回收。.上述成果不仅回答了微生物如何耦合甲烷氧化与硒酸盐还原的科学问题，同时为硒污染水体资源化治理提供了理论和技术支撑。