基于土著微生物代谢功能多样性解析的多年冻土区石油污染生物修复机制研究

Petroleum pollution threatens to eco-environment of permafrost regions seriously, in-situ bioremediation approaches are appealing because they have potential to be more efficient and cost-effective than alternative, but hindered by low temperature combined with low contents of nutrients, cycling of freezing-thawing environment. It is important to investigate mechanism of petroleum-degrading in the permafrost environment. In this project, with the selected petroleum pollution, the dynamic metabolic diversity of indigenous cold-adapted microorganisms will be explored in natural/ petroleum pollution environment, which is used to obtain indigenous bacteria for degrading petroleum. With permafrost soils polluted by petroleum, functional genes to petroleum-degrading is explored, then functional genes is analyzed the relation to bacteria, which help to investigate the cooperative relations of microorganisms. With the microorganisms' acclimation, the performance of petroleum-degrading is examined in permafrost environment, which used to create the reaction dynamics model for petroleum-degrading. Based on the above, the re-assembled microorganisms can be used to degrade petroleum in permafrost environment. The objective of this project will provide the scientifically evaluation to in-situ bioremediation of petroleum pollution in the permafrost regions.

石油污染对多年冻土区生态环境构成严重威胁，采用土著微生物原位修复具有费用低、效率高、不破坏冻土生态环境等优势，但冻土环境低温、贫营养（N、P）及冻融循环等自然条件限制了原位生物修复的进行，因此开展冻土区土著微生物的石油降解机制研究，对多年冻土区生态环境保护具有重要的意义。项目重点开展以下方面的研究内容：遴选典型石油污染物，对比研究自然/石油污染条件下的土著适冷微生物代谢多样性特征，筛选适应冻土环境的石油降解功能菌株；以现场典型石油污染土壤为样本，分析典型石油污染物降解微生物功能基因，建立土著微生物菌株对应的功能基因，揭示石油污染降解的微生物降解机制；对筛分的到石油降解功能菌株进行驯化与再培养，研究模拟冻土环境中功能菌株对石油特征污染的降解性能，建立微生物降解动力学模型，构建适应冻土冻融循环环境的石油降解土著微生物功能菌群。研究成果将为多年冻土区石油污染原位生物修复提供依据。

项目在青蔵高原北麓河地区建立了石油类人工污染模拟区域，通过现场不同位置的温度连续监测，并对原位条件下冻土土壤样本进行分析，获得了青藏高原冻土区土壤基本理化性状。研究建立了原位模拟污染实验条件，对土壤微生物群落结构及多样性进行了研究。研究结果表明，石油烃类污染改变了原有土壤微生物多样性及群落结构，研究过程识别出了具有石油烃类污染物降解功能的菌属共7个，分别为Sulfuritalea属、红球菌属（Rhodococcus）、红游动菌属（Rhodoplanes）、鞘脂单胞菌属（Sphingomonas）、Alkanindiges属、诺卡氏菌属（Nocardioides）、放线细菌（Actinobacteria_norank）。通过对冻土区石油污染土样中微生物的初筛及复筛，实现了冻土区石油降解土著微生物的筛选及驯化。在模拟青藏高原低温条件下，液体样本中柴油含量17d后从835mg变化304mg，柴油降解率为63.59%；机油组经过15 d后，由455mg降至312 mg，降解率为31.4%。柴油、机油的生物降解均符合一级反应动力学模型，微生物对柴油的降解率明显高于机油，主要原因是机油中含有难降解烃类物质含量较多。以柴油为石油特征污染物，考察了柴油污染土壤土著微生物修复效率，实验室培养驯化的低温土著柴油降解菌对柴油具有较好的降解效果。通过添加营养盐和表面活性剂，可明显改善柴油降解效率，低温10℃条件下第140天柴油降解率接近40%。研究结果可为青藏高原低温冻土区石油污染修复提供技术支持。