生物炭-降解菌联合应用对土壤中聚丙烯酰胺的降解影响及作用机制

Polyacrylamide is a kind of high polymer which widely used in tertiary oil recovery projects, due to the large consumption amount and the low bio-degradability under field conditions, significant amount of polyacrylamide is released to and accumulated in soil at oil development zones, which may pose a potential risk to local ecosystem. Therefore, anionic polyacrylamide (APAM) is selected as the target compound in this proposal, and its degradation effect and mechanism in soil by adding biochar and APAM-degrading bacteria will be studied. Analysis methods including chromatography, infrared spectroscopy, denaturing gradient gel electrophoresis, high-throughput sequencing analysis and proteomic analysis will be used to support the study. The study plans to focus on: 1) the degradation efficiency and degradation pathway of APAM in soil when both biochar and APAM-degrading bacteria are added; 2) the change on microbial ecology in soil after adding biochar and APAM-degrading bacteria; 3) molecular mechanism of APAM-degrading bacteria. The study findings may theoretically and technically support the remediation of APAM contaminated soil in future.

聚丙烯酰胺是一种在石油三次采油作业中广泛使用的高分子聚合物，由于巨大的使用量以及自然状态下难降解的特性，导致其在石油开采作业区域的土壤中大量累积，从而对当地生态环境构成潜在威胁。因此，本项目以阴离子型聚丙烯酰胺（APAM）在土壤中的降解为切入点，以探明生物炭-降解菌联合应用对土壤中APAM降解的影响效果及作用机制为目标，利用色谱技术、红外光谱、变性梯度凝胶电泳、高通量测序、蛋白质组学分析等分析和检测方法，重点研究：1)生物炭—降解菌联合应用条件下土壤中APAM的降解效果及其降解过程；2)添加生物炭-降解菌对APAM污染土壤的微生物生态影响；3)降解菌对土壤中APAM降解的分子机理。以上研究的成果可为APAM污染土壤的修复提供技术支持及科学依据。

聚丙烯酰胺由于其良好的理化特性而被广泛应用于各个行业，但目前对于聚丙烯酰胺微生物降解过程及其生态影响的研究尚不充分。本研究从污泥中筛选出一株阴离子型聚丙烯酰胺（Anionic polyacrylamide, APAM）降解菌Klebsiella sp. PCX，利用生物炭负载该降解菌去除土壤中的APAM，并进一步探究其降解过程的微生态作用机制。研究结果表明：1）Klebsiella sp. PCX可以APAM为唯一碳源和氮源生存，基因组为5.2 Mb，GC含量为58.17%，其中具有APAM有氧降解通路中关键的酰胺水解酶、单加氧酶以及脂肪酸代谢相关酶基因。2）土壤中APAM的酰胺基在酰胺酶作用下水解，主链可能在单加氧酶和脂肪酸代谢相关酶的作用下发生α氧化或β氧化断裂，脱去的氨基继续进行硝化作用，该过程可能会引起土壤酸化。3）由于生物添加和生物刺激的协同作用，相比生物炭、降解菌单独或不负载投加，投加生物炭负载菌对土壤中APAM去除效率最高。4）利用响应曲面法优化得到，在pH为6.6，固定菌投加量0.07 g/g，温度38.0 ℃的条件下，处理30天后土壤APAM去除率可达到69.1 %。5）由于菌群竞争作用，添加的外源降解菌在土壤中APAM降解初期迅速减少，而土著菌群中与APAM降解有关的变形菌门（Proteobacteria），厚壁菌门（Firmicutes），放线菌门（Actinobacteria），硝化螺旋菌门（Nitrospirae）的含量显著上升，尽管所添加的生物炭已经负载了降解菌，但其仍有助于与PAM降解有关的土著微生物的生长。本研究明晰了生物炭固定Klebsiella sp. PCX对土壤中APAM的降解过程，阐明了APAM降解过程对土壤微生态系统带来的影响，在分子水平上初步探索了Klebsiella sp. PCX降解AMPA的关键降解酶基因。本研究可为聚丙烯酰胺污染土壤或含聚丙烯酰胺污泥的处理提供理论依据和技术支持。