硝态氮类化合物对生物修复地下水中典型有机氯化污染物的抑制效应及生态机制研究

Organohalide respiration is a cornerstone microbial process for in situ bioremediation of groundwater contaminated by chlorinated compounds. The reductive dehalogenases, which require a corrinoid cofactor (e.g. vitamin B12) as the reactive center, are the key enzymes catalyze the reductive dechlorination reaction. Corrinoids can be neutralized by nitrous oxide (N2O), subsequently resulting in the inactivation of corrinoid-dependent enzymes. Studies had demonstrated that biodegradation of chlorinated compounds is inhibited when nitrate or nitrite is present as a co-contaminant. However, evidence to directly link N2O production from the denitrification process with the decreased dechlorination activity is missing and the underlying mechanism is till unknown. In this proposal, we will investigate: (1) The inhibitory effects of N2O on the growth of organohalide respiring bacteria and the catalytic activity of reductive dehalogenases; (2) The regulations of denitrification process on the structure and function of dechlorinating community; (3) Explore microbial ecology strategy to attenuate N2O and rescue reductive dechlorination activity. The ultimate goal of this proposal it to assist in the design, operation and long-term monitoring for the effective bioremediation of chlorinated compounds contaminated groundwater.

脱氯细菌所催化的还原性脱氯反应，是生物修复地下水环境中的有机氯化污染物的一条重要途径。还原性脱氯反应的关键功能蛋白是还原性脱卤酶,它以钴胺素类（例如，维生素B12）辅酶因子作为活性中心。钴胺素的一个化学特性是与氧化亚氮（N2O）发生氧化还原反应，进而导致依赖于钴胺素的功能酶失活。研究表明,硝态氮类化合物对有机氯化物的厌氧生物降解有显著的抑制作用，但其机理尚不清楚，且缺乏直接证据将反硝化过程中产生的N2O与脱氯菌以及其所表达的还原性脱卤酶的失活相关联。鉴于此，本研究将选取关键脱氯菌种群，开展如下研究：（1）N2O对于脱氯菌生长和还原性脱卤酶活性的抑制效应；（2）反硝化过程中N2O的动态积累对生态系统中脱氯菌种群结构与功能的影响机制；（3）探索解除N2O对有机氯化物降解的抑制效应的生态学方法。本项研究将为地下水中有机氯化污染物的生物修复工程的决策、有效实施与长期运行提供技术手段与理论基础。

有机氯化物是我国地下水环境中最常见的一类污染物，具有一定的神经毒性和致癌风险，严重威胁水质安全和人体健康。脱氯菌介导的还原性脱氯反应是降解有机氯污染物的一条有效途径，但在硝酸盐复合污染场地修复过程中常常面临有机氯降解停滞，脱氯不完全等技术瓶颈。. 通过接种河流底泥建立的脱氯微宇宙系统能够将四氯乙烯完全降解为无毒的乙烯。在添加较低浓度硝酸盐（0.5 mM）的条件下，四氯乙烯的转化终止于顺式二氯乙烯并伴有少量的一氯乙烯产生，在同样培养条件下多次转接后，四氯乙烯的转化最终完全停滞于顺式二氯乙烯。来自硫磺单胞菌（Sulfurospirillum），地质杆菌（Geobacter），脱卤杆菌（Dehalobacter）和脱卤球菌（Dehalococcoides）等多个关键脱氯菌种群共同驱动了四氯乙烯到乙烯的降解转化。反硝化过程显著降低了脱氯体系种群多样性（香农指数由3.892降至1.897）。四氯乙烯至二氯乙烯还原型地质杆菌和脱卤杆菌，以及二氯乙烯至乙烯还原型脱卤球菌的丰度大大降低直到完全消失，硫磺单胞菌成为了反硝化-脱氯体系中占主导的脱氯菌种群。在纯培养条件下，脱氯菌可以耐受高达20 mM的硝酸盐；然而，亚硝酸盐对所有脱氯菌株都产生了不同程度的抑制作用，脱氯速率和细胞产率随着亚硝酸盐的浓度增加而降低。亚硝酸盐对脱卤球菌和硫磺单胞菌脱氯活性的完全抑制浓度分别为0.02 mM和2 mM。. 对有机卤呼吸链关键功能蛋白（还原性脱卤酶和氢化酶）的酶活测试表明，在完整态细胞条件下，100 μM亚硝酸盐对硫磺单胞菌氢化酶的比活力的影响不大，而在粗蛋白条件下，亚硝酸盐使硫磺单胞菌氢化酶的比活力降低了50.8%；在完整细胞和粗蛋白条件下100 μM亚硝酸盐均可完全抑制硫磺单胞菌的还原性脱卤酶活力。对于脱卤球菌的测试表明，在完整细胞或者粗蛋白条件下，100 μM亚硝酸盐都对还原性脱卤酶和氢化酶的比活力都产生了极显著的抑制作用，其比活力分别降低了29.03%和 64.89%。. 以上结果阐明了硝酸盐类共存污染物抑制有机氯厌氧降解转化的生态学机制和分子机理，为发展绿色高效的原位生物降解技术提供了理论指导。