生物膜表面胞外聚合物强化土壤中PAHs生物降解的作用机制

Bacteria generally adhere to other surfaces in the nature, and with its aggregation behavior, the bacterial biofilms form and develop. Furthermore, the developed biofilms is of importance in governing fate of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) in the soil. Therefore, this project, based on developing biofilms on the surfaces that are assembled with clay minerals (kaolin or montmorillonoid ) and humic acid as carriers, is conceived to find the accumulation sites and mass transfer process of PAHs in the biofilms and its extracellular polymeric substances (EPS). The structure of biofilms and EPS would be then optimized for enlarging the transformation of PAHs. Furthermore, the dynamics of PAHs in the soil with the inoculation of biofilms will be monitored, the development and growth of biofilms and its surfaces properties will be determined. These results will be combined to illustrate the enhanced transformation mechanisms of PAHs by biofilms in the soil, and the effects of biofilms and its EPS on PAHs-contaminated soil bioremediation will be elucidated.

微生物附生是自然界中微生物存在的普遍形式，附生微生物聚集进而形成生物膜，微生物膜及其表面胞外聚合物影响着土壤中多环芳烃（PAHs）的迁移转化行为。因此，本课题拟在深入研究土壤中常见粘土矿物（高岭土或蒙脱土）与胡敏酸组装的复合载体表面微生物膜的形成机制，剖析PAHs在微生物膜及其表面胞外聚合物中的传质过程和累计位点，通过调控微生物膜及胞外聚合物的空间结构，建立定量和定性的微生物膜转运PAHs的指标体系，并构建高效稳态的微生物膜。通过研究微生物膜转运土壤中PAHs的动力学过程，探索胞外聚合物影响PAHs的传质因素，挖掘土壤中微生物膜的定殖行为与细胞结构变换，阐明微生物膜在土壤中强化转运PAHs的生物与化学机制，期望为提高污染土壤修复效率提供实际指导意义。

针对土壤中难降解的典型多环芳烃-芘和菲，采用土壤中代表组分作为载体，将芘降解菌（Mycobacterium sp. NJS-P）和菲降解菌 （Sphingobium sp. PHE3）附生于复合载体表面形成微生物膜，研究土壤中微生物膜界面生物过程与化学过程协同降解芘的机理。据本研究推断出：微生物对污染物具有细胞外吸附和细胞内富集两种作用：一部分污染物被吸附在细胞壁表面，一部分在细胞内形成沉淀物质。自然界中普遍广泛存在的水溶性有机质能够促进PAHs在细胞内外的传质过程，同时改变细胞表面的物理化学特性；自然界中另一类广泛存在的非水溶性的有机质能够作为微生物构建生物膜的载体，使得微生物膜在非水溶性有机质表面生长良好，同时其具有吸附PAHs的能力，进而显著提高细胞表面与细胞内部的浓度差，从而使得微生物膜加快了PAHs的降解进程。微生物膜分泌的胞外聚合物以松散状态和紧密状态两种形式存在，这些胞外聚合物具有更高的键合特性，更容易接触PAHs或者高价金属阳离子，从而活化营养元素，改善微生物的营养环境；这些胞外聚合物容易与非水溶性有机质等载体作用，能够加快微生物的附生；同时，附生的微生物在代谢PAHs的时候，不断分泌胞外聚合物；这些综合因素促进了微生物膜的生长，加快了代谢PAHs的速率。此研究为微生物于土壤颗粒表面的附生特性促进了微生物吸附及降解技术修复污染土壤的研究进展。