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中国地质大学（武汉）袁松虎课题组ES&T：电动强化微生物处理低渗透介质中的三氯乙烯——脱卤活性的时空变化规律与机制

时间：2023-06-25 来源：浏览：

中国地质大学（武汉）袁松虎课题组ES&T：电动强化微生物处理低渗透介质中的三氯乙烯——脱卤活性的时空变化规律与机制

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中国地质大学（武汉）袁松虎课题组在电动强化微生物修复领域取得新的进展，相关成果以“Electrokinetic-Enhanced Bioremediation of Trichloroethylene-Contaminated Low-Permeability Soils: Mechanistic Insight from Spatio-Temporal Variations of Indigenous Microbial Community and Biodehalogenation Activity”为题发表在环境科学领域著名期刊Environmental Science & Technology上。

三氯乙烯作为具有有机亲和力的重非水相流体，其极易滞留于富含铁和有机质的低渗透性黏土中。缓释的三氯乙烯形成持续性的土壤地下水污染，传质困难使得绿色低成本修复技术成为现阶段的挑战。电动强化微生物修复技术极具潜力，在多种有机污染物修复领域证明有效。通过直流电场构建的电动传质系统，活性微生物、营养底物和污染物之间的物理屏障得以消除，微生物的降解活性得以充分发挥。

以往的电动强化微生物研究多关注于污染物降解的可行性和以多环芳烃为代表的电子供体类型污染物的电化学耦合微生物降解机制，对于三氯乙烯这类电子受体型污染物的微生物降解活性增强机制理解较浅。近年来三氯乙烯的工程修复中脱卤活性动态常以土壤残留污染物和 Dehalococcoides 功能基因的拷贝数（ Dhc 16S ， vcrA ， et al. ）指示，而对其他脱卤微生物特别是原位微生物脱卤活性的时空动态与脱卤潜力的了解知之甚少，缺少对电动强化微生物系统下微生物群落的塑造作用与微生物降解活性动态影响因素的了解。

为揭示电动强化微生物修复系统中原位微生物群落和脱卤活性的时空变化，本研究通过一维电动强化柱处理低渗透性土壤中的三氯乙烯，通过批量实验评估不同时空土壤微生物的生物脱卤活性，通过控制实验揭示脱卤活性增强的受控因素。进一步的通过扩增子和宏基因组测序数据的生信分析揭示微生物群落和脱卤酶基因的时空演化。实验结果显示：以1 V/cm电压梯度运行195天的电动强化柱中，微生物脱卤活性在0-60天内于阴极附近优先增强，随后从阴极扩散到阳极（60-90天），最终整体同步增强（90-195天）。脱卤活性的增强优先级受原位电子受体Fe(III)竞争和微生物群落演替的双重控制。铁还原功能群 Geobacter 、 Anaeromyxobacter 、 Geothrix 在0-60天内优先富集，在60-195天被脱卤功能群中的兼性脱卤菌 Geobacter 和专性还原脱卤菌 Dehalobacter 取代。脱卤活性的增强优先级受原位电子受体竞争和微生物群落演替的双重控制。原位电子受体Fe(III)即促进了兼性脱卤菌的生长，又抑制并延迟了电子受体三氯乙烯的利用。铁还原菌间相互竞争电子受体的过程即促进了兼性脱卤菌脱卤活性的表达，又通过铁还原为专性脱卤菌提供了更有利的生长和脱卤微环境。综上所述，原位电子受体储库即促进脱卤潜力的增强又抑制脱卤活性的表达。

图1 电动强化原位微生物修复过程中脱卤活性增强的规律于机制示意图

本文中，由静态批量实验获取了电动强化不同时间后自阳极到阴极土壤微生物的脱卤活性，并进一步通过伪一级动力学模型数值化。统计学分析方法剖析了土壤环境、主要微生物功能群和脱卤活性之间的关联（图2）。结果表明土壤原位电子受体Fe(III)是限制脱卤功能群 Geobacter 和 Dehalobacter 的重要因素，伴随土壤给电子容量的增加（特别是Fe(II)的增加），脱卤活性得到了极大增强。静态实验进一步验证了统计学结果，三氯乙烯的降解发生在土壤悬浊液总Fe(III)从78%降低到60%后（图3）。

图3 土壤Fe(III)延迟微生物的脱卤活性

为验证 Geobacter 和 Dehalobacter 是电动强化原位微生物修复系统下主要增强的脱卤功能群，在扩增子测序结果的基础上通过宏基因组测序分析进行了论证。电动强化微生物修复系统中主要存在的还原脱卤酶基因通过了蛋白序列基于NCBI数据库的比对、还原脱卤酶的铁硫簇保守域（Pfam13486）和还原脱卤酶的钴胺素与铁硫簇保守域（TIGR02486）的三重确认。为进一步识别还原脱卤酶的具体功能，在Hug等人综述的基础上自建了功能还原脱卤酶数据库，基于相似度和系统发育树中的位置，对38个还原脱卤酶的功能进行了推断。其中，核心的三氯乙烯脱卤酶 PceA 基因的确来自 Dehalobacter 和 Geobacter 功能群，相对丰度在电动强化下持续增加（图4）。

图4 基于Contig的脱卤蛋白界定与相对丰度

综之电动强化微生物修复系统的阳极电化学扰动下，土壤环境依然可以自阴极向阳极逐渐发展为还原条件，与此同时土著微生物群中富集兼性和专性脱卤菌，脱卤活性依此增强。这一发现对指导电动强化微生物修复工程具有重要意义。首先，竞争性电子受体特别是低渗透性含水层中丰富的Fe(III)和有机物在第一阶段的消耗可以为脱卤孵育适当的还原条件，补充更多的碳源可以减少脱卤延迟阶段。第二，脱卤菌剂和特定营养素的施用需要延迟调整，避免脱卤菌剂在第一阶段与原位微生物竞争导致的额外损耗。第三，后续应该针对脱卤菌剂与增强后原位菌群的相互作用进行研究，在揭示更多的基础理论上进一步提高电动强化微生物修复系统的效率。

联系作者：

通讯作者：袁松虎教授，中国地质大学（武汉）生物地质与环境地质国家重点实验室，研究方向为地下水动态变化环境水文地球化学过程、水/岩界面氧化还原过程和地下水修复。

Email: yuansonghu622@cug.edu.cn

第一作者：师崇文，2020级硕士，中国地质大学（武汉）生物地质与环境地质国家重点实验室，研究方向为电动修复和环境脱卤微生物。

参考文献：

[1] Shi Chongwen, Tong Man, Cai Qizheng, Li Zhengtao, Li Ping, Lu Yuxi, Cao Zixuan, Liu Hui, Zhao He-Ping, Yuan Songhu*. Electrokinetic-Enhanced Bioremediation of Trichloroethylene-Contaminated Low-Permeability Soils: Mechanistic Insight from Spatio-Temporal Variations of Indigenous Microbial Community and Biodehalogenation Activity. Environmental Science & Technology. 2023. 57: 5046-5055. DOI: 10.1021/acs.est.3c00278

来源： 长江流域环境水科学研究。投稿、合作、转载、进群，请添加小编微信Environmentor2020！环境人Environmentor是环境领域 最大的学术公号 ，拥有近 15W+活跃读者 。由于微信修改了推送规则，请大家将环境人Environmentor加为星标，或每次看完后点击页面下端的 “赏” ，这样可以第一时间收到我们每日的推文！环境人Environmentor现有综合群、期刊投稿群、基金申请群、留学申请群、各研究领域群等共20余个，欢迎大家加小编微信Environmentor2020，我们会尽快拉您进入对应的群。