厌氧条件下五氯酚还原脱氯动力学及其化学-微生物学耦合调控机制

摘要

五氯酚(Pentachlorophenol，PCP)是环境中普遍存在的一种高毒性、致畸、致癌氯代有机污染物。通常，PCP作为木材防腐剂以及杀虫剂被广泛的应用于工业和农业中。在厌氧条件下，PCP的还原脱氯过程是其主要的转化方式，并且结合生物化学循环过程将电子从氢气和有机碳转移至电子受体PCP中。一般来说，土壤环境中NO3-、Fe(Ⅲ)、Mn(Ⅳ)以及SO42-等离子是土壤环境中的主要电子受体，并且在厌氧条件下非常活跃，因此PCP的还原脱氯过程势必与土壤氧化还原反应过程中其他的电子传递过程存在着相互联系。
　　本文以PCP作为目标污染物，研究其在厌氧条件下土壤环境中还原脱氯动力学及其化学-微生物学耦合调控作用机制。详细的研究内容主要包括:厌氧条件下PCP的还原脱氯途径;PCP还原转化及其与土壤中不同电子受体(NO3-、Fe(Ⅲ)、Mn(Ⅳ)和SO42-等）之间的还原动力学耦合关系;PCP还原转化过程中土壤微生物菌群以及功能菌群的变化规律。主要研究结果如下:
　　(1)纯菌体系:通过富集筛选分离技术在水稻泥浆中筛选出一株新的Fe(Ⅲ)还原菌Clostridium beijerinckii Z（菌株Z），该菌具有一定的PCP脱氯功能。经过11天的厌氧培养，菌株Z存在的条件下大约有50％的PCP被去除，当水铁矿与菌株Z同时存在的情况下，PCP的脱氯效率达到83％。在非生物试验过程中，约有40％的PCP被表面吸附态-Fe(Ⅱ)还原。这表明C.beijerinckii Z的生物脱氯过程是PCP还原脱氯的主要途径，并且脱氯率在添加水铁矿进行Fe(Ⅲ)还原的过程中大幅度提高。菌株Z铁还原过程中产生的吸附态Fe(Ⅱ)可能是添加水铁矿后促进PCP脱氯率提高的主要机制。
　　(2)泥浆培养体系:通过碳单体同位素分析技术、微生物分子技术结合环境因子变化数据集，研究了厌氧条件下红树林土壤受到PCP污染后PCP的转化规律，同时探讨了PCP还原转化过程中土壤主要的氧化还原动力学过程。与对照21％的脱氯率相比，添加乙酸钠可以显著促进PCP的还原脱氯过程，脱氯效率平均高达96％。基于碳单体同位素分析残留态PCP结果表明，13C在残留态PCP中显著富集（碳同位素富集系数εC，-3.01±0.1％）。生物分子学以及动力学分析表明PCP的还原脱氯过程与Fe(Ⅲ)还原过程是相互协同的电子接收过程。通过分析功能微生物组成结构及其含量进一步证实了在Fe(Ⅲ)还原过程中PCP的还原脱氯作用加强的原因可能与Geobacteraceae除铁还原以外的多样性环境功能有关。与Fe(Ⅲ)还原过程相反，PCP的添加显著抑制SO42-还原菌的生长，从而促进大量的电子从SO42-还原过程转移至产甲烷过程。
　　(3)群落结构体系:为了研究在厌氧条件下未污染土壤受到外源PCP污染胁迫后微生物群落结构的变化过程及其与PCP还原脱氯转化的关系，通过Miseq高通量测序技术测定了泥浆培养体系中表层0-20 cm和底层80-100cm土壤中古菌、细菌的菌群结构变化。通过分析，发现乙酸钠作为厌氧食物链中主要的微生物基质有效地促进了PCP还原脱氯的进程。在PCP还原脱氯初期，主导的细菌菌门为Bacteroidetes，然而，随着脱氯过程的进行，当大量的PCP转化为2，3，4，5-TeCP和3，4，5-TCP时，细菌菌门主要由Proteobacteria、Firmicutes以及Chloroflexi组成。通过将不同处理中含量占前100位的OTUs进行比对分析可知，Clostridium-like、Desulfuromonas-like以及Dehalococcoides-like菌群在PCP还原脱氯过程中非常活跃，因此它们可能是参与调控PCP还原脱氯过程中的主要功能微生物。相对于细菌菌群结构变化而言，古菌的结构则相对简单，添加PCP后能够显著降低Crenarchaeota丰度，同时，Euryarchaeota的相对含量逐渐增加。序列分析结果表明，在表层和底层土壤中，Euryarchaeota菌门中的产甲烷菌在PCP处理中较为丰富，尤其在乙酸钠处理中更为活跃。在两层土层中乙酸型产甲烷菌Methanosarcina-like是PCP处理条件下的最主要产甲烷菌。
　　(4)特定微生物菌群培养体系:添加标记态13C-乙酸钠研究了厌氧条件下PCP的还原转化过程中土壤微生物菌群的演变特征。经过长时间的厌氧培养过程，13C可以进入部分微生物的核酸中，通过DNA-同位素标记分析技术(DNA-SIP)将标记态微生物进行分离并且将其作为目标微生物进行分析。结果表明，红树林土壤中与氮磷固定相关的微生物菌群Bradyrhizobium、 Burkholderia和Acinetobacter在标记层富集，但是添加 PCP后这些微生物的相对丰度逐渐下降。同样的，以乙酸钠作为碳源的甲基营养型细菌Methylobacterium的含量在PCP的毒性作用下急剧下降。、与以上微生物群落相比，Fe(Ⅲ)还原菌群Comamonas、Bacillus、Geobacter、Pelobacter、Clostridium和Pesudomonas在标记层较为富集，添加PCP后对其影响不大。另外，添加PCP后能够显著增加互养型微生物CandidatusContubernalis含量，它可以通过氧化乙酸钠与氢营养型细菌进行互养生长。

目录

声明

论文说明

致谢

摘要

图目录

表目录

1 引言

1．1 PCP的性质及其污染特性

1．1．1 PCP及其它氯酚化合物的理化性质

1．1．2 PCP环境污染及其危害

1．2 PCP在土壤环境中的迁移转化

1．2．1 PCP及其氯酚的物理迁移过程

1．2．2 PCP及其氯酚的化学转化过程

1．2．3 PCP及其氯酚的生物降解过程

1．3 厌氧条件下PCP的还原脱氯过程

1．3．1 还原脱氯微生物种群

1．3．2 微生物的还原脱卤酶基因

1．3．3 影响PCP还原脱氯的环境因素

1．4 微生物生物多样性测定

1．4．1 以生物化学特性为基础的测定方法

1．4．2 以分子生物学技术为基础的测定方法

1．5 论文研究目标和技术路线

1．5．1 论文研究目标

1．5．2 研究内容

1．5．3 技术路线

2 铁还原菌C．beijerinckii Z介导的Fe(Ⅲ)还原及其偶联PCP脱氯研究

2．1 材料和方法

2．1．1 供试土壤

2．1．2．厌氧培养条件下不同碳源对水稻土中Fe(Ⅲ)还原菌铁还原能力的影响

2．1．3 铁还原菌的富集和分离

2．1．4 铁还原菌特性

2．1．5 铁还原率测定

2．1．6 铁还原偶联PCP脱氯过程研究

2．1．7 泥浆培养试验

2．1．8 分析方法

2．2 结果与分析

2．2．1 添加不同碳源对水稻土中铁还原率以及微生物群落结构的影响

2．2．2 铁还原菌的分离及其性质

2．2．3 C．beijerinekii strain Z的pH生长范围以及最适pH

2．2．4 C．beijerinckii strain Z的最大铁还原量

2．2．5 C．beijerinckii strain Z对不同铁源的Fe(Ⅲ)还原效率的差异

2．2．6 C．beijerinckii strain Z介导的铁还原偶联PCP还原脱氯

2．2．7 土壤环境中C．beijerinckii strain Z对PCP浓度的承载范围

2．3 讨论

2．3．1 C．beijerinckii strain Z的分离

2．3．2 影响C．beijerinckii strain Z的铁还原率因素

2．3．3 C．beijerinckii strain Z Fe(Ⅲ)还原对PCP还原脱氯的影响

2．4 结论

3 厌氧条件下与土壤多种氧化还原过程耦合的五氯酚的还原脱氯研究

3．1 材料和方法

3．1．1 供试土壤

3．1．2 培养试验

3．1．3 分析方法

3．1．4 数据分析

3．2 结果与分析

3．2．1 土层剖面基本理化性质

3．2．2 厌氧条件下PCP的还原脱氯过程及其脱氯途径

3．2．3 PCP脱氯过程中碳同位素分馏效应

3．2．4 厌氧培养过程中不同环境因子氧化还原动力学变化

3．2．5 厌氧培养条件下的电子传递流向

3．2．6 不同环境因子的Pearson相关关系

3．2．7 微生物群落与环境因子的相互关系

3．2．8 厌氧转化过程中的主要微生物种群

3．3 讨论

3．3．1 红树林土壤的PCP还原脱氯能力分析

3．3．2 厌氧条件下土壤中不同氧化还原过程反应排序

3．3．3 Fe(Ⅲ)还原偶联PCP还原脱氯过程

3．3．4 PCP以及乙酸钠对土壤其他生物化学过程的影响

3．4 结论

4 五氯酚还原脱氯过程中土壤微生物群落结构演变

4．1 材料和方法

4．1．1 供试土壤

4．1．2 分析方法

4．2 结果与分析

4．2．1 不同处理条件下的PCP脱氯和CH4排放

4．2．2 测序序列质量控制与数据分析

4．2．3 表层和底层红树林土壤中的细菌和古菌群落结构差异

4．2．4 PCP和乙酸钠对0-20cm和80-100cm土层中细菌群落结构的影响

4．2．5 PCP和乙酸钠对0-20cm和80-100cm土层中古菌群落结构的影响

4．3 讨论

4．3．1 红树林土壤中微生物群落结构

4．3．2 PCP和乙酸钠对红树林土壤细菌群落的影响

4．3．3 PCP添加对土壤中铁还原菌群的影响

4．3．4 PCP和乙酸钠对古菌群落结构的影响

4．4 结论

5 基于DNA-SIP技术的PCP还原脱氯对特定微生物菌群的调控机制

5．1 材料和方法

5．1．1 供试土壤

5．1．2 培养试验

5．1．3 分析方法

5．2 结果与分析

5．2．1 培养结束后CH4和CO2的浓度变化

5．2．2 红树林表层(0-20cm)和底层(80-100cm)中微生物群落差异

5．2．3 DNA-SIP分层结果分析

5．2．4 分层结果中各层主要曹群结构组成

5．3 讨论

5．3．1 乙酸钠对土壤微生物菌群的影响

5．3．2 厌氧条件下乙酸钠标记菌群及其与PCP还原脱氯的关系

5．4 结论

6 结论与展望

6．1 结论

6．1．1 纯菌体系下Fe(Ⅲ)还原偶联的PCP还原脱氯过程

6．1．2 群落体系下PCP的还原脱氯动力学及其机制

6．1．3 群落体系下PCP还原脱氯过程中土壤微生物群落的演变特征

6．1．4 特定体系下PCP对乙酸盐标记菌群的影响

6．2 研究创新点

6．3 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间主要学术成果