典型芳香类VOCs降解菌的筛选及其降解机制研究

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芳香类VOCs是化工场地普遍存在的一类污染物,相对于其它有机物具有更易挥发、水溶性更差、附着能力更弱的特点,同时具有较强的“三致”效应(致癌、致畸、致突变),严重威胁着化工场地的生态安全及人类健康。因此,针对化工场地的芳香类VOCs污染构建高效率、高稳定性的污染修复体系至关重要。本研究选取苯、甲苯、乙苯、间二甲苯、氯苯、对氯甲苯和对氯三氟甲苯等7种芳香类VOCs作为目标污染物,旨在筛选出对多种芳香类VOCs具有高效降解功能的菌株,并采用菌剂复配的模式,实现多种污染物的同步降解,并探讨反应动力学特征及相关代谢机制。主要研究内容及成果如下:(1)筛选了 4株对芳香类VOCs具有高效降解特性的菌株。以有机污染场地土壤为菌源,经连续传代富集后初步筛选出能以7种芳香类VOCs为唯一碳源的功能菌,并通过对单一菌降解效果进行测定定向筛选出用于混合菌群构建的高效降解菌;并通过开展菌株生理生化特性测试及分子生物学鉴定,指出这4株功能菌分别为Rhodococcus qingshengii,Pseudomonas sp.,Aeromonas sp.及Achromobacter sp.;菌株生长特性、细胞表面疏水性研究表明了这几株功能菌对芳香类VOCs具有较高的耐受性及降解潜力。(2)研究了混合菌群对芳香类VOCs的降解性能。通过对混合菌群进行高通量测序,证明了该混合菌群修复体系具有稳定性;并基于单因素条件实验对生物降解体系的营养物质及培养条件进行了优化,结果表明,混合菌群对芳香类VOCs进行生物降解的最佳工艺参数为:甘油添加量为100 mg·L-1,玉米浆干粉添加量为500 mg·L-1,反应周期为72 h、温度为30℃、培养基初始pH值为7.0、接种量为10%、旋转频率为30 r·min-1,在此条件下混合菌群对芳香类VOCs的总降解率高达77.24%;可生化性研究表明该混合菌群可有效提升反应体系的可生化性,底物广谱性研究表明该混合菌群可以利用和降解多种有机物。(3)分析了混合菌群对芳香类VOCs的降解动力学。以芳香类VOCs总浓度为考察指标,分别基于Monod、Moser、Tessier和Contois模型,对芳香类VOCs降解过程中的动力学进行研究,结果表明,考虑了细胞衰亡的Monod模型在模拟混合菌群的生物量增长过程中表现出显著优势,而Moser模型对芳香类VOCs的基质降解过程拟合效果最佳;以单一芳香类VOC浓度为考察指标时,发现苯、甲苯、乙苯、氯苯和间二甲苯的降解过程更符合一级反应动力学方程,而对氯甲苯和对氯三氟甲苯的降解过程更符合零级反应动力学方程。(4)解析了混合菌群对芳香类VOCs的降解机制。在对功能基因进行检测时,发现该生物降解体系中涉及到的降解酶包括TmoA、甲苯单加氧酶、TbmD、环羟基化双加氧酶、邻苯二酚1,2双加氧酶和邻苯二酚2,3双加氧酶;采用SDS-PAGE双向电泳技术研究混合菌群在芳香类VOCs诱导与无诱导物条件下蛋白表达的差异,发现菌株在含有芳香类VOCs体系中产生了特异性诱导蛋白质;结合非靶向代谢组学分析、CO2含量测定结果及培养液三维荧光光谱分析,提出了芳香类VOCs在该生物降解体系中的转化规律;并借助HPLC、Q-TOF等分析手段,对模型污染物苯、甲苯、乙苯的具体降解途径进行了解析。
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