华盛顿地化所在电子废物污染土壤PCBs微生物降解

粗犷的电子垃圾拆解活动导致大量的持久性有机污染物,如:多氯联苯和多溴联苯醚释放到土壤中,对生态环境与人体健康构成了严重威胁。微生物降解是土壤中PCBs消减的重要途径。但在实际应用中,PCBs的微生物修复却受到了极大限制,究其原因主要有:一、通过分离培养获得的微生物菌种有限,应用时可选项不多;二、电子垃圾拆解区土壤中同时含有高浓度的多种重金属,这对微生物的金属抗性提出了更高要求;三、对原位环境下功能微生物及其降解机制缺乏认识,难以制定有效的调控手段;四、实际环境中的功能微生物与其功能基因无法联系起来,限制了对高效的功能基因异源表达宿主的挖掘,阻碍了功能基因的资源化利用。

粗犷的电子垃圾拆解活动导致大量的持久性有机污染物,如:多氯联苯和多溴联苯醚释放到土壤中,对生态环境与人体健康构成了严重威胁。微生物降解是土壤中PCBs消减的重要途径。但在实际应用中,PCBs的微生物修复却受到了极大限制,究其原因主要有:一、通过分离培养获得的微生物菌种有限,应用时可选项不多;二、电子垃圾拆解区土壤中同时含有高浓度的多种重金属,这对微生物的金属抗性提出了更高要求;三、对原位环境下功能微生物及其降解机制缺乏认识,难以制定有效的调控手段;四、实际环境中的功能微生物与其功能基因无法联系起来,限制了对高效的功能基因异源表达宿主的挖掘,阻碍了功能基因的资源化利用。

依靠传统富集分离培养方法获得的多环芳烃降解菌,在石油污染修复中已取得一定成效,但也存在两个主要弊端。一是由于室内条件和野外自然条件的显著差异,通过室内培养驯化所获得的目标微生物,在野外场地修复应用中受到严重限制;二是PAHs的生物降解是经开环、加氧等多个步骤进行的,各个步骤可能涉及到不同的微生物或多种微生物的协同作用,因此,经室内培养分离所得的菌株,未必就在原位体系下真正发挥降解作用,甚或可能只是对PAHs有较强的耐受性。也正因为如此,如何确认室内培养所获得的功能微生物在原位亦发挥作用,是环境微生物研究的热点和难点之一。

近期,中国科学院广州地球化学研究所博士后江龙飞和合作导师罗春玲,利用DNA稳定性同位素探针技术,不经分离培养,对清远电子垃圾污染土壤中的PCBs降解微生物进行了原位研究。鉴定得到了包括RalstoniaCupriavidusDA101在内的21种功能微生物,并首次报道了不可培养细菌DA101具有降解PCBs的能力。研究获得了1个13.8 kb的PCBs降解操纵子,通过解析操纵子结构,揭示了PCBs的降解机制和该操纵子的水平转移能力。基于四核苷酸指纹特征分析,成功地将功能基因与功能微生物联系了起来,证明了操纵子来自于Ralstonia。该研究在鉴定功能微生物的同时,揭示了PCBs微生物降解机制,并为功能基因起源分析提供了新途径。该研究成果不仅深化了PCBs污染土壤微生物修复的理论基础,为功能微生物的探查和功能基因的资源化利用亦提供了新思路。

近期,中科院广州地球化学研究所博士后江龙飞和合作导师罗春玲研究员,利用DNA稳定性同位素探针技术,不经分离培养,对清远电子垃圾污染土壤中的PCBs降解微生物进行了原位研究。鉴定得到了包括Ralstonia,Cupriavidus和DA101在内的21种功能微生物,并首次报道了不可培养细菌DA101具有降解PCBs的能力。研究获得了1个13.8 kb的PCBs降解操纵子,通过解析操纵子结构,揭示了PCBs的降解机制和该操纵子的水平转移能力。基于四核苷酸指纹特征分析,成功地将功能基因与功能微生物联系了起来,证明了操纵子来自于Ralstonia。该研究在鉴定功能微生物的同时,揭示了PCBs微生物降解机制,并为功能基因起源分析提供了新途径。该研究成果不仅深化了PCBs污染土壤微生物修复的理论基础,为功能微生物的探查和功能基因的资源化利用亦提供了新思路。

近期,中科院广州地化所罗春玲研究员的研究团队,尝试应用DNA的稳定同位素探针和高通量测序技术,对石油污染水体中参与菲降解过程功能微生物种群进行原位探查,并将探查结果与室内培养分离实验结果相对照,成功确认、分离出一株在污染水体中原位降解菲的高效菌株。研究中,DNA-SIP结果表明,参与菲降解的原位功能微生物包括Acinetobacter、Sphingobium、Kouleothrix和Sandaracinobacter,其中Kouleothrix 和 Sandaracinobacter对菲的降解能力首次得到证实;通过优化室内培养实验条件,研究组成功分离获得原位条件的高效菲降解新菌株定名为Acinetobacter tandoii sp. LJ-5,并解析出其对菲的降解是通过β-ketoadipate途径/机制进行的。

该研究得到国家自然科学基金、广州市科技计划项目的资助,相关成果已发表于Environmental Science & Technology

该研究得到了国家自然科学基金、广州市科技计划项目的资助,相关成果已发表于Environmental Science & Technology。

该项工作为原位功能微生物的探查和分离确认,提供了一个成功的技术范例。目前,该研究团队正逐步开发LJ-5菌剂并尝试将其应用于石油污染水体的原位生物修复,并进一步研究该菌株与微生物群落中其他微生物的相互作用机制,以期在原位条件下达到最佳修复效果。

论文信息:Longfei Jiang, Chunling Luo,* Dayi Zhang, Mengke Song, Yingtao Sun, Gan Zhang, 2018. Biphenyl-Metabolizing Microbial Community and a Functional Operon Revealed in E?Waste-Contaminated Soil. Environmental Science & Technology, 52, 8558-8567.

Longfei Jiang, Chunling Luo,* Dayi Zhang, Mengke Song, Yingtao Sun, Gan Zhang, 2018. Biphenyl-Metabolizing Microbial Community and a Functional Operon Revealed in E?Waste-Contaminated Soil. Environmental Science & Technology, 52, 8558?8567.

该研究得到国家自然科学基金资助,相关成果已于近日发表于英文期刊《环境科学与技术》。

论文链接

原文链接

Jibing Li, Chunling Luo*, Mengke Song, Qing Dai, Longfei Jiang, Dayi Zhang, Gan Zhang, 2017. Biodegradation of phenanthrene in polycyclic aromatic hydrocarbon-contaminated wastewater revealed by coupling cultivation-dependent and -independent approaches. Environmental Science & Technology 51, 3391-3401. DOI: 10.1021/acs.est.6b04366.

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图1:操纵子结构;PCBs代谢途径

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图1. DNA-SIP和富集分离纯培养技术鉴定功能微生物示意图

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图2:功能基因与功能微生物基因组四核苷酸指纹之间的相互关系

图2. 菲降解功能微生物群落中OTU_4, OTU_u赢电竞竞猜,50, OTU_73 和OTU_57的系统发育信息

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图3. 菲降解功能基因PAH-RHDα系统发育信息

有机地球化学国家重点实验室 & 科技与规划处 供稿

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