研究實(shí)現(xiàn)對四氯乙烯的高效非生物-生物協(xié)同降解

中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所博士生吳駿宏在該所研究員鐘音、中國科學(xué)院院士彭平安的指導(dǎo)下，將含有脫鹵擬球菌的培養(yǎng)物與硫化納米零價鐵結(jié)合，構(gòu)建了一個組合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對四氯乙烯的高效非生物-生物協(xié)同降解。近日，相關(guān)成果以副封面文章的形式發(fā)表于《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》（Environmental Science & Technology）。

相關(guān)成果入選《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》副封面。研究團(tuán)隊(duì)供圖

吳駿宏表示，氯代烯烴作為一種廣泛分布于地下環(huán)境中的鹵代有機(jī)污染物，對生態(tài)環(huán)境和人類健康構(gòu)成了嚴(yán)峻的威脅。面對這一挑戰(zhàn)，開發(fā)可持續(xù)的原位脫氯修復(fù)技術(shù)已成為治理氯代烯烴污染地下水的關(guān)鍵任務(wù)。

研究人員在國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助下，構(gòu)建了一個新的組合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對四氯乙烯的高效非生物-生物協(xié)同降解。該降解過程涉及三個主要途徑：一是通過非生物氫解途徑轉(zhuǎn)化為乙烯；二是通過非生物β-消除途徑生成乙炔，隨后乙炔進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乙烯；三是通過生物還原脫氯途徑轉(zhuǎn)化為氯乙烯和乙烯。定量分析結(jié)果顯示，氯乙烯的濃度高于乙炔，這表明在該組合系統(tǒng)中，生物還原脫氯是四氯乙烯降解的主要途徑。在不額外添加有機(jī)電子供體的情況下，該組合系統(tǒng)的四氯乙烯降解效率優(yōu)于單一系統(tǒng)。

隨著四氯乙烯的多次添加，系統(tǒng)的降解速率逐漸提升，經(jīng)過五次重復(fù)添加四氯乙烯后，四氯乙烯在6天內(nèi)實(shí)現(xiàn)了完全降解。通過16S擴(kuò)增子測序和定量PCR分析發(fā)現(xiàn)，在五次重復(fù)添加四氯乙烯之后，脫鹵擬球菌的相對豐度從5.2%激增至91.5%，生物量從1.79×106 cells/mL增加到1.39×108 cells/mL，提高了78倍。硫化納米零價鐵通過與水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，為脫鹵擬球菌提供了豐富的電子供體，從而有效促進(jìn)了脫鹵擬球菌的生長和四氯乙烯的生物還原脫氯過程。

此外，硫化納米零價鐵通過向揮發(fā)性脂肪酸生成微生物供應(yīng)電子，促進(jìn)了揮發(fā)性脂肪酸的產(chǎn)生，這為脫鹵擬球菌的生長提供了必需的碳源，例如乙酸，進(jìn)而有效促進(jìn)了脫鹵擬球菌的生長。宏基因組分析表明，Desulfovibrio、Syntrophomonas、Clostridium和Mesotoga是組合系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)揮發(fā)性脂肪酸生成的微生物種類。

為了深入理解組合系統(tǒng)的電子流向和電子利用效率，研究人員采用電子平衡分析法對系統(tǒng)中電子的分配進(jìn)行了研究。分析結(jié)果表明，硫化納米零價鐵產(chǎn)生的電子當(dāng)量主要用于四氯乙烯的脫氯反應(yīng)和脫鹵擬球菌的生長，分別占據(jù)了68.1%和6.8%的電子當(dāng)量，這一比例顯著高于使用有機(jī)電子供體時脫氯過程所占的電子當(dāng)量百分比（12-22%）。這一發(fā)現(xiàn)表明，該組合系統(tǒng)具有更高的電子利用效率，能夠更有效地引導(dǎo)系統(tǒng)中的電子流向脫氯過程，而非其他途徑。

中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所研究員鐘音表示，該研究揭示了硫化納米零價鐵、脫鹵擬球菌以及揮發(fā)性脂肪酸生成微生物降解氯代烯烴的協(xié)同機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)氯代烯烴污染地下水的可持續(xù)性原位修復(fù)提供了重要的理論依據(jù)。