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石油源多环芳烃降解菌的筛选及其降解途径的初步研究

袁林杰  
【摘要】:石油污染物中广泛存在的多环芳烃(PAHs)具有疏水性且结构稳定,是环境科学与工程学科重点研究的污染物之一。本文以采油废水处理系统中活性污泥为研究对象,通过中间产物鉴定和宏基因组测序分析,研究了石油烃降解菌对萘、菲和蒽三种典型PAHs的降解机理。利用宏基因组测序手段分析了SBR池活性污泥中微生物群落结构变化和优势菌群。活性污泥池中细菌分别属于76个门、861个属。WZ1、WZ2和WZ3三个样本优势菌群主要来自于5个门。分别是变形菌门、放线菌门、绿弯菌门、浮霉菌门和蓝细菌门。变形菌门和放线菌门的相对丰度分别为49.41%和12.13%,在SBR活性污泥系统中起主要作用。从属水平上,WZ1、WZ2、WZ3优势菌群为分枝杆菌属、Ardenticatena、固氮螺菌属、斯克尔曼氏菌属、Inquilinus、硫碱弧菌属和纤发鞘丝蓝细菌属等12个菌属。经PAHs处理后的三个样本中,细菌分别属于32个门、628个属。优势菌群主要来自于变形菌门、拟杆菌门和放线菌门三个门。P1和X3样品中优势菌群为盐单胞菌属、海杆菌属、维氏杆菌属、硝酸盐还原菌属、阿尔蒂杆菌、海源菌属和假单胞菌。盐单胞菌属在P1和X3群落中平均相对丰度为32.12%,是P1和X3样本中的第一优势菌属。分离得到七株耐盐细菌(30‰),分别命名为Y2、Y3、YA、YB、NY1、NY2和NY3。经鉴定Y2为食烷菌属,Y3为阿尔蒂杆菌属,NY1为海源菌属,YA、YB、NY2和NY3均为盐单胞菌属。利用7株细菌进行了采油废水TOC降解实验,在35℃、pH 7.0、盐度30‰条件下培养3 d,Y2、NY1和NY2的TOC降解率分别为93.02%、93.29%和92.76%。利用7株细菌进行了PAHs降解实验,在35℃、pH 7.0、盐度30‰、PAHs浓度为100 mg/L条件下培养7 d,Y2、NY2和NY3对萘的降解率分别为88.02%、93.76%和87.26%;NY1、NY2和NY3对蒽的降解率分别为83.22%、81.45%和88.13%;NY2和NY3对菲的降解率分别为75.86%和83.90%。利用驯化菌群WZ-7进行了PAHs降解实验,在35℃、pH 7.0、盐度30‰、PAHs浓度为100 mg/L条件下培养7 d,降解效果优于原菌株处理效果,萘、蒽和菲降解率分别为97.08%、90.34%和87.04%。使用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)分析了菌群WZ-7降解三种PAHs的中间产物。在萘的降解过程检测到4种中间产物,包括1,2-二羟基萘、2-羧基苯甲醛、邻苯二甲酸和原儿茶酸。在蒽的降解过程中检测到5种中间产物,包括邻苯二甲酸、原儿茶酸、6,7-苯并香豆素、1,2-二羟基蒽和3-羟基-2-萘甲酸。在菲的降解过程中检测到4种中间产物,包括1-羟基-2-萘甲酸、1,2-二羟基萘、7,8-苯并香豆素和邻苯二甲酸。根据KEGG功能注释,在WZ-7菌群中注释到19个编码PAHs降解酶的基因。与菲降解相关的基因有phdE、phdF、phdG和pcaL,与蒽降解相关的基因有nahAc和phdI,与萘降解相关的基因有nahAb、catA和pcaL。基于GC-MS检测到的中间代谢物和鉴定的潜在降解基因,确定了WZ-7对三种PAHs的降解途径,即,萘首先于C1和C2碳位发生双羟基化,1,2-二羟基萘于邻位开环裂解,被降解为邻苯二甲酸;蒽首先于C1和C2碳位发生双羟基化,1,2-二羟基蒽于间位开环裂解,转化为3-羟基-2萘酸,随后裂解脱羧为邻苯二甲酸;菲首先于C3和C4碳位发生双羟基化,3,4-二羟基菲于间位开环裂解生成1-羟基2-萘酸,随后脱羧转化为1,2-二羟基萘,并于邻位开环生成邻苯二甲酸。三种PAHs都被降解为邻苯二甲酸,经双加氧酶和脱羧酶的作用,邻苯二甲酸转化为原儿茶酸。原儿茶酸在双加氧酶的作用下开环裂解转化为丙酮酸,最终进入三羧酸循环完成降解。


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