多物种协同苯酚和荧蒽生物降解的强化策略及机制

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多环芳烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,PAHs)是一类持久性有机污染物,主要由两个或两个以上的苯环组成。作为焦化废水中高浓度的特征持久性有机污染物,焦化废水PAHs排放总量约占环境中排放总量的16%左右,PAHs以较高浓度形式存在于焦化废水处理单元的各个阶段,这使得从焦化废水中消除PAHs具有重要意义。在某些情况下,利用物理化学方法实现了PAHs的削减。然而,高处理成本、高试剂要求、大体积和产生二次环境污染物的缺点限制了这些传统方法的应用。生物降解是一种更可靠、更环保、更有效的方法,因此本文利用已经筛选到得到的焦化废水来源的PAHs降解菌Stenotrophomonas sp.N5、苯酚降解菌Advenella sp.B9及产表面活性剂菌Pseudomonas aeruginosa S5菌,针对焦化废水的大宗污染物苯酚及焦化废水PAHs中浓度最高的荧蒽,开展了菌株的共培养、共基质及产表面活性剂菌强化的降解策略研究,以期提高荧蒽的生物降解,为焦化废水PAHs的生物强化降解提供应用基础及理论依据。为了研究焦化废水的大宗污染物苯酚对PAHs的共基质效应,首先进行了Stenotrophomonas sp.N5和Advenella sp.B9共培养对苯酚的降解及共培养强化苯酚生物降解分子机制的研究。降解实验的结果表明,B9菌24小时内对500 mg/L苯酚的降解率为9.16%,而N5和B9的共培养达到了62.27%,而PAHs降解菌N5几乎不降解。生长动力学研究表明,N5和B9在共培养中的相互作用降低了苯酚对共培养中微生物的抑制作用,共培养显著提高了最大比生长率μmax和抑制常数Ki。RNA-Seq分析结果表明共培养提高了微生物代谢相关通路的相对表达丰度,调控苯酚降解基因的3种转录因子(Lys R,双组分系统响应调节因子和Tet R家族)的表达有利于苯酚降解。然后,以苯酚为共基质,进行了Stenotrophomonas sp.N5和Advenella sp.B9共培养对荧蒽的降解研究,生物降解实验结果证明了苯酚增强了共培养对荧蒽的生物降解。转录组分析表明,800 mg/L苯酚触发了共培养DNA修复活性上调,苯酚的添加造成了3717个基因的显著差异表达,这些基因主要集中在金属离子结合和α-氨基酸生物合成等生化过程。苯酚可通过促进DNA修复活性降低荧蒽的遗传毒性,金属离子结合和氨基酸生物合成过程与苯酚促进的荧蒽生物降解密切相关。基于表面活性剂可以通过增强PAHs的溶解从而促进微生物对PAHs的吸收降解,将产表面活性剂菌Pseudomonas aeruginosa S5菌引入上述PAHs降解菌N5和苯酚降解菌B9的共培养,形成三种不同功能微生物共培养(N5+B9+S5),研究产表面活性剂菌引入PAHs降解菌混合培养对PAHs生物降解的强化作用及降解特性。降解实验结果显示产表面活性剂菌S5的引入增强了共培养(N5+B9+S5)对荧蒽的降解;S5是PAHs降解中间产物邻苯二酚高效降解菌,S5通过降解PAHs降解过程下游产物减少了反馈抑制也降低了N5和B9菌的代谢负担;一定范围浓度的葡萄糖、苯酚和混合共基质(400mg/L的苯酚+600 mg/L的葡萄糖)都对共培养(N5+B9+S5)荧蒽生物降解有促进作用。通过检测OD600评估微生物的生长情况,添加葡萄糖、苯酚或者混合共基质都有利于共培养(N5+B9+S5)中细菌的生长,并且S5的引入有利于共培养(N5+B9+S5)更快的适应环境并进入对数生长期。采用电子传递系统活性检测法对微生物代谢活性进行研究,结果表明引入S5和添加共基质都提高了微生物的代谢活性。检测不同培养液的表面张力,发现表面活性剂产生菌S5在共培养(N5+B9+S5)的荧蒽降解过程中可以利用单一共基质葡萄糖和混合共基质(400 mg/L的苯酚+600 mg/L的葡萄糖)产表面活性剂促进荧蒽的溶解并降解。研究所获得的结果表明,苯酚共基质及不同功能菌种共培养劳动分工可以大幅度提高PAHs的降解。因而,对于含大宗污染物苯酚的焦化废水,可以通过苯酚的基质调控、PAHs降解菌的强化及表面活性剂菌的接入提高PAHs的降解。
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