【摘 要】
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含有两个或两个以上芳环的多环芳烃(PAHs)主要由化石燃料和生物质的不完全燃烧形成。高分子量多环芳烃通常占主导地位。高分子量多环芳烃通常比低分子量多环芳烃更具毒性和致癌性。木质素是天然芳香性聚合物,结构与多环芳烃类似,细菌和真菌在降解木质素的过程中通常能共代谢降解高分子量多环芳烃。但对其中的微生物机制仍不清晰,且作为微生物重要组成部分的真菌,其修复能力被长期忽视。因此,深入解析木质素促进多环芳烃污
【基金项目】
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国家重点研发计划项目课题“污染场地中持久性有机污染物的化学和生物转化机制”(2019YFC1804203); 国家自然科学基金“木质素促进土壤中高分子量多环芳烃转化的微生物共代谢机制研究”(41977132);
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含有两个或两个以上芳环的多环芳烃(PAHs)主要由化石燃料和生物质的不完全燃烧形成。高分子量多环芳烃通常占主导地位。高分子量多环芳烃通常比低分子量多环芳烃更具毒性和致癌性。木质素是天然芳香性聚合物,结构与多环芳烃类似,细菌和真菌在降解木质素的过程中通常能共代谢降解高分子量多环芳烃。但对其中的微生物机制仍不清晰,且作为微生物重要组成部分的真菌,其修复能力被长期忽视。因此,深入解析木质素促进多环芳烃污染土壤共代谢降解的微生物机制对土壤修复具有重要的科学意义。本论文以南京某菜地土为研究对象,探讨了木质素促进土壤中多环芳烃微生物降解机制及其在土壤中的归趋。首先以苯并[a]蒽为代表性多环芳烃,木质素及其单体为共代谢底物,结合14C同位素示踪、高通量测序等技术,评估了木质素甲基和芳基代谢对土壤中苯并[a]蒽共代谢降解的作用。其次,采用定量稳定性同位素探测技术,探究木质素加入多环芳烃污染土壤初期,活跃微生物的功能变化。最后,评估了真菌在木质素与多环芳烃共代谢过程中的贡献,以及细菌和真菌协同降解多环芳烃的重要性。主要研究结果与结论如下:(1)木质素显著刺激了苯并[a]蒽的降解,苯并[a]蒽的最终矿化率达到了7.62%,几乎是对照的4倍。香草酸也显著刺激了苯并[a]蒽的降解,最终矿化率达到了3.50%。对羟基苯甲酸和甲醇没有显著促进苯并[a]蒽的降解。木质素导致了的Methylophilaceae和Burkholderiaceae以及具有降解芳烃功能的鞘氨醇科(Sphingomonadaceae)中的Alterythrobacter和Novosphingobium属的同时富集。香草酸也同时富集了甲基营养菌和芳烃降解菌。对羟基苯甲酸导致了贪铜菌(Cupriavidus)的富集,甲醇导致了甲基营养菌的富集。因此,木质素及其单体促进多环芳烃的共代谢降解可能需要甲基营养菌和芳烃降解菌的同时富集。(2)为了进一步精准的解析木质素促进多环芳烃共代谢的降解机制,我们把同位素示踪法和定量稳定性同位素探测技术结合。结果发现,在第3天木质素略微降低了多环芳烃的矿化,而在第14天,木质素显著增加了多环芳烃的矿化。经过对300多个样品进行扩增子测序和计算后,定义了每个物种的生长速率。在对生长物种分析后发现,在苯并[a]蒽共代谢降解初期微生物可能发生了功能的变化,第3天,微生物主要功能是对木质素的降解,而第14天微生物的主要功能是对多环芳烃的矿化,并且在第14天也出现了甲基菌和芳烃降解菌的同时富集。(3)真核抑制剂放线菌酮和氧化还原介体ABTS的反应以及真菌群落变化表明木质素增强多环芳烃的矿化与真菌转化有关。此外,木质素处理中细菌和真菌网络的复杂性和相互作用的增加支持了真菌和细菌在Ba A矿化中协同作用的潜在重要性。总体而言,本研究通过将同位素示踪、稳定性同位素探测以及高通量测序等技术手段相结合,阐述了木质素促进多环芳烃共代谢降解的微生物机制。验证了在木质素促进多环芳烃降解过程中,需要甲基和芳基代谢的共同作用;在木质素加入初期,定向的调控了土壤微宇宙中的微生物功能;真菌在共代谢降解过程中起着重要作用,并且细菌和真菌可能通过协同作用促进多环芳烃的降解。
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