《厭氧甲烷氧化耦合高氯酸鹽脫氯的微生物學機理研究》是依託浙江大學，由趙和平擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：厭氧甲烷氧化耦合高氯酸鹽脫氯的微生物學機理研究
- 依託單位：浙江大學
- 項目負責人：趙和平
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
環境水體特別是地下水中高氯酸鹽污染日趨嚴重，以往高氯酸鹽生物還原多以有機物或氫氣為電子供體。本團隊最近研究表明，一類微生物可以利用甲烷為電子供體厭氧還原高氯酸鹽，但該過程的微生物學機理並不清楚。本項目以厭氧甲烷氧化耦合脫氯菌群為研究對象，以甲烷作為電子供體，用溴乙烷磺酸和乙炔抑制甲基輔酶M還原酶或甲烷氧化單加氧酶酶活，利用同位素示蹤、離子色譜、氣質聯用等技術，研究該菌群氧化甲烷耦合脫氯的代謝行為；比較不同無機氮源、不同電子受體、不同濃度氯酸鹽及亞氯酸鹽、氧氣等環境因子對該菌群代謝行為的的調節機制；利用螢光定量PCR、高通量測序及數據分析技術，分析關鍵功能基因在不同氧化甲烷氧化耦合高氯酸鹽脫氯條件下的豐度與表達，研究該厭氧甲烷氧化耦合脫氯菌群的生理生化特徵；通過純菌分離鑑定及全基因組序列分析，進一步明確單菌株厭氧甲烷氧化耦合高氯酸鹽脫氯的生物學機理。為地下水高氯酸鹽污染生物還原提供理論支撐。
結題摘要
甲烷是城市污水處理系統中剩餘污泥厭氧消化的產物，同時也是一種重要的溫室氣體，合理利用消化過程產生的甲烷是有效控制碳排放的重要手段。近年來，人們發現微生物進行的甲烷厭氧氧化(Anaerobic methane oxidation, AnMO) 可以耦合硝酸鹽、亞硝酸及鐵錳的還原，這為污水處理過程中碳源循環及深度脫氮提供了新的思路。進一步的研究表明高氯酸鹽也可作為AnMO耦聯反應的電子受體，但有關甲烷厭氧氧化耦合高氯酸鹽脫氯（AnMO-PR）的微生物學機理不明，嚴重限制了該微生物學過程及甲烷氧化反硝化過程在地下水污染控制中的實際套用。 本項目旨在通過同位素示蹤法揭示混合菌群厭氧甲烷氧化耦合高氯酸鹽脫氯的微生物代謝途徑；利用微生物代謝動力學及宏基因組學分析釐清環境因子硝酸鹽、鹽度及氧氣等對AnMO-PR過程及菌群微生物生態結構的影響；進一步通過功能酶活抑制實驗探明菌群在不同條件下AnMO-PR過程的功能酶活變化和微生物回響機制。 同位素標記實驗表明，在厭氧條件下，AnMO-PR可能遵循類似“逆向產甲烷”途徑的過程，即甲烷八疊球菌通過逆向產甲烷產生電子並將其傳遞給高氯酸鹽還原菌進行高氯酸鹽的還原。同時反應器中也檢出了好氧甲烷氧化菌，這些菌群有可能利用亞氯酸鹽歧化產生的氧氣進行好氧甲烷氧化。硝酸鹽會對ANMO-PR產生可逆性抑制，當硝酸鹽和高氯酸鹽共存時，微生物會優先利用硝酸鹽，原因是硝酸鹽還原過程中質子和電子轉移需要的能壘較低。微生物群落分析表明，反應體系中的優勢菌種主要為甲基氧化菌群和高氯酸鹽還原菌群，隨著反應進行，甲基氧化菌群因缺氧而豐度減少，高氯酸鹽還原菌群的豐度隨著污染物負荷增加而升高。功能酶活抑制實驗顯示，2-溴乙烷磺酸可以顯著抑制逆向產甲烷過程中的關鍵酶mcrA的活性，從而降低高氯酸鹽的還原速率。微量氧氣(0.5-1.0 mg/L)可以有效促進甲烷氧化耦合高氯酸鹽還原的速率，而過高的氧氣濃度(≥2.0 mg/L)又會抑制高氯酸鹽的還原。 這些結果為去除環境中高氯酸鹽污染提供了新的理論依據，也會為溫室氣體減排及資源利用提供了新思路。
