钟音、彭平安等-凯发k8官凯发k8

科研进展

钟音、彭平安等-est:在氯代有机磷酸酯厌氧生物转化方面取得新进展

  
氯代有机磷酸酯(chlorinated organophosphate esters, cl-opes)是在自然环境(如地表水、地下水、沉积物和土壤等)中广泛存在的一类新兴污染物,具有致癌性、神经毒性以及生殖毒性,已被列入欧盟的优先控制清单。生物降解和转化是去除环境中氯代有机污染物的主要途径。已有的研究主要关注cl-opes的好氧生物降解过程,然而,关于cl-opes厌氧生物转化的研究却十分薄弱。cl-opes厌氧生物转化途径、机制以及参与转化过程的微生物和功能基因仍不清楚。
针对上述科学问题,中科院广州地球化学研究所、深地科学卓越创新中心钟音副研究员、彭平安研究员等,利用cl-opes为电子受体,从电子垃圾污染沉积物中富集出了两个具有厌氧转化cl-opes能力的菌群(分别命名为8e和8p),通过产物鉴定、重水标记实验、高通量测序、定量聚合酶链反应(qpcr)、宏基因组学等分析方法,阐明了cl-opes 的厌氧生物转化效率、途径和机制,揭示了参与cl-opes还原转化的主要功能微生物和功能酶。
菌群8e和8p在10天内分别将3.88 ± 0.22 μmol 磷酸三(2-氯乙基)酯(tris(2-chloroethyl) phosphate, tcep)和2.61 ± 0.02 μmol 磷酸三(1-氯-2-丙基)酯(tris(1-chloro-2-propyl) phosphate, tcpp)完全转化。通过产物质量平衡分析,研究发现tcep和tcpp主要转化成二酯产物,即磷酸二(氯乙基)酯(bis(2-chloroethyl) phosphate, bcep)和磷酸二(1-氯-2-丙基)酯(bis(1-chloro-2-propyl) phosphate, bcpp)。此外,研究还首次报道tcep和tcpp分别被厌氧还原转化成乙烯/乙烷和丙烯。
加氢脱氯被认为是氯代有机污染物厌氧生物转化的主要机制,但是tcpp的加氢脱氯产物没有被测到,tcep的疑似加氢脱氯产物只在菌群8e添加了4次tcep后才检测到。tcep和tcpp的加氢脱氯产物是否转化成乙烯/乙烷和丙烯并不清楚。为了验证这一机制的可能性,研究采用重水配制的培养基培养菌群8e和8p,结果发现乙烯和丙烯没有被氘代标记,而乙烷被氘代标记,表明乙烯和丙烯可能不是由tcep和tcpp加氢脱氯产物进一步转化生成。cl-opes可能通过单电子转移(自由基机制)进行还原脱氯,脱氯产物随即发生c-o键断裂生成二酯产物和无氘代标记的烯烃(图1)。乙烷可能是由乙烯进一步还原转化生成。该转化途径是一条全新的厌氧脱氯转化途径,与传统报道的加氢脱氯途径显著不同。
 
图1. 重水体系下tcep转化为乙烯/bcep(a)和tcpp转化为丙烯/bcpp(b)的机制示意图
16s rrna基因扩增子测序和qpcr分析显示菌群8e和8p都含有专性脱卤菌dehalococcoides,而且dehalococcoides的丰度随着tcep/tcpp的降解和乙烯/丙烯的生成而增加(图2a),表明dehalococcoides对tcep和tcpp厌氧还原转化可能具有重要作用。采用宏基因组单菌草图组装技术分别从菌群8e-1和8p-1中组装获得dehalococcoides基因组草图(即bin8e40和bin8p27),并与13个参考dehalococcoides mccartyi全基因组构建最大相似系统发育树,证明bin8e40和bin8p27属于不同的dehalococcoides mccartyi亚组(图2b)。此外,将bin8e40和bin8p27和5个参考dehalococcoides mccartyi(即vs、195、bav1、cbdb1和mb)基因组中注释的还原性脱卤酶构建最大相似系统发育树,显示bin8e40和bin8p27分别包含14和15个还原脱卤酶(rdh)基因(图2c)。逆转录-聚合酶链反应(rt–qpcr)分析发现,其中13个和12个rdh基因在tcep和tcpp还原转化过程中均能进行转录表达(图2d),表明它们可能分别参与了tcep和tcpp的还原转化过程。
 
图2. tcep/tcpp转化过程中dehalococcoides丰度变化特征(a);bin8e40和bin8p27与参考dehalococcoides mccartyi全基因组的最大相似系统发育树(b);bin8e40和bin8p27与参考dehalococcoides mccartyi的基因组中注释的还原性脱卤酶的最大相似系统发育树(c);bin8e40和bin8p27 rdh基因的转录表达(d)
综上所述,这项研究首次揭示了厌氧条件下cl-opes生物还原转化过程和机制,拓宽了人们对dehalococcoides还原转化cl-opes转化机制的理解,不仅有助于认识cl-opes在厌氧环境(地下水、沉积物、污泥和地下土壤等)中的环境行为,而且对cl-opes的污染控制和高效生物修复技术开发具有十分重要的意义。
相关研究成果于近期发表在国际知名学术期刊,朱锡芬博士(我所毕业博士生)为论文第一作者,钟音副研究员为论文通讯作者。该项研究受到国家自然科学基金、广东省科技计划项目和广东省重点区域研究开发项目资助。

 
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