厌氧-有氧交替策略是否能够调控土壤中BDE-209的微生物降解过程？

《Journal of Hazardous Materials》：Do anaerobic-aerobic alternating strategies regulate microbial degradation of BDE-209 in soils?

本研究建立XH1复合菌群，系统评估其交替厌氧-好氧条件对BDE-209降解的影响。结果表明，4:4（厌氧:好氧）交替策略降解效率最高（70%），且与好氧时长正相关（R2=0.39）。该策略通过调控脱卤酶基因表达及延长氧化期提升降解效率，为BDE-209污染土壤生物修复提供了高效可持续方案。

　　

李国|詹城唐|詹鹏戴|春宇向|贾佳|海娟魏|敦柱扎西|国富松|史斌刘

成都理工大学生态与环境学院，中国成都610059

摘要

十溴二苯醚（BDE-209）的主要自然降解途径是厌氧还原脱溴和好氧氧化，然而在厌氧-好氧交替条件下的微生物降解效率仍不明确。我们构建了XH1联合菌群，并在多种交替条件下系统评估了BDE-209的降解情况。结果表明，与连续好氧或厌氧降解相比，XH1联合菌群在厌氧-好氧交替条件下降解BDE-209的速度更快。在4:4（厌氧:好氧）的交替策略下，降解效率最高，达到了70%。微生物分析显示，4:4策略上调了关键脱卤酶基因（2-卤酸脱卤酶和卤代烷脱卤酶基因）的表达，而这些基因在1:1循环中因频繁的氧化还原切换而被抑制。降解效率与好氧时间呈正相关（R2=0.39，p=0.04），延长好氧阶段可以激活双加氧酶系统。这种循环交替策略表明，较低的交替频率有利于脱卤酶基因的表达。总体而言，本研究通过模拟自然环境动态，结合了微生物代谢多样性和环境适应性，为BDE-209污染的处理提供了一种高效且可持续的方法。

引言

多溴二苯醚（PBDEs）因其优异的阻燃性能而被广泛用于电气设备和其他家居配件中[1]。某些过程（如电子废物拆解）导致的PBDEs释放，使其在土壤、沉积物和水中积累，从而威胁环境质量和人类健康[2]。在209种PBDEs同系物中，十溴二苯醚（BDE-209）由于其环境持久性而最为普遍[3]。截至2018年，全球BDE-209的总量达到了50万吨，是∑₅BDE（28、47、99、153、183）总量的13倍[4]、[5]。由于BDE-209具有长距离传输、生物累积和生物毒性的特点，它于2017年被列入《斯德哥尔摩公约》的持久性有机污染物名单[6]。因此，开发高效去除BDE-209污染土壤的方法显得尤为重要。

与单一菌株相比，微生物联合菌群具有更强的PBDE降解能力，尤其是对于像BDE-209这样高溴化的同系物[7]、[8]。协同的酶活性和代谢合作使混合菌群能够实现更高的降解效率[9]。例如，一个混合菌群将四环素降解了82%，比单一菌株高出5-14%[10]。此外，BDE-209的降解效率与微生物群落的组成密切相关。香港红树林土壤的研究表明，不同微生物群落组合的降解效率范围从5%到80%不等，其中γ-变形菌、梭菌和放线菌的组合表现出最高的降解性能[11]、[12]。

BDEs的修复既包括厌氧生物降解，也包括好氧生物降解，在缺氧条件下还原脱溴占主导地位[13]、[14]。有研究报道，一个由50种细菌组成的联合菌群通过顺序脱溴将超过80%的BDE-209转化为22种低溴化衍生物[11]。然而，随着溴含量的增加，降解效率显著下降。五溴和四溴BDEs在几周内即可完全脱溴，而八溴BDEs在三个月后的降解程度不到10%[15]。好氧降解通过双加氧酶介导的氧化途径进行，生成羟基化衍生物和溴酚[16]、[17]、[18]、[19]。然而，这一过程面临重大挑战：首先，高溴化二苯醚由于其强疏水性和低生物可利用性而难以降解，特别是在BDE-209中，传统的好氧系统在初始阶段（0-30天）内BDE-209甚至不发生降解[20]；其次，PBDEs的生物降解速率与溴含量呈负相关（BDE-15 > BDE-28 > BDE-47 > BDE-99 > BDE-100）[21]。尽管如此，研究人员已成功分离出几种高效的好氧细菌属，包括鞘膜单胞菌、伯克霍尔德菌和红球菌[22]、[23]、[24]。值得注意的是，在优化的实验室条件下，一种红球菌在144小时内实现了65.1%的BDE-209降解[25]。

厌氧-好氧交替策略已被证明是提高顽固有机物（如多氯联苯（PCBs）和溴化阻燃剂）微生物降解的有效方法。这些策略通过氧化还原循环实现协同脱卤[26]、[27]、[28]。厌氧-好氧交替策略通常包括两种模式：（1）单循环系统侧重于延长某一阶段的持续时间。例如，通过延长厌氧培养时间（4周）后进行较短的好氧处理（2周），PCBs的降解率达到了49.2%[29]；（2）多循环系统强调交替频率。在1:1（40次循环）和2:2（20次循环）的厌氧-好氧交替处理中，沉积物中本地微生物对BDE-47的降解率分别为约17%和8.6%[18]。频繁的氧化还原循环增强了降解效果，这源于两个相互关联的因素：首先，周期性的电位变化防止了末端电子受体的耗尽，从而维持了微生物的代谢活性；其次，交替条件筛选出了能够跨阶段利用底物的兼性厌氧菌。尽管有一些研究调查了在厌氧-好氧交替条件下低溴化PBDEs的降解情况，但两种策略对BDE-209降解的影响仍不清楚。

在此，我们分别从土壤中筛选了好氧和厌氧微生物联合菌群。然后通过混合这两种菌群来构建一个混合菌群，并使用16S rDNA高通量测序技术分析了其群落组成。在厌氧条件下评估了混合菌群降解BDE-209的能力，并确定了最佳条件。接下来应用厌氧-好氧交替策略8周，以研究两种交替模式对混合菌群降解BDE-209能力的影响。我们假设：（1）较长的厌氧时间和较短的好氧时间可以促进BDE-209的降解效率，因为厌氧条件下的脱溴可能增加BDE-209的生物可利用性；（2）更多的循环次数对应更高的BDE-209降解效率，因为脱卤细菌的数量增加。这些发现有助于我们更好地理解BDE-209污染土壤的微生物修复机制，并为开发高效环保的生物修复方法提供技术支持。

化学物质和微生物培养

BDE-209（纯度99%）和其他分析级有机溶剂（二氯甲烷、正己烷、四氢呋喃、乙腈和二甲基亚砜）购自成都金飞月贸易有限公司。

矿物盐培养基的配方为（g/L）：K₂HPO₄ 3, KH₂PO₄ 1.5, (NH₄)₂SO₄ 1, NaCl 0.5, MgSO₄·7H₂O 8, CuSO₄·5H₂O 1.6, MnSO₄·H₂O 1.1, FeSO₄·7H₂O 1.8, CaCl₂·2H₂O 1.3。牛肉提取物蛋白胨培养基的配方为（g/L）：蛋白胨10, 牛肉提取物5, NaCl 1。

细菌联合菌群的分离及其降解能力的评估

矿物盐培养基（MSM）[30]

好氧和厌氧条件下的降解效率及菌群演变

为期6周的降解实验显示，厌氧条件下的BDE-209去除效率（38% vs 21%）显著高于好氧条件（p<0.05）（图2）。这种增强的厌氧降解效果与高通量测序（386,141条高质量过滤序列，1153个OTU，相似度97%）揭示的特定微生物联合菌群变化相吻合。Chao1和Shannon分析表明...

结论

在本研究中，我们筛选出了能够有效降解电子废物拆解场周围受污染土壤中BDE-209的联合菌群。通过单因素分析和响应面分析，确定了XH1菌群在不同土壤环境扰动下降解BDE-209的最佳条件。

环境意义

本研究建立了不同的厌氧-好氧交替策略，并与联合菌群XH1的氧化还原功能相结合，实现了BDE-209的高效降解。该方法通过激活厌氧阶段的还原脱卤酶和好氧阶段的芳香环断裂氧化酶，克服了单一系统的局限性。这些发现为新兴污染物的修复提供了低能耗的解决方案和技术支持。

CRediT作者贡献声明

国富松：研究。史斌刘：撰写——审稿与编辑、可视化、验证。敦柱扎西：研究。贾佳：研究。海娟魏：研究。詹城唐：研究。詹鹏戴：研究。李国：撰写——审稿与编辑、初稿撰写。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了成都理工大学2023年青年和中青年骨干教师发展资助计划（10912-JXGG2023-07049）、成都理工大学Everest科学研究计划（2024ZF11422）以及西藏自治区重大科技专项（XZ202201ZD0005G03）的支持。