微生物降解石油烃的代谢机制及研究进展

石油烃类污染物是复杂的有机化合物,对生态环境和公众健康具有较大危害。目前微生物技术已成为修复石油烃污染环境的主要方法,微生物可利用目标污染物作为碳源,通过一系列的酶催化对其进行代谢降解。研究了微生物降解石油烃的代谢机制,可通过合理设计降解途径中关键步骤的酶,降低限制因素对石油烃微生物降解的影响,提高限速步骤的反应速度,从而提高对石油烃的降解率,以更好地应用于石油烃污染场地的修复。通过梳理总结石油烃的主要组成和结构、代谢途径、功能基因和关键酶种类,以及组学和合成生物学技术在石油烃降解代谢机制研究中的应用现状,为进一步优化提升微生物修复技术在石油烃污染领域的应用前景提供参考。     

底泥中多环芳烃的微生物降解与原位修复技术

水体底泥是多环芳烃(PAHs)重要的环境载体之一,PAHs通过多种途径进入各种水体,经过复杂的过程沉积富集于水体底泥中。PAHs在环境中的迁移转化有多种途径,其中微生物降解是去除环境中PAHs的最主要途径。PAHs可以作为微生物的唯一碳源或通过共代谢而被降解。影响微生物降解PAHs的因素有:PAHs的生物可利用性、温度、pH值、供氧条件、营养条件以及其它的环境因素。受PAHs污染底泥的微生物原位修复技术通过导入高效微生物,提供电子受体、营养盐和表面活性剂等来降解底泥中的PAHs。该技术被认为是去除底泥中PAHs污染物的重要手段,但还存在着多方面的缺点而使其应用存在着很大的局限性,需要从高分子量的PAHs的降解机理、生物降解过程中基因调控机制、环境因子与微生物降解PAHs的相互作用关系以及受PAHs污染底泥的微生物原位修复过程的监测、风险评估和效果评估等多个方面进行深入的研究。     

环境微界面过程的原位和在线研究方法

环境微界面过程是污染物在各环境要素中迁移转化的基本过程,也是研究污染控制方法的基础.发展原位和在线研究方法,对于揭示污染物在环境微界面的迁移转化规律和进行污染控制过程的研究具有重要意义.本文基于环境微界面过程的基本特征,在针对多相环境催化的原位研究方法基础上,分析了用于环境微界面过程的原位和在线研究方法所面临的挑战和相应对策,主要介绍了红外光谱、拉曼光谱和质谱等技术在气固环境微界面过程原位研究中的应用,提出了发展环境微界面过程原位和在线研究方法体系的构想.     

污水处理过程中原位剩余污泥减量的研究进展

剩余污泥的处置问题日益突出,污泥减量化在污水处理系统的整个环节具有重要地位,基于污泥减量的各种微生物代谢机制,如溶胞-隐性生长、解偶联代谢、维持代谢等,从两个角度对目前取得较好减量效果及应用前景的原位剩余污泥减量技术研究进展进行介绍:1)基于传统生物废水处理工艺的改革,提出了在污水处理过程中增加新型预处理方式、强化膜生物反应器的应用及对传统成熟污水处理工艺进行组合、改进,介绍近年来在实验室及小试规模污水处理取得的研究成果,可以在实现污泥减量的同时保证出水水质。2)宏基因组技术在污泥减量中的应用,主要包括开发新型微生物培养技术、筛选特定功能基因及活性物质,在污水处理和污泥减量中充分利用未培养微生物资源。最后提出污泥减量技术的研究重点及方向,包括加强对污泥减量技术的经济评价、效益分析;充分利用数学工具、开发数学模型,优选可以反映实际生产情况的工艺参数;在基础研究及工程应用过程中加强高端检测手段的应用,深入有机污染物降解途径与微生物生长关系的机理研究。     

壬基酚的微生物降解研究

随着全球经济和社会的发展,进入环境中的外来物质越来越多,其中许多有机污染物对微生物有抑制作用.近年的研究发现,壬基酚在各领域的广泛使用,环境中壬基酚的污染日趋严重,对人类和生态环境的危害不容忽视.针对壬基酚的危害及其微生物降解,举例说明了用于降解的微生物,阐述了壬基酚的微生物代谢途径、降解过程中的氧气、温度、pH、底物浓度等主要因素对降解影响的研究进展,并对壬基酚的微生物降解研究做出总结.     

溴代阻燃剂在土壤中的迁移转化研究进展

BFRs（溴代阻燃剂）是一种重要的持久性有机污染物,各种传统和新型的BFRs（PBDEs、TBBPA、DBDPE、BTBPE等）在全球环境中被广泛检出,其持久性、生物蓄积性以及对环境和人类健康的潜在毒性引起了人们的极大关注.在归纳和总结国内外关于BFRs在土壤中的迁移转化行为规律研究动态的基础上,重点讨论了吸附/解吸、光降解的机理和影响因素以及厌氧、好氧微生物降解和植物代谢的特点和降解途径.结果表明:吸附/解吸是BFRs在土壤中迁移转化的关键过程,土壤有机质含量和pH是影响其在土壤中迁移的主要影响因素.光解、微生物降解是BFRs在土壤中的主要转化途径,光解是表层土壤中BFRs的主要转化过程,逐步脱溴产生低溴化产物,溴化程度、土壤有机质和矿物质会直接影响其光解速率;厌氧脱溴和好氧微生物降解是BFRs在深层土壤中的主要降解过程,溴化程度与微生物降解密切相关.土壤中BFRs被植物吸收的过程中可能被代谢为低溴化产物,在食物链中积累,危害人体健康.尽管多年来在BFRs方面的研究取得了进展,但对这类污染物的环境行为和归趋的全面了解仍然很难,随着越来越多的新型BFRs被作为传统BFRs的替代品推向市场,建议对这些新兴替代化学品在土壤介质中的迁移转化过程,特别是生物降解进行更多的调查.      

聚乙烯微塑料的微生物降解研究进展

现代工业的发展使得塑料制品的使用量急剧增加,由此产生的大量废旧塑料垃圾在环境中裂解形成粒径更小的微塑料（<5 mm）.由于微塑料结构稳定,分布广泛且生物可利用性低,在环境中长期存在,已经逐渐成为对海洋生态和环境造成巨大影响的重要污染物.近年的研究表明,自然环境中存在一些能降解这些难降解微塑料的微生物,微生物降解无二次污染且对环境扰动少,在微塑料的去除中具有很好地应用潜力,但亦有一些局限性.综述了环境中数量最多的聚乙烯微塑料的微生物降解研究现状,着重探讨了降解效果和量化方法.基于微塑料生物分解效率普遍较低的现状,开展进一步的研究还非常有必要.     

环境功能材料界面性质对生物膜形成过程与代谢功能的调控机制

材料表面生物膜形成对环境与人类生产的影响纷繁复杂,关于环境功能材料与微生物之间的界面作用关系尚无系统阐述。介绍了材料表面生物膜的形成过程,重点解析了材料表面疏水性、形态特征、表面电荷、磁性、物质释放与电子传递等物理化学性质对生物膜形成的调控机制;综述了材料对生物膜微生物群落结构与代谢功能的影响,并且论证了不同环境功能材料与生物膜在水处理系统、废气生物处理和土壤生态修复领域协同降解污染物的潜在机制和应用情况;最后展望了材料与微生物相互作用的未来研究方向。拟为环境功能材料表面生物膜的形成与控制调控,充分发挥两者协同作用以及定向指导材料合成提供理论和技术支撑。     

不同水动力条件下间歇微孔曝气对河道底质微生物群落的影响

微孔曝气技术被广泛运用于城市河道治理中,在间歇曝气过程中和曝气停止后微生物群落结构和功能的变化仍不明晰。采用室内模拟试验探究了曝气5 d再静置10 d后,不同水动力条件下水体污染物浓度变化过程以及底质微生物群落结构和功能的响应规律。结果表明:不同水动力条件下间歇曝气过程中和曝气停止后DO均能维持较高水平,但水体污染物浓度在曝气停止后短期内均出现显著性增加,但低流速(v=0.24 m/s)条件下污染物浓度上升最为缓慢。从微生物群落组成方面来看,该现象是由于曝气停止静置10 d后,与有机物代谢相关的氢噬菌属等菌属仅在低流速条件下可成为优势菌属,使得该流速水体中有机物更易降解,污染物浓度上升更为缓慢。从微生物群落功能方面来看,在曝气停止静置10 d后,富营养化水体中的能量代谢、辅酶和维生素代谢等代谢通路更多存在于静止和高流速(v=0.93 m/s)条件下的水体中,解释了这2种流速条件下污染物浓度更高的现象。该研究结果可为通过曝气手段持久性改善河道水质提供理论依据。     

石油污染浅层含水层的微生物修复研究进展

微生物修复是治理浅层地下水有机物污染的重要途径。从石油开采等过程对浅层含水层带来的污染现状、微生物修复的技术进展、降解菌的筛选与分离和微生物修复的影响因素等方面综述了石油污染浅层含水层的微生物修复主要研究进展,分析了原位微生物修复技术在石油污染浅层含水层修复领域的广阔应用前景;鉴于浅层地下水系统具有低温、贫氧等特点,指出目前研究存在的不足,并强调指出地下水中石油类污染物的时空分布和迁移转化规律、优良"土著"菌株的筛选和菌群的构建、低温缺氧环境下的降解研究、同位素技术、原位修复的现场研究以及微生物-植物的联合修复将是今后石油污染浅层含水层的原位微生物修复技术的研究重点。     

土壤环境微界面过程与污染控制

土壤环境微界面是土壤组分(矿物和有机质)、植物根系、微生物等微界面的集合体和动态变化的连续体.土壤胶体微界面可理解为土壤固/液界面的双电层结构.这些动态变化的异质微界面,按其表面结构特点可分为硅氧烷型表面、水合氧化物型表面和有机物表面.环境污染物在土壤胶体微界面的迁移转化是污染物在土壤固-液界面反应的动态平衡过程,包括吸附/解吸、沉淀/溶解、络合/螯合、氧化/还原等反应.植物根际是植物与土壤组分和微生物相互作用的活跃区域,根际微界面决定着污染物向植物根系的运输、植物吸收及转运,为污染物经土壤向食物链传递的主要通道.根际微生物在重金属离子的吸附和氧化、还原、转化,以及有机污染物的降解和转化中起重要作用.这些异质微界面相互关联、相互作用,在土壤环境中构成微界面的连续体,决定着污染物在土壤环境中的赋存形态、生物有效性和向其它环境介质(如水体和植物)的迁移,因而在土壤污染控制和污染土壤修复中具有特别重要的意义.土壤环境微界面过程的研究已成为环境科学的研究前沿,值得引起土壤环境科学工作者的重视,并进行系统而深入的研究.     

白腐真菌降解持久性有机污染物的研究进展

持久性有机污染物（POPs）是一类在环境中残留期长且能够长距离迁移的高生物毒性化合物,对生态环境和人体健康造成重大危害。微生物降解因其绿色环保、价格低廉、获取容易等优点,成为降解有机污染物的有效途径。其中,白腐真菌作为一类能够高效降解多种难降解有机污染物的微生物,引起学术界广泛关注。本文综述了近年来国内外白腐真菌对典型POPs（多环芳烃、多氯联苯和二恶英）的生物降解过程/机制及土壤生物修复应用的研究进展,并指出了面临的问题和未来的研究方向,为应用白腐真菌修复实际污染环境提供理论指导。     

生物降解芳香族化合物的分子检测技术研究进展

编码环羟基化加氧酶的基因常作为评价环境中微生物降解芳香族化合物能力的分子标记.近年宏基因组学技术的出现极大地加速了对环境中功能基因及功能类群的研究.本文总结了目前关于芳香族化合物环羟基化加氧酶基因的数据库,介绍了微生物降解芳香族化合物（苯系物、萘及其它多环芳烃）过程中发挥重要作用的各类功能基因,总结了环境检测中使用的分子引物,并综述了它们在各类复杂环境样本中的检测应用,此外对使用宏基因组技术来研究微生物在环境中降解芳香族化合物的能力进行了总结与展望.     

零价铁与微生物耦合修复地下水的研究进展

主要总结了零价铁与微生物耦合体系修复污染地下水的作用效能与机制,介绍了零价铁与微生物耦合体系中零价铁的和微生物的主要来源及特征,总结了该耦合技术对地下水中氯代烃、重金属以及硝酸盐的去除效能、作用机制以及产物,由于零价铁与微生物之间的协同作用,相较于单一体系,耦合体系对多种污染物的去除效率具有明显的优势,且耦合体系中污染物的去除产物更加无害化.此外,从材料本身与环境因子两个方面概述了零价铁与微生物耦合体系降解效率的影响因素,阐明了零价铁与微生物之间的交互作用机制.零价铁的毒性作用和刺激作用对微生物的生长与群落变化起到了重要作用,同时微生物的存在影响了零价铁的电子传递与钝化产物的构成.最后,提出了零价铁与微生物耦合体系的未来研究需求,总结了该技术的优势与不足,有利于该技术在地下水修复中的高效应用.     

典型污染物包覆层中氯仿的沿程生物转化机制

为明晰氯仿（CF）在包覆层中的降解过程,构建了模拟覆盖层系统（SLCS）,并结合高通量测序技术首次系统分析了CF在SLCS中的沿程生物转化机制,结果表明,覆盖层可根据氧气含量分为有氧区（0~20cm）、缺氧区（20~40cm）和无氧区（>40cm）.高通量测序分析表明,有氧区的优势菌为甲烷氧化菌,其中I型菌Methylobacter（甲基杆菌属）及Ⅱ型菌Methylosinus（甲基弯菌属）居多,缺氧区甲烷氧化菌的相对丰度为13%左右,缺氧和无氧区中Anaeromyxobacter（厌氧粘细菌属）成为了优势CF厌氧降解菌.CF在有氧、缺氧和无氧条件下均有效降解.在缺氧和无氧区,CF经厌氧还原脱氯转化为二氯甲烷,部分二氯甲烷在Dehalobacter（脱卤素杆菌属）作用下产生乙酸盐、H₂和CO₂.在有氧区,其余二氯甲烷通过甲烷氧化菌共代谢降解.改变进气口通量发现,SLCS对甲烷的去除率与通量呈负相关关系（R²=0.80）,但甲烷氧化速率与通量呈正相关关系（R²=0.90）.与甲烷类似,SLCS对CF的去除率与进气口通量呈负相关关系（R²=0.86）,但降解速率与进气口通量呈正相关关系（R²=0.89）.此外,进气口通量的增加对CF好氧共代谢降解的促进作用大于厌氧还原脱氯降解.该研究对氯代烃类污染物的降解提供了新的基础,对该类污染物的原位生物修复提供了理论依据.     

石油污染土壤的植物修复研究进展

石油的开采、加工、输送及使用过程中,对大气、土壤、水体带来了严重污染,对土壤环境的危害尤为严重。植物修复以其处理成本低、吸收污染物的生物量大等优点已成为人们普遍能接受的去除污染物的首选技术。植物主要通过三种途径去除土壤中有机污染物,即植物直接吸收有机污染物;释放分泌物和酶,刺激根区微生物活性和生物转化作用;增强根区的矿化作用。植物修复石油烃污染土壤的影响因素有:环境条件、污染物的浓度和滞留时间、营养元素、表面活性剂、根系分布等。通过植物-微生物联合修复、机械-微生物-植物多技术联用等措施,可提高石油烃的降解率。     

微塑料对环境介质中氮循环的影响研究进展

微塑料作为一种新污染物,在全球范围内引发了广泛关注.微塑料在威胁生物体健康的同时,也会通过定殖微生物等途径影响氮素正常的循环过程,但相关研究仍相对匮乏.本文在简述当前微塑料污染现状的基础上,介绍了微塑料对污泥、水、沉积物和土壤4种环境介质中氮循环的影响研究进展,并重点分析了微塑料作用下不同环境介质中氮转化过程的响应及作用机制.结果表明:当前微塑料影响氮循环的研究主要集中于污泥和土壤,对水环境和沉积物中的研究相对较少;环境介质和微塑料的聚合物类型、浓度、粒径等因素都会导致微塑料对氮循环的影响产生明显差异.进一步分析发现,微塑料主要通过影响氮转化相关的微生物、酶活性和功能基因以及改变氧通量等来影响硝化和反硝化等过程,其中,微生物受塑料添加剂释放的影响较大,微塑料自身也可能作为有机底物促进相关功能菌的生长;硝化和反硝化过程中关键酶及功能基因也会对微塑料的影响产生响应,进而影响氮循环过程.此外,微塑料能够通过改变沉积物的孔隙度增加氧通量,增强硝化作用.在后续研究中应重点关注微塑料参与氮循环的环境驱动机制,阐述其在潜流带等地球关键带中的作用路径,为全面评估微塑料对生态环境健康的影响提供支持.      

全氟和多氟烷基化合物微生物降解与转化研究进展

全氟和多氟烷基化合物(PFASs)因其持久性、长距离迁移性、生物积累性和生物毒性而受到广泛关注.目前世界上对环境中PFASs的监测和管控主要针对全氟烷基酸(PFAAs).而大部分多氟烷基化合物在环境中能够被微生物降解为PFAAs,也被称为前体物.因此,探究前体物在环境中的微生物转化行为有助于综合评价PFASs的环境风险,以及制定相关的管控和修复措施.虽然PFAAs一直被认为是环境中的“永久化合物”,但近年来,PFAAs的厌氧微生物还原脱氟作为一项极具潜力且充满挑战的修复技术,成为研究的一个前沿热点.系统总结了前体物(氟调化合物和全氟辛烷磺胺衍生物)、 PFAAs和新型PFASs在微生物作用下的降解规律和转化路径,并讨论了PFASs微生物降解的影响因素,最后提出未来的研究方向.     

高原生境下A2O工艺对污水处理的微生物机制

基于Illumina MiSeq高通量测序技术,以高原生境下A²O工艺的活性污泥为研究对象,探讨不同温度下微生物群落结构、丰度及相关性.结合污染物分解、吸附及转化等代谢过程中的主要功能蛋白、功能基因、酶的种类及丰度在碳、氮、磷等污染物代谢途径中的作用,从生物化学和分子水平的角度分析了高原地区A²O工艺对污水处理的微生物学机制.结果表明：优势细菌门为变形菌门、拟杆菌门、放线菌门、厚壁菌门及绿弯菌门,优势细菌属为norank_f__AKYH767、腐败螺旋菌、Ottowia、伯克氏菌、IMCC26207、Novosphingobium.污染物去除和微生物群落发挥作用的效果在15℃为最优,微生物群落的COG、代谢途径、基因和酶活性最适宜的温度为20℃.主要功能蛋白为一般功能预测、氨基酸运输与代谢和基因转录;主要代谢途径为：ABC转运蛋白,细菌双组分调节系统,嘌呤、核糖体及嘧啶等代谢,主要功能基因的产物（酶）为：烯酰辅酶A水合酶、乙酰辅酶A C-乙酰转移酶、醛脱氢酶（NAD⁺）、硫代硫酸盐及外多磷酸酶.