厌氧微生物修复多氯联苯污染：解析美中对比

我们采用qPCR 方法研究了沉积物微环境中脱氯相关细菌的16S rRNA基因。图3.13 是各实验组中Dehalococcoides 16S rRNA 基因拷贝数随时间的变化情况。由图可见，哈德逊河沉积物和格拉斯河沉积物本底的Dehalococcoides 水平即有较大差别。时间零点时，格拉斯河的Dehalococcoides 16S rRNA基因水平是哈德逊河的10 到20 倍。通常，我们认为脱氯反应之所以有滞后期，是因为脱氯菌的浓度不够，需要经过一定时间使得脱氯菌浓度达到一定水平才开始进行快速脱氯反应。两种沉积物中天然Dehalococcoides 水平的差异可以用来解释为什么哈德逊河沉积物微环境反应的滞后期要比格拉斯河的长。在H-1 和H-2 组中，当反应分别进行了6 周和9 周后，Dehalococcoides 16S rRNA 基因水平提高了一个数量级。而第6 周和第9 周也恰恰是脱氯现象开始被观察到的时期。这个发现说明了Dehalococcoides 的生长和多氯联苯的脱氯相关。前文已经提到，格拉斯河沉积物微环境中的脱氯现象比哈德逊河沉积物微环境中的脱氯要广泛。然后，反应9 周后，哈德逊河沉积物微环境组（H-1、H-2）的Dehalococcoides 16S rRNA 基因水平比格拉斯河沉积物微环境组（G-1、G-2）中的还要高。这个结果说明两种沉积物中的Dehalococcoides菌种/株并不相同。而且，在脱氯进行中，格拉斯河沉积物中Dehalococcoides 的增长并不如哈德逊河沉积物中增长得明显。这有两种可能的解释。第一种是因为格拉斯河本身有较多的Dehalococcoides 可以利用其他天然电子受体获得生长需要的能量，当添加了多氯联苯后，这些Dehalococcoides 改为利用多氯联苯作为终端电子受体获取能量；第二种可能是由于所用Dehalococcoides 引物是非菌种/株特异性引物，因而无法追踪某些相关种群的变化，多氯联苯的添加可能改变了Dehalococcoides 群落结构，但这种变化无法在属层面的Dehalococcoides 16S rRNA 基因水平上表现出来。值得注意的是，长时间的反应后（＞36 周）所有实验组的Dehalococcoides 16S rRNA基因仍保持在高水平，这意味着继续脱氯的能力依旧可能存在。对比51周时的哈德逊河和格拉斯河沉积物微环境发现，格拉斯河沉积物中Dehalococcoides 16S rRNA 基因拷贝数超过了哈德逊河沉积物，这很可能和格拉斯河沉积物表现的更广、更持久的脱氯活性有关，也可能与启动的邻位脱氯有关。

图3.13 H-1、G-1、H-2、G-2 组中Dehalococcoides 16S rRNA 基因随时间的变化

脱氯菌o-17/DF-1 16S rRNA 基因拷贝数随时间的变化如图3.14所示。总体上看，o-17/DF-1 16S rRNA 基因水平和沉积物类型有关。在哈德逊河沉积物微环境中，多氯联苯脱氯的启动并没有伴随着o-17/DF-1 的显著增加，这意味着哈德逊河沉积物中缺少活性o-17/DF-1 相关种群。与之相对，在格拉斯河沉积物微环境中o-17/DF-1 的增加较为明显，说明o-17/DF-1 在其中可能起到催化邻位脱氯和/或双侧氯取代的间位和对位脱氯的作用。结合联苯单体化学分析的结果，我们认为，o-17/DF-1 16S rRNA 基因水平的变化在反应前半段主要是由于体系中双侧氯取代的间位和对位氯原子较多，DF-1在起作用。此后，o-17 参与到反应中，起到邻位脱氯作用。由于我们使用的16S rDNA 探针并不能区分o-17 和DF-1，因而这个推断暂时无法得到验证。

图3.14 H-1、G-1、H-2、G-2 组中o-17/DF-1 16S rRNA 基因随时间的变化(www.xing528.com)

虽然上面已经讨论了Dehalococcoides 和o-17/DF-1 16S rRNA 基因的水平的变化，但是并不能完整地给出微生物群落变化规律。图3.15 绘制了Dehalococcoides 16S rRNA 基因拷贝数与Bacteria 16S rRNA 基因拷贝数的百分比值随时间的变化。与未添加多氯联苯的对照组H、G 相比，在添加了多氯联苯的哈德逊河和格拉斯河沉积物微环境组H-1、H-2、G-1、G-2 中Dehalococcoides 均呈现显著的选择性富集，进一步证实Dehalococcoides 的生长和多氯联苯的脱氯相关。值得注意的是，Dehalococcoides 所占的比例在哈德逊河沉积物微环境中（H-1：1.6～28.5%；H-2：0.8～7.1%）要远远高于其在格拉斯河沉积物微环境中（G-1：0.1～1.0%；G-2：0.1～0.9%）。这个现象说明，添加了多氯联苯的格拉斯河沉积物中的细菌群落结构要更复杂，有可能存在多种微生物的脱氯共代谢作用，从而使得格拉斯河的多氯联苯脱氯作用强于哈德逊河。

图3.15 H-1、H-2、H，G-1、G-2、G 组中Dehalococcoides 16S rRNA 占总Bacteria 16S rRNA基因的百分比值随时间的变化

另一方面，o-17/DF-1 并未在细菌群落中选择性富集。考虑到哈德逊河沉积物中o-17/DF-1 16S rRNA 基因始终保持在低水平，我们有理由认为o-17/DF-1 在哈德逊河沉积物中起到的脱氯作用微乎其微。而在格拉斯河中，o-17/DF-1 16S rRNA 基因的增长速度也没有超过总Bacteria 的增长速度，所以尽管o-17/DF-1 的脱氯作用存在，但其并非脱氯的优势菌群。