外加碳源对多氯联苯脱氯的刺激作用：国际微生物修复研究

如上文所述，在常规的51 周反应过程中，添加了FeOOH 的哈德逊河沉积物微环境中的产甲烷活性和多氯联苯脱氯活性都被完全抑制，在添加了FeOOH 的格拉斯河沉积物微环境中的产甲烷活性和多氯联苯脱氯活性则被部分抑制。在铁还原条件下，理论上需要更多的有机碳来和铁还原的半反应配合。以Fe3+为电子受体，CH3COO-为电子供体的反应方程式如下：

和第3章第4章中外加碳源的设计类似，本研究分别在反应进行27 周、30 周和36 周后三次在部分沉积物微环境中添加了乙酸（7.5 mmol/kg）或混合脂肪酸（乙酸、丙酸、丁酸各2.5 mmol/kg）继续反应，并在30 周、36 周和51周时分别取样与未添加碳源的微环境进行比较。表5.1 为补充碳源后沉积物微环境中甲烷的产量。从表中可以看出，在补充第二次碳源后产甲烷菌开始逐渐恢复了活性。值得注意的是在添加了FeOOH 的哈德逊河沉积物微环境中出现三个平行样产甲烷差别较大的情况，而在格拉斯河沉积物微环境中三个平行样的产甲烷量则非常接近。伴随甲烷的生成，哈德逊河沉积物微环境中的Fe（II）浓度也有所升高。如图5.13所示，补充乙酸的H-1-Fe 组比未补充碳源的H-1-Fe 组在51 周时Fe（II）显著升高。补充脂肪酸的H-1-Fe 组则在36 周和51 周时都比未补充的有显著提高。补充乙酸或脂肪酸的H-2-Fe组中则仅在补充了脂肪酸的第51 周样品中Fe（II）上升明显。研究表明，以Geobacter 为主的铁还原菌是通过三羧酸循环把Fe（III）还原和乙酸等有机电子供体的氧化组合起来［156，157］。因此，向哈德逊河沉积物微环境中补充适当的电子供体可以促进Fe（III）还原。

表5.1 添加了FeOOH 的沉积物微环境在补充碳源后的甲烷产量（mmol/kg）

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图5.13 铁还原条件下哈德逊河沉积物微环境中补充碳源和未补充碳源时Fe2+的浓度AC：乙酸；CS：混合脂肪酸

*：补充碳源和未补充碳源的样品有显著性差异（p ＜0.05）

在未能观察到多氯联苯脱氯现象的哈德逊河沉积物微环境组H-1-Fe 和H-2-Fe 中，补充碳源除了产甲烷作用和铁还原作用得到增强，多氯联苯的脱氯反应也开始进行。表5.2 是母体多氯联苯在36 周和51 周时的浓度。母体多氯联苯浓度平均降低了3%到20%。脂肪酸和乙酸的添加均可以促进脱氯。化学分析显示，脱氯路径主要是和有侧位氯取代的间位氯原子和有侧位氯取代的对位氯原子脱氯相关。然而，脱氯启动后在补充了碳源的H-1-Fe组和H-2-Fe 组中Dehalococcoides 并没有明显增加，这表示可能存在其他的脱氯微生物。曾有研究发现产甲烷菌自身可以具备一定的脱氯能力［85，96］。除了微环境体系中缺乏活性Dehalococcoides，本研究中的多氯联苯脱氯是在产甲烷作用恢复后才开始进行的，进一步说明在铁还原条件下哈德逊河沉积物微环境中的脱氯很有可能和产甲烷菌有关。本研究还发现，在添加了FeOOH 的格拉斯河沉积物微环境中补充碳源并没有恢复UF Para 脱氯活性从而使得整体脱氯程度有所提高，但是补充碳源可以促进母体多氯联苯的降解（表5.2）。此外，多氯联苯化学分析还显示，UF Ortho 脱氯在补充了乙酸或脂肪酸后得到增强。G-1-Fe 组中邻位脱氯产物在未补充碳源的微环境中在第51 周被首次检测到，而在补充了碳源的微环境中这个时间提前到第36 周。由于在铁还原条件下格拉斯河沉积物微环境缺乏UF Para 和UF Meta 脱氯能力，PCB 25（24-3-CB）和PCB 28（24-4-CB）是主要的脱氯产物。而邻位脱氯活性又是在实验反应的后期才出现，因而两个邻位脱氯产物PCB 13（3-4-CB）和PCB 15（4-4-CB）的浓度较高，占到沉积物微环境体系中多氯联苯总摩尔数的10%～15%。而在产甲烷条件下的G-1 组，邻位脱氯产物PCB 13 和PCB 15 的量则小于5%。具体分析脱氯路径发现，在产甲烷条件下UF Para 和UF Meta 脱氯发生在邻位脱氯之前，因此仅剩下少量的PCB 25和PCB 28 可以作为邻位脱氯的母体。综上所述，本研究认为Fe（III）的添加并不能抑制邻位脱氯，且外加碳源/能量源可以对邻位脱氯有较大的促进作用。

表5.2 添加了FeOOH 的沉积物微环境在补充碳源后中的母体多氯联苯总量（mg/kg）