菌群中关键菌株降解酚类废水、本征动力学及环境代谢组学解析.pdfVIP

摘 要 含酚废水成分复杂，往往含有多种酚类化合物，如苯酚、间甲酚和4-氯酚， 在其降解过程中存在复杂的相互作用。微生物菌群的代谢功能有机结合有利于复 杂酚类化合物的协同降解。针对以上问题，本文开展了降解多酚污染物菌群的定 向筛选，酚类混合物共同降解的动力学表征，以及酚类混合物相互作用机制的环 境代谢组学研究。 首先，以活性污泥为起始材料，成功筛选出了6 株酚类降解菌，并通过生理 生化和 16SrRNA 基因序列分析表明这些菌株分别为：Pseudomonas sp. cbp1-1, Pseudomonas sp. cbp1-3, Sphingobacterium sp. cbp2, Stenotrophomonas sp. cbp3, Ochrobactrum sp. cbp4 和 Pseudomonas sp. df1 。菌株 cbp1-3 完全降解200 mg/L 苯酚、100 mg/L 间甲酚和100 mg/L 4-氯酚所需时间为22 小时，而以优势菌株 cbp1-3、df1 和cbp4 组成的菌群完全降解混合酚所需时间缩短为 16 小时，菌体 量增大了100%。 再次，选取高效菌Pseudomonas sp. cbp1-3，进一步研究了苯酚、间甲酚和 4-氯酚降解过程中的相互作用机制，在浓度小于300 mg/L 时苯酚和间甲酚能够 促进4-氯酚的降解，而高于300 mg/L 时抑制4-氯酚的降解，而仅仅60 mg/L 的 4-氯酚可以明显的抑制其他酚类化合物的降解。通过模拟酶反应，建立了基于三 底物的纯菌株生长本征动力学模型，模型和和实验数据点拟合程度较好。并且参 数敏感性分析表明模型中底物相互作用参数f i 最具有敏感性，说明了底物之间的 相互作用在菌体生长和酚类降解中起着很重要的作用。 最后，采用环境代谢组学手段，进一步研究了菌株 cbp1-3 降解苯酚和4-氯 酚的底物相互作用机理。酚类化合物促使细胞内蛋白质降解，抑制氨基酸合成， 并大大抑制了细胞内的糖酵解途径，戊糖途径和三羧酸循环，降低细胞能量代谢 水平，促使胞内高级脂肪酸产生大量积累，引起细胞膜的通透性强烈变化，同时 诱发氧化胁迫，促使细胞多胺类物质和还原性含硫氨基酸等抗毒性和抗氧化性物 质的积累，起到自我保护作用。最重要的是4-氯酚能够广谱性抑制细胞内含苯环 的有机酸和醇的转化。与苯酚降解时相比，在4-氯酚降解时儿茶酚的积累水平上 升到2.5 倍，混合酚降解时其积累水平又下降到 1.5 倍，说明4-氯酚通过抑制儿 茶酚的转化来抑制苯酚代谢，苯酚自身能够缓解这种抑制作用。苯酚能够促使 4-氯酚经氢醌和苯三醇这一途径降解。 关键词： 酚类废水 菌群 动力学模型 环境代谢组学 ABSTRACT Real phenolic wastewater, containing various phenolic compounds such as phenol, m-cresol and 4-chlorophenol, was so complex that the biodegradation processes are very complicated with kinds of substrates interactions. Microbial consortia with the members metabolism function integrated benefits the co-metabolism of the complex phenols in wastewaters. Thus, objects of this paper were the screening of microbial consortia to degrade phenols effectively, the interactions