文丨小志一直说

编辑丨小志一直说

(资料图)

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前言

碳氢化合物与土壤中重金属的共同污染通常会使生物修复复杂化并阻碍生物修复。对受污染场地的场地特异性降解剂进行综合表征有助于确定原位生物修复过程是否足够。

苯和甲苯

微观世界用于研究0.23mM苯或0.19mM甲苯在不同浓度的Pb和Cd下的降解。从接收大型停车场径流的雨水保留盆地收集的土壤被用来播种微观世界，测量烃降解时间和速率。在进一步对苯和甲苯进行修饰和降解后，使用16SrRNA基因扩增子测序和定量PCR来确定在不同浓度的重金属下富集的微生物群落。

甲苯和苯的初始降解时间分别为7至9天和10至13天。尽管存在金属共污染物的浓度和存在，每种碳氢化合物的降解率相似，但是每种条件下富集的微生物群落不同。

没有金属共污染物的微观世界含有多种推定的苯和甲苯降解细菌，Cd大大降低了微生物群落的丰富度，重金属含量较高的属，例如 Cd大大降低了微生物群落的丰富度。

重金属含量较高的属，在重金属共污染的变化下，可以形成高效的苯和甲苯降解聚生体，但聚生体取决于重金属的类型和浓度。

苯和甲苯是芳香烃，是原油和精炼石油产品的天然成分。当土壤和地下水发生石油和石油污染时，苯、甲苯和类似化合物通常难以处理。苯对饮用水的最低污染水平很低，通常控制着生物修复的需要。

对污染场地特定场地降解剂的全面表征有助于确定原位生物修复过程是否对治疗目标有效，或者该场地是否需要进行生物刺激或生物强化处理以提高生物修复率。

土壤和地下水中有机污染物与重金属的共同污染极为普遍。石油的天然金属含量高达10%w/w，通常包括铁、铜、镍和钒。1980年之前，美国将铅作为标准燃料添加剂添加到精炼石油中。

美国的许多受污染场地都受到独立的重金属和石油污染源的影响，例如工业设施、垃圾填埋场、危险废物处理和处置场。共污染物的浓度和类型对于了解对碳氢化合物降解微生物群落的影响非常重要。

重金属共同污染对于生物修复来说是个问题。高浓度的Pb和Cd与毒性密切相关，会阻碍碳氢化合物降解微生物的生长和活性。即使是少量的金属也能显著降低石油产品的生物降解性。

假设是重金属毒性会导致较低的降解率，并且独特的细菌聚生体会在不同浓度的Cd和Pb共同污染下得到丰富。使用从雨水排放盆地收集的这种土壤接种物，苯和甲苯的降解速率和完成时间不受金属浓度的影响，在每种条件下富集的降解群落不同。

浓度检测

通过微观隔膜从微观世界中提取0.1mL顶空样品，并使用气密注射器注入GC-FID。进样口在250°C下以不分流模式运行，FID检测器设置为300°C，恒温箱温度为100°C。将100mL去离子水添加到160mL血清瓶中，高压灭菌，通过母液添加苯或甲苯以获得目标浓度。

在苯的0.011至0.45mM和甲苯的0.009mM至0.38mM的水溶液浓度范围内制备了五个标准品。注射器用己烷冲洗并在注射之间用汉密尔顿注射器清洁剂通过加热和真空抽空。

每次测量都进行技术重复，对技术重复的峰面积进行平均，使用标准曲线计算苯或甲苯的浓度，并通过取ln对每个单独微观世界的时间数据的斜率计算一级降解率。

在最终确认苯或甲苯降解后，摇动微观世界，通过截止巴斯德移液器将1.5mL混合浆液转移到微量离心管中。

以5000×g离心10分钟将样品沉淀，除去100µL上清液以外的所有上清液，使用DNeasyPowerSoilKit对剩余样品进行DNA提取。按照制造商的说明，使用Quantus荧光计和dsDNA系统试剂，一式三份地测量最终DNA浓度。

细菌群落

在所有测试的Pb和Cd浓度下，土壤细菌降解微观世界中的苯和甲苯。苯的一级降解率为0.28至0.39天，完全降解发生在10至13天之间。甲苯降解速率通常高于苯，范围为0.37至0.51天。在7到9天之间观察到甲苯完全降解。许多微观世界有1天的延迟时间降解甲苯。

虽然降解率相似，但形成的微生物群落是独一无二的。针对从扩增子测序中确定的主要社区成员的qPCR检测，测量了复制微观世界中的39个系统发育组和所有测试的重金属浓度。当存在铅或镉共同污染时，苯和甲苯降解细菌群落发生了变化。

甲苯降解微观世界中0.44µMCd的共同污染导致10个测量的系统发育组显着减少，440µMCd导致17个组显着减少。甲苯降解对照微观世界中三个最丰富的组是一组孢子八叠球菌和类孢子八叠球菌属、海绵溶菌杆菌。

孢子八叠球菌和类孢子八叠球菌组是6.96±0.08log 10单位的16SrRNA基因mL 在不含Cd的甲苯降解微观世界中，在含0.44µMCd的微观世界中略微降低至6.35±0.22对数单位。更高含量的Cd不会进一步显着降低这种丰度。

Nitrosospira是铵氧化细菌，很可能使用经过矿物介质改良的铵作为电子供体而不是碳氢化合物。解氮藻在0.44µMCd共同污染的微观世界中，是6.09±0.17log 10单位的16SrRNA基因mL -1并且在具有440µMCd的微观世界中是6.98±0.46log 10单位。

红球菌属同样显示出更高的丰度和连续更高的Cd共污染。在甲苯降解对照中，16SrRNA基因mL -1为5.54±0.07log 10单位，但在具有440µMCd的微观世界中为6.90±0.19log 10单位。

与Pb共污染的甲苯降解微观世界与低浓度Cd污染的微观世界有一些相似之处。与无金属对照相比，0.24µMPb共污染微观世界有15个系统发育组，丰度显著降低。

红球菌属spp.，在0.24µMPb共同污染的微观世界中显着更高。随着Pb含量的增加而增加，在具有240µMPb的微观世界中达到7.28±0.12log 10单位的16SrRNA基因mL -1。

亚硝基螺菌属当存在2.4µM或更多Pb时，在Pb共同污染的微观世界中也得到了丰富。Nitrosospira在240µMPb中增加到7.45±0.17log 10单位的16SrRNA基因mL -1。

苯降解

从雨水径流盆地收集的土壤可以对苯和甲苯进行苛刻的降解。在土壤环境中，甲苯和苯吸附到固体上很可能导致较低的碳氢化合物生物利用度，导致较低的降解率。

金属吸附和形态也可能很复杂。由于Cd或Pb的共同污染，降解率和滞后时间并未显著降低，甲苯的降解率高于苯。如果甲苯是唯一的碳源和能源，它在有氧条件下很容易生物降解。

金属缺乏抑制作用是出乎意料的。由于破坏直接参与生物降解的酶活性，重金属可以阻止污染物的生物降解。在生物修复中，金属对污染场地有机污染物降解的毒性已得到充分证明。

在Cd和Pb共污染浓度范围内添加苯或甲苯后，用qPCR测量了39个微生物群。有10个组超过10 7个拷贝的16SrRNA基因mL -1，另外17个组比10 6个拷贝的16SrRNA基因mL -1更明显。

该土壤含有大量不同的甲苯和苯降解物。这一土壤中假定的碳氢化合物降解剂的多样性以及在各种金属条件下降解苯和甲苯的能力与生物保险理论一致，指出生物多样性缓冲生态系统功能以抵抗环境波动的破坏性影响。

从生态学的角度来看，一些理论和实证论据提出了为什么应该期望物种反应的多样性来缓冲生态系统免受环境波动的影响，增强生态系统功能的稳定性。

生物多样性确保生态系统功能不会出现极端情况，并且可以增强波动环境中的生态系统功能。细菌能适应重金属污染，一个敏感的物种可以适应重金属，比那些已经可以抵抗污染物的物种更具竞争力。这种竞争在土壤系统中非常激烈。

苯降解微观世界中存在的主要细菌少于甲苯降解微观世界。与甲苯降解剂相比，苯降解剂的范围更小。当重金属与BTEX和MTBE一起存在时，样本会产生明显不同的群落概况。重金属的存在降低了细菌群落的多样性和整体群落结构的差异。

大多数测量的属都被认为是甲苯或苯降解剂。例外情况包括Nitrosospira，这是一种铵氧化细菌，最有可能利用与矿物质培养基一起添加到所有微观世界的铵。Nitrosospira被发现可以耐受重金属。

另一个例外是Aurantisolimonas属，它最近才包含一个分离并命名的菌株，这种微生物是甲苯和苯对照微观世界中较为丰富的成员之一，并且受到大量Cd共同污染的负面影响。需要进一步研究以确定这种细菌属是否具有能够生物降解甲苯或苯的菌株。

检测到的细菌属通常存在于苯和甲苯降解培养物中，包括假单胞菌属、固氮弧菌属和红球菌属。

Cupriavidus和Ralstonia like属被发现在受Cd污染的甲苯降解微观世界和苯降解微观世界中具有Pb或Cd的优势。它在大多数高Pb-甲苯中的丰度较低，在这些条件下不如存在的其他属和与Cd或Pb共同污染的苯样品具有竞争力。

Azoarcustolulyticus起源于与固氮作用和反硝化作用相关的土壤，之前已发现它可以降解甲苯或苯酚等芳香族化合物。Azoarcus存在于具有高丰度亚硝化单胞菌属的微观世界中，亚硝化单胞菌将氨氧化成硝酸盐。

反硝化作用可能是其他微生物变化的一个因素，因为包括假单胞菌和溶杆菌属在内的几种细菌通常能够进行反硝化作用。微生物群落对改良金属的改变也未确定，但也可能增加共同污染环境的复杂性。

结论

寻找对重金属毒性有抵抗力并能同时降解苯和甲苯的微生物对于共同污染场地的修复工作至关重要。不同甲苯和苯降解种群的土壤微生物群落显示出在不同浓度的Cd和Pb下降解苯或甲苯的能力。

无论是本地种群还是具有不同降解者种群的生物强化培养物，都会增加在共同污染环境中成功的机会。

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