Degradation of pyrene at high concentrations in sediment and the implications for the microbiome in microbial electrochemical systems  

高濃度芘在沉積物中的降解及其對微生物電化學(xué)系統(tǒng)中微生物組的影響  

來源：Chemical Engineering Journal，496 (2024) 154324

《化學(xué)工程雜志》，第496卷，2024年，文章編號：154324

 

摘要內(nèi)容

 

摘要指出工業(yè)區(qū)沉積物中多環(huán)芳烴（PAHs）如芘（pyrene）易積累，微生物電化學(xué)系統(tǒng)（MES）雖能通過電化學(xué)耦合微生物降解修復(fù)污染，但高濃度芘會抑制系統(tǒng)效能。本研究通過代謝組學(xué)和宏基因組學(xué)揭示了高濃度芘對沉積物微生物組功能結(jié)構(gòu)和代謝動態(tài)的影響。結(jié)果表明：高芘濃度下MES的電流輸出和降解效率顯著降低，同時富集了芘降解菌（如Hydrogenophaga、Flavobacterium）；低濃度芘激活微生物碳代謝通路，而高濃度下生存相關(guān)通路（如氮代謝、電子傳遞）受抑制；高濃度芘阻礙外膜電子傳遞酶活性，導(dǎo)致胞內(nèi)電子無法向胞外受體轉(zhuǎn)移，降低MES產(chǎn)電性能。研究為工業(yè)區(qū)沉積物修復(fù)提供了理論依據(jù)和機制解析。  

 

研究目的

 

闡明高濃度芘對MES中沉積物微生物組功能結(jié)構(gòu)、代謝通路及電子傳遞鏈的影響機制，解決高濃度PAHs污染下MES修復(fù)效率低的技術(shù)瓶頸。  

 

研究思路

實驗設(shè)計：  

 

構(gòu)建三組MES反應(yīng)器，沉積物中芘濃度分別為0 mg/kg（Pyr-0）、5 mg/kg（Pyr-5）、30 mg/kg（Pyr-30），每組設(shè)三個重復(fù)。  

 

運行80天，監(jiān)測電流輸出、沉積物理化性質(zhì)（pH、總有機碳TOC、芘濃度）及芘降解效率。  

多組學(xué)分析：  

 

代謝組學(xué)：分析陽極附近沉積物代謝物，揭示芘濃度對微生物代謝通路的影響。  

 

宏基因組學(xué)：測序陽極微生物DNA，解析功能基因和酶活性變化（圖2, 5）。  

 

 

機制驗證：  

 

關(guān)聯(lián)微生物群落結(jié)構(gòu)（PCA、LDA分析）與環(huán)境因子（pH、TOC、芘降解效率）的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系（圖3）。  

 

 

量化電子傳遞鏈關(guān)鍵酶活性，驗證芘濃度對電子傳遞的抑制效應(yīng)（圖5g）。  

 

測量數(shù)據(jù)及其來源與研究意義

電化學(xué)性能：  

 

數(shù)據(jù)：Pyr-30組平均電流（0.35 mA）比Pyr-5組（0.50 mA）降低22.77%，最大功率密度降低17.22%。  

 

意義：證實高濃度芘抑制MES產(chǎn)電能力，歸因于電子傳遞受阻和微生物代謝抑制。  

沉積物理化性質(zhì)（圖1）：  

 

數(shù)據(jù)：高芘濃度（Pyr-30）下pH下降緩慢（酸化解離減少），TOC降解率降低（圖1c,d），芘降解效率顯著低于Pyr-5（圖1f）。  

 

意義：芘與有機質(zhì)結(jié)合降低其生物可利用性，抑制微生物降解活性。  

微生物群落結(jié)構(gòu)（圖2）：  

 

數(shù)據(jù)：PCA顯示微生物群落沿PC1軸顯著分化（31.15%方差）；高芘組富集芘降解菌（Hydrogenophaga, Flavobacterium），但脫硫菌（Desulfitobacterium）豐度降低。  

 

意義：芘濃度驅(qū)動微生物功能分異，高濃度下脫硫等關(guān)鍵代謝過程受抑制。  

代謝通路與酶活性（圖4, 5）：  

 

 

數(shù)據(jù)：低芘濃度（Pyr-5）激活碳水化合物代謝酶（如糖基轉(zhuǎn)移酶GTs）；高芘濃度（Pyr-30）抑制外膜電子傳遞酶（EC:2.1.1.86），同時芘降解酶多樣性增加（圖5f）。  

 

意義：高濃度芘抑制碳代謝但增強芘降解潛力，電子傳遞鏈外膜酶受阻是產(chǎn)電下降的主因。  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細研究意義

 

研究中使用的丹麥Unisense pH25微電極（尖端直徑50 μm）用于高分辨率監(jiān)測沉積物pH動態(tài)（圖1b），其技術(shù)優(yōu)勢和應(yīng)用意義如下：  

微尺度環(huán)境解析：  

 

電極可在沉積物中實現(xiàn)點位精度測量（步進分辨率50 μm），揭示芘濃度梯度下微生物代謝引發(fā)的pH微異質(zhì)性（如Pyr-0組快速酸化因微生物有機質(zhì)降解產(chǎn)酸）。  

代謝活性指示：  

 

測量顯示高芘組（Pyr-30）pH下降滯后（圖1b），表明微生物有機質(zhì)礦化活性受抑制，與TOC降解率降低（圖1c）和代謝組學(xué)中碳通路上調(diào)減弱（圖4a）相互驗證。  

生態(tài)過程關(guān)聯(lián)：  

 

pH與微生物功能網(wǎng)絡(luò)顯著負相關(guān)（圖3c），如Pyr-30組中芘降解菌與pH負相關(guān)，證實酸化環(huán)境更利于芘降解菌富集，為優(yōu)化MES的pH調(diào)控策略提供依據(jù)。  

 

結(jié)論

電化學(xué)性能：高濃度芘（30 mg/kg）顯著抑制MES電流輸出（降幅22.77%）和最大功率密度，主因是電子傳遞鏈外膜酶活性受阻。  

 

微生物響應(yīng)：低濃度芘（5 mg/kg）激活碳水化合物代謝，而高濃度芘富集降解菌（如Hydrogenophaga）但抑制脫硫菌功能；宏基因組顯示高濃度下微生物轉(zhuǎn)向生存相關(guān)通路（如氮代謝）。  

 

降解機制：芘與沉積物有機質(zhì)結(jié)合降低其生物可利用性，導(dǎo)致高濃度下絕對降解量增加但效率降低；電子傳遞鏈中胞內(nèi)電子傳遞增強，但胞外傳遞酶（EC:2.1.1.86）受抑制是產(chǎn)電下降的關(guān)鍵。  

 

應(yīng)用啟示：需針對性開發(fā)電子傳遞增強策略（如外膜酶促進劑）以提升高濃度PAHs污染沉積物的MES修復(fù)效率。