三价铁离子与硫酸盐对多氯联苯（PCBs）厌氧微生物脱氯作用的不同影响：基于同系物特异性及微生物群落分析的见解

《Environmental Research》：Distinct impacts of ferric iron and sulfate on anaerobic microbial dechlorination of polychlorinated biphenyls (PCBs) : insights from congener-specific and microbial community analyses

　　

摘要

厌氧微生物脱氯作用有助于多氯联苯（PCBs）在沉积物中的自然衰减。然而，在富含铁和硫酸盐的沉积物中，竞争性电子受体对其影响尚不明确。本研究比较了FeOOH（40 mmol/kg 泥浆，T-Fe）和硫酸盐（16 mmol/kg 泥浆，T-S）添加对太湖湖底沉积物微型生态系统中PCB脱氯的影响，该系统接种了特定PCB混合物（50 mg/kg 泥浆）。实验包含一个未添加对照组（T-1）。经66周培养后，与T-1相比，T-Fe中残留总PCB质量高出4.68%，T-S中高出14.15%。在测试的添加条件下，硫酸盐在太湖沉积物微型生态系统中对PCB脱氯的抑制作用比FeOOH更强且更持久。邻位脱氯在两种处理中均受到限制。硫酸盐进一步抑制了间位和对位脱氯，并维持了更高的二噁英样毒性。T-Fe表现出与T-1相似的脱氯途径，而T-S改变了脱氯途径：单个环上带有两个邻位氯的异构体（PCB 64、71、149）基本未被脱氯，且高氯化异构体（PCB 153、170）的间位/对位脱氯受到阻碍。两种电子受体沿不同轨迹重塑了微生物群落。在Fe(III)还原条件下，早期培养阶段Fe(II)快速积累，而后期培养阶段Chloroflexi增加。Dehalogenimonas富集，还原性脱卤酶（RDase）基因（ardA、rdh12、pcbA4和pcbA5）增加了1–2个数量级。在硫酸盐还原条件下，利用醋酸的Desulfococcus和Desulfobacca与脱氯菌竞争碳源和电子。Dehalococcoides富集极少，RDase基因仅增加约1个数量级。这些发现推进了对竞争性电子受体如何影响PCB脱氯速率、程度及途径选择性的理解。

引言

多氯联苯（PCBs）于1929年首次被制造，因其电阻率、不可燃性、化学稳定性和低水溶性而作为介质和液压流体被广泛使用（J. Brown et al., 1987; Mai et al., 2005; Quensen et al., 1988）。这些特性也使PCBs具有持久性，主要积累在土壤和沉积物中（Harrad et al., 1994; Lu et al., 2021; Nakata et al., 2006）。PCBs沿食物网生物放大，对人类健康构成风险，尤其值得关注的是早期神经发育影响，包括认知和运动发育受损、行为异常以及与孤独症谱系障碍（ASD）的潜在关联（Lyall et al., 2017; Schantz et al., 2003; Simhadri et al., 2020）。尽管PCBs于2001年被《斯德哥尔摩公约》列为持久性有机污染物（Simhadri et al., 2020），但它们在全球各地的环境介质和生物体中仍可被检测到（Berninger and Tillitt, 2019; Gerig et al., 2020; Hashmi et al., 2022; Lu et al., 2021）。因此，修复PCBs污染场地仍然是优先事项。

微生物修复是一种有前景的PCBs消除策略，因为它具有成本效益且与环境相容。在沉积物中，PCBs可通过微生物还原性脱氯进行脱氯和解毒（J. F. Brown et al., 1987; Kjellerup et al., 2008; Qiu et al., 2020）。有机卤化物呼吸细菌（OHRB），尤其是Dehalococcoides，在此过程中起核心作用。Dehalococcoides mccartyi菌株195（Fennell et al., 2004）、CBDB1（Adrian et al., 2009）、CG-1、CG-4、CG-5（Wang et al., 2014; Wang and He, 2013）、JNA（LaRoe et al., 2014）主要负责去除夹持的间位和对位氯。非Dehalococcoides Chloroflexi表型DEH10、SF1和SF2（Fagervold et al., 2007, 2005）也参与夹持的间位/对位脱氯，而o-17菌是唯一已确定的邻位脱氯菌（Cutter et al., 2001）。有机卤化物呼吸细菌编码的还原性脱卤酶（RDase）基因直接催化脱氯反应（Hug et al., 2013; Magnuson et al., 2000）。在Dehalococcoides mccartyi中，已鉴定出12个保守的RDase基因（rdh01–12），作为菌株195和CBDB1之间的共享核心（Park et al., 2011），而若干菌株特异性RDase——包括分别存在于菌株CG1、CG4和CG5中的pcbA1、pcbA4和pcbA5——已被确认为太湖沉积物中长期PCB脱氯的关键驱动因子（Xu et al., 2023, 2022, 2024）。最近表征的RDase基因，如来自菌株CG3、SG1和MB的CG3-RD11、SG1-RD28和mbrA，进一步扩展了有机卤化物呼吸的功能谱系（Wang et al., 2019; Wiegel and Wu, 2000）。

太湖是中国第三大淡水湖，因人口密集和经济发展迅速而承受着强烈的生态压力。有机卤化物污染物，包括PCBs、PBDD/PBDFs和PCDD/PCDFs，在该湖中频繁被检测到（Dong et al., 2024; Li et al., 2019; Xu et al., 2015）。我们的初步研究表明，太湖湖底沉积物在108周内持续脱氯，并表现出罕见的邻位氯去除能力（Xu et al., 2022）。在还原性脱氯过程中，PCBs充当电子受体，脱氯强烈依赖于微生物群落结构和沉积物地球化学特性（Park et al., 2011; Payne et al., 2011; Yan et al., 2006）。太湖沉积物富含铁，Fe含量超过3.0 × 10⁴ mg/kg（Qin et al., 2006; Xu et al., 2021），而长期富营养化和人为输入使上覆水中硫酸盐浓度增加至约100 mg/L，沉积物中为311 mg/L（Zhou et al., 2024）。这些本地地球化学特征促使我们测试Fe(III)和硫酸盐作为具有代表性的竞争性电子受体，以研究其对PCB脱氯的影响。

Fe(III)可抑制PCBs的微生物还原性脱氯，但抑制效应具有沉积物特异性，程度各异。Morris等（1992）报道在哈德逊河沉积物中添加50 mmol/L Fe(III)后PCB脱氯降低。Xu等（2018）进一步表明，在低铁哈德逊河沉积物（约19 mmol/kg 泥浆）中40 mmol/kg FeOOH完全抑制脱氯，但在铁含量更高的Grasse河沉积物（约64 mmol/kg 泥浆）中效应较弱。这些对比表明，本地地球化学特性和微生物群落组成调控抑制严重程度以及PCB脱氯速率、程度和途径（Edwards et al., 1992）。在广东某河沉积物构建的开放回路反应器中，添加α-Fe₂O₃增强了PCB 61（2,3,4,5,6-CB）的脱氯，可能是因为高有机质含量（14%）补偿了Fe(III)施加的额外电子供体需求（Wei and Finneran, 2011; Xu et al., 2018）。硫酸盐也以浓度和沉积物依赖的方式影响PCB脱氯（Cho and Oh, 2005; May et al., 1992; Xu et al., 2019）。在哈德逊河沉积物中，20 mM硫酸盐完全抑制PCB脱氯，而16 mM硫酸盐仅部分抑制脱氯，特别是在间位（May et al., 1992; Xu et al., 2019）。Cho和Oh（2005）表明3.0–23 mM硫酸盐产生不同的抑制程度和子代异构体谱。硫酸盐还原菌（SRB）可能与脱氯菌竞争碳源和电子供体，但一些研究表明，在硫酸盐耗竭后，SRB相关群落可以促进脱氯（Cho and Oh, 2005; Morris et al., 1992; Zwiernik et al., 1998）。例如，在某些系统中，PCB 65（2,3,5,6-CB）和PCB 61（2,3,4,5,6-CB）在硫酸盐还原条件下的脱氯得到增强（Chang et al., 2001; Palekar et al., 2003）。因此，Fe(III)和硫酸盐对PCB脱氯的影响仍然是系统特异性的，且与微生物群落和RDase基因的时间序列关联仍然有限。

以往研究表明Fe(III)和硫酸盐均可单独影响PCB脱氯，但跨独立实验的比较因沉积物地球化学、微生物接种物、PCBs组成和培养条件的差异而受到混淆。因此，目前尚不清楚Fe(III)和硫酸盐是否仅在抑制PCB脱氯的幅度和持续时间上存在差异，还是它们在同一沉积物系统中对脱氯途径、异构体转化和微生物群落演替产生不同效应。在此，我们使用相同的太湖沉积物、特定PCB混合物和培养液，在完全相同的条件下比较了FeOOH（40 mmol/kg 泥浆）和Na₂SO₄（16 mmol/kg 泥浆）的效应，并在66周培养期间多个时间点采集样品。我们比较了FeOOH和硫酸盐对（1）PCB脱氯速率和程度的影响，（2）脱氯途径和单个PCB异构体偏好性的影响，以及（3）微生物群落结构变化以及潜在脱氯类群和RDase基因丰度变化的影响。

章节摘录

微型生态系统设置

测定了太湖沉积物样品的理化性质以表征本地沉积物背景。沉积物呈微酸性至中性，pH值范围为6.2至7.2。平均总有机碳含量为0.98%（范围：0.36–2.46%）。硫酸盐浓度范围为156至3880 mg/kg干沉积物，平均为1430 mg/kg干沉积物；总Fe浓度范围为2.34 × 10⁴至3.61 × 10⁴ mg/kg干沉积物，平均为3.00 × 10⁴

沉积物微型生态系统中PCBs的变化

PCB 209在各项处理和所有采样时间点的回收率为90.8%至99.8%，符合PCB分析的质量控制标准。无菌对照组中未观察到PCB脱氯（图S1），证实微型生态系统中观察到的厌氧PCB脱氯为微生物介导的。FeOOH和硫酸盐均延长了滞后期并减少了PCB脱氯，其中硫酸盐抑制作用更强。与T-1（3周）相比，滞后期延长至6

结论

FeOOH和硫酸盐均可改变太湖沉积物微型生态系统中的PCB脱氯，但在严重程度、持续时间及途径效应方面有所不同。FeOOH对总PCB脱氯的影响在第66周变得不再明显，但邻位脱氯和潜在脱氯群落仍与T-1不同。硫酸盐在整个66周培养期间造成更强且更持久的抑制，选择性地阻断邻位脱氯，部分阻碍间位

CRediT作者贡献声明

许燕：写作–审阅与编辑、监督、方法论、调查研究、概念化。秦青东：监督、资源。李阳：写作–审阅与编辑、软件、资源。王莹：调查研究、形式分析。韩学新：可视化、调查研究、形式分析。唐延强：写作–审阅与编辑、写作–原稿、可视化、调查研究、形式分析

未引用参考文献

Brown等，1987年；May等，1992年；May等，2008年。

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本工作由国家自然科学基金委员会（42377020、52570235）、江苏省"青蓝工程"、中央高校基础研究基金以及江苏省高校优势学科建设工程资助。作者感谢NIGLAS分析中心的合作者对实验室设施提供的实物支持。

唐延强|韩学新|王莹|李阳|秦青东|许燕

中国江苏省南京市东南大学土木工程学院市政工程系，邮编210096