浙大何艳教授团队综述/系统认识微生物还原脱氯,面向“同一健康”优化土壤生物修复策略

学术   2024-10-14 14:00   北京  

原文信息:

HE Yan†*, LI ShuYao†, YUAN Jing, CHENG Jie, DOU JiBo, YANG XueLing & XU JianMing. A systematic understanding of microbial reductive dechlorination towards an improved “one health” soil bioremediation: A review and perspective. Sci China Tech Sci, 2024, 67: 3009–3031, https://doi.org/10.1007/s11431-024-2664-5








内容介绍




















 难降解有机氯(COPs)是指包括新兴和传统COPs污染物在内的一类危害土壤健康的全球典型持久性污染物。还原脱氯是难降解COPs最重要的环境削减方式,在该过程中,脱氯功能微生物通过厌氧脱氯呼吸电子传递链实现COPs脱毒的同时获得能量生长。然而,胞外呼吸菌在厌氧条件下氧化电子供体(如有机碳等)所产生的电子,会通过直接或间接方式传递至胞外不同电子受体(如Fe(III)、SO42–、COPs等),由此可介导土壤等复杂环境介质中电子传递在不同生源要素循环/污染转化中发生多过程耦合,调控生态系统健康演变方向。因此,阐明COPs还原脱氯削减与多个生源要素生物地球化学循环的耦合关系与微生物-化学介导机制,有助于针对土壤等典型复杂环境介质开发高效的生物修复策略,平衡污染转化与元素循环,最终实现“同一健康”的目标。

Science China Technological Sciences 2024年67卷第10期发表了题为“A systematic understanding of microbial reductive dechlorination towards an improved “one health” soil bioremediation: A review and perspective”的长篇综述。该综述由浙江大学何艳教授、博士生李淑瑶、博士窦继博和杨雪玲共同撰写完成,浙江大学徐建明教授、麻省理工大学袁婧博士、新加坡国立大学成洁博士也是共同合作者,其中,何艳和李淑瑶为共同第一作者,何艳为通讯作者。
    该综述总结了微生物-化学偶联的多生源要素氧化还原过程和驱动因素(图1),详细总结了由关键微生物介导的氧化还原过程的计量反应及其所偏好的环境条件,以及厌氧环境中不同生源要素还原过程(含产甲烷、硫酸盐还原、铁还原和反硝化过程)与还原脱氯之间可能存在的耦合关系。进一步通过阐明COPs脱氯菌群种间代谢产物交换和电子传递机制,帮助揭示脱氯过程中微生物群体的协同作用(图2)。具体而言,微生物群落中电子的可用性取决于电子产生和消耗过程之间的平衡,以及电子流在这些过程之间的分配情况(图2a)。脱氯功能群落中微生物协同耦合机制主要可以概括为:(1)关键微生物直接代谢COPs;(2)通过交换或竞争代谢来源(例如碳源、维生素B12等)进行代谢互营(图2b);(3)微生物之间通过直接(膜电子传输蛋白、纳米导线)和间接(种间氢/甲酸转移、电子穿梭体)途径进行电子交换(图2c)。

图1  还原脱氯和多种生源要素过程反应计量及驱动反应过程的关键功能微生物

图2 脱氯功能微生物群落种间互作机制

    基于上述理解,该综述提出了通过“自上而下”的自组装和“自下而上”的合成脱氯微生物群落的未来研究框架,以铺平从实验室到实际现场应用的道路(图3)。后续优化调控可通过修饰或重建微生物群落功能,或调整多个过程所消耗电子流的流向和数量等措施,以重构COP污染土壤的健康状况(图3a),具体包括:(1)自上而下地调控微生物群落组装。例如,调节电子供体增加电子总量(即开源),或调节电子受体以减少电子分流到电子竞争过程(即节流),或调节穿梭体以加速电子流速(即提速)(图3b);(2)自下而上地组装合成微生物群落。例如,选择合适的功能微生物(包括脱卤菌、产甲烷菌、硫酸盐还原菌、铁还原菌、硝酸盐还原菌等),基于目标微生物相互作用调节以组装功能最优化的微生物群落(图3c)。

图3 “自上而下”的自组装和“自下而上”的合成脱氯功能微生物群落的未来研究框架


     此外,该综述还讨论了合成微生物群落设计与应用所面临的主要挑战和展望,以提高我们对土壤等典型复杂环境介质中微生物介导还原脱氯的系统认知,以科学支撑面向“同一健康”的土壤生修复策略优化与完善。



















★ 通讯作者简介★



何艳  浙江大学求是特聘教授,浙江大学土水资源与环境研究所所长。国家自然科学杰出青年基金和优秀青年基金获得者,曾入选教育部首批青年长江学者、国家万人计划“青年拔尖人才”、十三五国家重点研发计划项目首席科学家,全国百篇优秀博士学位论文获得者。研究方向为土壤污染控制与修复、污染环境生物地球化学、土壤污染微生态与健康重建,现(曾)主持国家重点研发计划项目、国家自然科学杰出青年基金/创新研究群体项目课题/优秀青年基金、国家863计划重大项目课题、国家公益性行业科研专项课题、浙江省自然科学杰出青年基金/重大项目等,作为主要完成人的科技成果获得2016年度国家科学技术进步二等奖,近年来在Soil Biol Biochem、Environ Sci Technol、Water Res、ISME J等国际学术刊物上发表SCI论文120余篇,获授权国家发明专利11项,主著中、英文学术著作各1部(个人主页:http://person.zju.edu.cn/heyan)。



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