地下水钒和氯代有机溶剂污染对人类健康构成严重威胁。生物还原是修复地下水污染的有效方法。关于乙烷作为电子供体驱动钒的生物还原过程，以及乙烷基膜生物反应器能否长期连续去除钒尚不明确。此外，乙烷与DCE、TCE在纯培养条件下可实现好氧共代谢，但是关于乙烷驱动下的长期连续处理及其应用仍待考察。 本研究证实了乙烷作为电子供体可以实现钒的高效生物还原。随着进水中V(V)负荷的增加，乙烷基膜生物反应器对V(V)的还原能力得到增强。生物膜中钒主要以V(IV)沉淀存在。乙烷氧化菌Mycobacterium和Methylocystis在O2参与下，利用烷烃1-单加氧酶、醇脱氢酶和醛脱氢酶等生成乙醇、乙醛和乙酸等代谢中间体，进而被钒还原菌Geothrix、Rudaea等利用，在NADH和细胞色素c氧化酶的作用下，在胞内和胞外将V(V)还原为V(IV)。研究结果有助于推动乙烷在地下水钒污染异位修复中的应用(Chi et al.,2024)。
该团队还进一步构建了乙烷/氧气基膜生物反应器，证实了在氧气充足条件下，乙烷能好氧共代谢降解氯代烯烃，尤其是TCE和PCE。乙烷氧化菌Comamonadaceae在好氧条件下进行乙烷氧化，同时利用产生的非乙烷单加氧酶(如：丙烷单加氧酶等)进行氯代烯烃的共代谢降解和矿化。乙烷氧化生物膜的形成和相关单加氧酶的富集保证了氯代烯烃的高效去除。本研究为利用乙烷进行氯代有机溶剂的好氧共代谢降解提供新的视角(Chi et al.,2023)。
相关研究成果分别发表在生态环境领域Top期刊《Chemical Engineering Journal》(中国科学院一区，IF=13.3)和《Science of the Total Environment》(中国科学院一区，IF=8.2)上。论文由中国科学院东北地理所李怀副研究员(通讯作者)、吉林大学迟子芳教授(第一作者)、美国工程院院士Bruce E. Rittmann教授等共同完成。本工作得到国家自然科学基金项目(42077353)和中国科学院东北地理所自主部署项目(E255S106)共同资助。
相关信息如下：
Chi,Z.,Zhang,L.,Ju,S.,Li,W.,Li,H.,& Ren,X. (2024). Vanadium bioreduction in an ethane-based membrane biofilm reactor: Performance and mechanism. Chemical Engineering Journal,156468. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156468
Chi,Z.,Liu,X.,Li,H.,Liang,S.,Luo,Y. H.,Zhou,C.,& Rittmann,B. E. (2023). Co-metabolic biodegradation of chlorinated ethene in an oxygen-and ethane-based membrane biofilm reactor. Science of the Total Environment,905.167323. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.167323
图1 乙烷驱动钒污染净化机制
图2 乙烷驱动氯代有机物净化机制
