【摘要】：抗生素進入環(huán)境可以誘發(fā)進化新的抗生素抗性基因和抗性細菌，對人類健康產(chǎn)生巨大威脅，因此抗生素的抗性問題已引起全球關(guān)注。氯代硝基芳香類抗生素氯霉素對人類可導(dǎo)致再生障礙性貧血且具有潛在的遺傳毒性和致癌性。環(huán)境中頻繁檢測出低濃度的氯霉素和氯霉素抗性基因存在，因此在廢水處理過程中消除氯霉素抗細菌活性至關(guān)重要。生物電化學(xué)系統(tǒng)（BES）生物陰極可以還原降解多種污染物，重要地是微生物作為陰極催化劑具有可自我更新和環(huán)境友好等特性，發(fā)展頗具潛力。硝基基團對于決定氯霉素抗細菌活性非常重要，本研究采用生物陰極還原降解氯霉素為脫氯芳香胺產(chǎn)物，對應(yīng)的硝基還原和脫氯反應(yīng)解除了氯霉素抗細菌活性；揭示了加速陰極電子傳遞還原氯霉素的核心微生物群落與關(guān)鍵功能基因組成；發(fā)現(xiàn)了低溫啟動生物陰極更能應(yīng)激環(huán)境溫度變化維持穩(wěn)定的催化活性，為開發(fā)抗生素廢水高效降解生物技術(shù)提供了重要依據(jù)。 生物陰極（陰極電位為-0.7V和提供500mg/L葡萄糖）還原氯霉素速率比非生物陰極和單純厭氧生物膜還原分別快10倍和1.6倍，證明了生物陰極強化還原氯霉素為芳香胺產(chǎn)物AMCl2，，并進一步依賴脫鹵素酶脫氯生成AMCl產(chǎn)物。非生物陰極還原氯霉素明顯積累毒性較大的亞硝基和羥基胺基中間產(chǎn)物，并通過加氫脫氯機制脫氯AMCl2生成AMCl。微生物催化氯霉素短暫積累獨特的氯霉素乙�；a(chǎn)物。陰極還原氯霉素過程解除了其抗細菌活性。電化學(xué)分析表明生物陰極明顯降低了氯霉素還原反應(yīng)過電位（正移400mV），暗示了陰極微生物促進陰極電子傳遞。生物陰極中多個占優(yōu)勢菌屬具有硝基芳香烴還原能力（Salmonella、Enterobacter、Clavibacter和Pseudomonas）和陰極電化學(xué)活性（Enterobacter、Pseudomonas和Dechloromonas），說明了這些功能微生物參與強化氯霉素還原降解過程。 生物陰極還原氯霉素效率顯著高于單純厭氧生物膜�；诟咄抗δ芑蛐酒℅eoChip）和16S rRNA基因Illumina測序結(jié)果表明陰極給電子刺激具有選擇性，顯著改變了陰極生物膜的群落結(jié)構(gòu)與功能基因組成，并明顯降低了陰極生物膜群落多樣性。生物陰極顯著富集了具有電化學(xué)活性革蘭氏陽性Lactococcus（P=0.004；51.50±24.60%），Lactococcus能夠分泌電子傳遞中介體這與生物陰極檢測到顯著低水平的典型電子傳遞蛋白細胞色素c基因豐度（P=0.023）相一致，重要地是Lactococcus具有硝基芳香烴還原能力；而厭氧生物膜顯著富集了葡萄糖發(fā)酵細菌Escherichia（P=0.002；10.64±4.49%）和Dysgonomonas（P=0.015；25.25±13.17%），其中Escherichia具有氯霉素還原能力。生物膜中占優(yōu)勢其它菌屬比如Desulfovibrio、Geobacter、Pseudomonas和Klebsiella均具有還原硝基芳香化合物到對應(yīng)的芳香胺產(chǎn)物的能力。生物陰極顯著高的氯霉素還原效率與生物膜中占優(yōu)勢的Lactococcus豐度成顯著正相關(guān)（r=0.7769；P=0.003），而與細胞色素c基因豐度成顯著負相關(guān)（r=-0.5857；P=0.045），暗示了生物陰極主要通過電子傳遞中介體捕獲電子加速還原降解氯霉素。 北方寒冷地區(qū)環(huán)境溫度變化大，啟動能夠應(yīng)激溫度變化的生物陰極來穩(wěn)定還原氯霉素至關(guān)重要。對比常溫25℃和低溫10℃啟動生物陰極，并分別降低或升高15℃后，發(fā)現(xiàn)10℃比25℃啟動生物陰極更能應(yīng)激溫度變化來穩(wěn)定還原降解氯霉素，而且常溫下產(chǎn)物AMCl形成效率與低溫運行時無顯著差異�；贕eoChip和16S rRNA基因Illumina測序結(jié)果，溫度提升15℃顯著改變陰極生物膜群落結(jié)構(gòu)與功能基因組成。在菌門水平上溫度變化前后陰極生物膜沒有顯著差別，主要富集變形菌門（＞60%）和厚壁菌門（＞20%）細菌，但占優(yōu)勢菌屬差異非常顯著。10℃和25℃陰極生物膜分別富集1067和2113個獨特功能基因，其中各富集了9個獨特的電子傳遞有關(guān)基因。進一步分析發(fā)現(xiàn)了維持生物陰極催化功能的關(guān)鍵功能基因及優(yōu)勢菌屬。低溫運行顯著富集適低溫環(huán)境的Aeromonas和Vagococcus細菌，而溫度提升顯著富集具有硝基芳香烴還原能力細菌Raoultella和硝基還原酶基因豐度。參與熱激響應(yīng)的基因在陰極生物膜環(huán)境溫度提高后顯著富集，而細胞色素c和氫化酶等重要電子傳遞基因豐度均未顯著改變。這些重要功能基因類群和生物膜占優(yōu)勢菌屬參與應(yīng)激環(huán)境溫度變化，對于維持生物陰極穩(wěn)定還原降解氯霉素具有重要作用。
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1.5 微生物厭氧呼吸機制研究進展在無外加人工中介體的情況下，微生物通�？梢圆捎萌N模式進行到電極的胞外電子傳遞（圖1-2）：（1）通過微生物自身分泌的可溶性氧化還原活性物質(zhì)介導(dǎo)（電子傳遞穿梭體）；（2）當細胞外膜與電極之間的距離較小時，則直接進行氧化還原活性物質(zhì)與電極之間的電子轉(zhuǎn)移（主要指細胞色素 c）；（3）長距離時則可借助導(dǎo)電生物膜的作用（微生物納米導(dǎo)線）[111]；（4）最近發(fā)現(xiàn)微生物自身分泌的中介體與外膜細胞色素 c 之間互作可以調(diào)節(jié)加速胞外電子傳遞[112,113]。圖1-2微生物胞外電子傳遞可能機制[111]Fig. 1-2 Potential mechanisms for extracellular microbial electrons transfer1.5.1 基于氧化還原活性蛋白的短程直接電子傳遞已有文獻報道多種微生物可以直接向電極進行電子轉(zhuǎn)移[111]。關(guān)于微生物向電極直接電子轉(zhuǎn)移的機制研究主要集中于 G. sulfurreducens。早期的研究認為 Geobacter 的種屬無需使用電子介體還原三價鐵氧化物[114]，也不參與電子向電極的傳遞[115]。G. sulfurreducens 有許多類細胞色素 c[116]，是重要的電子傳遞蛋白，其中分布于細胞外膜的也很多[111]。從細胞外膜分離純化的細胞色素 c 可以體外還原已知的胞外電子受體[117-119]�；蛉笔蛔冄芯空J為同一類的細胞色素 c 可以向多種胞外電子受體轉(zhuǎn)移電子[120-125]。很多有關(guān)產(chǎn)電 G.sulfurreducens 生物膜的研究證實其細胞色素 c 與陽極之間有電化學(xué)聯(lián)系[111]。

[187]。圖1-5 Shewanella生物陰極潛在胞外電子傳遞機制[153]Fig. 1-5 The proposed extracellular electron transfer mechanisms for Shewanella biocathodoe1.6.3 陰極強化生物修復(fù)污染物生物修復(fù)污染的環(huán)境是從電極到微生物的直接電子轉(zhuǎn)移最有前途的應(yīng)用策略之一。氯代有機溶劑是另一類比較普遍的地下水污染物，通過外加有機電子供體進行生物修復(fù)，依賴于有機物的發(fā)酵為脫氯微生物提供氫[188]。這種方式特異性差，效率也較低，主要因為氫氣同時還可以刺激其他非脫氯產(chǎn)氫發(fā)酵微生物和非脫氯微生物的生長，這些微生物都會與脫氯微生物競爭氫氣。直接向脫氯微生物提供電子可以避免以上限制，可以更有效的為脫氯微生物提供電子。Geobacter lovleyi 以電極作為唯一電子受體還原四氯乙烯（PCE）和三氯乙烯（TCE）為

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