Inhibition of 1,4-dioxane on the denitrification process by altering the viability and metabolic activity of Paracoccus denitrificans

1,4-二氧六環(huán)通過改變脫氮副球菌的活性和代謝活性抑制反硝化過程

來源：Environmental Science and Pollution Research, Volume 25, 2018, Pages 27274-27282

《環(huán)境科學(xué)與污染研究》，第25卷，2018年，第27274-27282頁

 

摘要：

摘要部分闡述了1,4-二氧六環(huán)作為一種新興污染物，廣泛存在于自然環(huán)境中，對(duì)生物體構(gòu)成潛在風(fēng)險(xiǎn)。本研究以脫氮副球菌（Paracoccus denitrificans）為模型，探討了1,4-二氧六環(huán)對(duì)反硝化過程的影響。結(jié)果顯示，1,4-二氧六環(huán)暴露會(huì)顯著延遲或抑制反硝化過程，尤其是高劑量時(shí)。在無暴露的對(duì)照組中，反硝化效率達(dá)98.5%，但隨著1,4-二氧六環(huán)劑量增加至0.50%、0.75%和1.0%（v/v），效率分別降至78.5%、63.9%和9.3%。抑制機(jī)制包括通過結(jié)合和破壞細(xì)胞膜影響微生物增殖和活力，以及對(duì)細(xì)胞內(nèi)代謝活動(dòng)產(chǎn)生生物毒性，干擾碳源利用和糖酵解關(guān)鍵酶活性。最終，導(dǎo)致與反硝化相關(guān)的關(guān)鍵酶（NAR、NIR、NOR和N2OR）活性下降，從而降低反硝化性能。

 

研究目的：

研究目的是調(diào)查1,4-二氧六環(huán)對(duì)反硝化過程的影響，特別是對(duì)脫氮副球菌的代謝功能和活力的毒性效應(yīng)。鑒于1,4-二氧六環(huán)在環(huán)境中的廣泛存在及其對(duì)氮循環(huán)的潛在干擾，本研究旨在揭示其抑制反硝化的機(jī)制，以評(píng)估其對(duì)自然環(huán)境氮平衡的風(fēng)險(xiǎn)。

 

研究思路：

研究思路以脫氮副球菌為模型微生物，通過暴露于不同劑量（0.25%、0.50%、0.75%和1.0% v/v）的1,4-二氧六環(huán)，評(píng)估反硝化效率的變化。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包括監(jiān)測硝酸鹽、亞硝酸鹽和氧化亞氮的濃度變化，分析細(xì)胞生長、活力、膜完整性、碳源利用以及關(guān)鍵酶活性。方法上，采用批次培養(yǎng)，定期取樣分析，并使用化學(xué)和生物檢測手段（如CCK-8測試、LDH釋放測定、酶活性分析）來探討抑制機(jī)制。重點(diǎn)在于從微生物viability和intracellular activities兩個(gè)層面揭示毒性效應(yīng)。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義：

1. 數(shù)據(jù)：NO3-N、NO2-N和N2O的濃度變化 during 24小時(shí)暴露。來源：Fig.1a 和 Fig.1b。研究意義：這些數(shù)據(jù)直接顯示1,4-二氧六環(huán)劑量依賴性地抑制反硝化過程，高劑量導(dǎo)致硝酸鹽還原延遲、亞硝酸鹽積累和氧化亞氮生成增加，表明反硝化步驟被干擾，有助于評(píng)估污染物對(duì)氮循環(huán)的實(shí)時(shí)影響。

 

 

2. 數(shù)據(jù)：P. denitrificans的生長曲線（OD600值）。來源：Fig.2。研究意義：生長曲線數(shù)據(jù)表明1,4-二氧六環(huán)抑制細(xì)胞增殖，高劑量時(shí)生長完全受阻，這解釋了反硝化效率下降的部分原因，因?yàn)槲⑸飻?shù)量減少直接削弱代謝能力。

 

 

3. 數(shù)據(jù)：細(xì)胞活力通過CCK-8測試評(píng)估。來源：Fig.3。研究意義：活力數(shù)據(jù)顯示高劑量1,4-二氧六環(huán)導(dǎo)致細(xì)胞活力顯著下降，證實(shí)了污染物對(duì)微生物生存的直接毒性，這與反硝化性能降低一致，突出了viability在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的重要性。

 

 

4. 數(shù)據(jù)：LDH釋放量作為細(xì)胞膜完整性指標(biāo)。來源：Fig.4。研究意義：LDH數(shù)據(jù)表明1,4-二氧六環(huán)破壞細(xì)胞膜，導(dǎo)致胞內(nèi)物質(zhì)泄漏，這解釋了活力下降的機(jī)制，強(qiáng)調(diào)了污染物對(duì)微生物結(jié)構(gòu)完整性的損害，為理解其生物毒性提供了細(xì)胞層面證據(jù)。

 

 

5. 數(shù)據(jù)：葡萄糖利用量變化。來源：Fig.5b。研究意義：葡萄糖利用數(shù)據(jù)反映碳代謝被抑制，高劑量1,4-二氧六環(huán)減少碳源消耗，表明微生物能量代謝受損，這間接影響反硝化所需的電子供應(yīng)，連接了碳循環(huán)與氮循環(huán)的相互作用。

 

 

6. 數(shù)據(jù)：關(guān)鍵酶活性，包括糖酵解酶（HK、PFK、GAPDH）和反硝化酶（NAR、NIR、NOR、N2OR）。來源：Fig.5c 和 Fig.6b。研究意義：這些酶活性數(shù)據(jù)直接顯示1,4-二氧六環(huán)抑制代謝和反硝化關(guān)鍵步驟，酶活性下降是反硝化效率降低的直接原因，突出了污染物對(duì)分子水平功能的干擾，為開發(fā)緩解策略提供靶點(diǎn)。

 

 

結(jié)論：

結(jié)論部分總結(jié)指出，1,4-二氧六環(huán)在高劑量下通過破壞細(xì)胞膜和抑制細(xì)胞內(nèi)代謝活動(dòng)，顯著抑制反硝化過程。具體表現(xiàn)為降低微生物活力、干擾碳源利用和關(guān)鍵酶活性，最終導(dǎo)致反硝化效率下降。這強(qiáng)調(diào)了1,4-二氧六環(huán)對(duì)自然環(huán)境氮循環(huán)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，建議關(guān)注其廣泛存在對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的長期影響。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義：

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義在于，該電極用于精確測量一氧化氮（NO）和氧化亞氮（N2O）的消耗速率，從而評(píng)估反硝化過程中關(guān)鍵酶NOR（一氧化氮還原酶）和N2OR（氧化亞氮還原酶）的活性。這種高精度氣體測量技術(shù)允許實(shí)時(shí)監(jiān)測酶促反應(yīng)，避免了傳統(tǒng)方法的間接性，直接揭示了1,4-二氧六環(huán)如何干擾氣體轉(zhuǎn)化步驟。研究意義在于，它提供了分子水平的證據(jù)，表明污染物通過抑制NOR和N2OR活性，導(dǎo)致N2O積累（一種強(qiáng)效溫室氣體），這不僅加深了對(duì)反硝化機(jī)制的理解，還為評(píng)估環(huán)境污染物對(duì)氣候變化和氮平衡的影響提供了可靠工具。此外，這種方法的應(yīng)用支持了后續(xù)研究開發(fā)針對(duì)酶活性的修復(fù)策略，具有重要的環(huán)境監(jiān)測和風(fēng)險(xiǎn)管理價(jià)值。