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

《環境科學與污染研究》，第25卷，2018年，第27274-27282頁

 

摘要：

摘要部分闡述了1,4-二氧六環作為一種新興污染物，廣泛存在于自然環境中，對生物體構成潛在風險。本研究以脫氮副球菌（Paracoccus denitrificans）為模型，探討了1,4-二氧六環對反硝化過程的影響。結果顯示，1,4-二氧六環暴露會顯著延遲或抑制反硝化過程，尤其是高劑量時。在無暴露的對照組中，反硝化效率達98.5%，但隨著1,4-二氧六環劑量增加至0.50%、0.75%和1.0%（v/v），效率分別降至78.5%、63.9%和9.3%。抑制機制包括通過結合和破壞細胞膜影響微生物增殖和活力，以及對細胞內代謝活動產生生物毒性，干擾碳源利用和糖酵解關鍵酶活性。最終，導致與反硝化相關的關鍵酶（NAR、NIR、NOR和N2OR）活性下降，從而降低反硝化性能。

 

研究目的：

研究目的是調查1,4-二氧六環對反硝化過程的影響，特別是對脫氮副球菌的代謝功能和活力的毒性效應。鑒于1,4-二氧六環在環境中的廣泛存在及其對氮循環的潛在干擾，本研究旨在揭示其抑制反硝化的機制，以評估其對自然環境氮平衡的風險。

 

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，評估反硝化效率的變化。實驗設計包括監測硝酸鹽、亞硝酸鹽和氧化亞氮的濃度變化，分析細胞生長、活力、膜完整性、碳源利用以及關鍵酶活性。方法上，采用批次培養，定期取樣分析，并使用化學和生物檢測手段（如CCK-8測試、LDH釋放測定、酶活性分析）來探討抑制機制。重點在于從微生物viability和intracellular activities兩個層面揭示毒性效應。

 

測量的數據及研究意義：

1. 數據：NO3-N、NO2-N和N2O的濃度變化 during 24小時暴露。來源：Fig.1a 和 Fig.1b。研究意義：這些數據直接顯示1,4-二氧六環劑量依賴性地抑制反硝化過程，高劑量導致硝酸鹽還原延遲、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，有助于評估污染物對氮循環的實時影響。

 

 

2. 數據：P. denitrificans的生長曲線（OD600值）。來源：Fig.2。研究意義：生長曲線數據表明1,4-二氧六環抑制細胞增殖，高劑量時生長完全受阻，這解釋了反硝化效率下降的部分原因，因為微生物數量減少直接削弱代謝能力。

 

 

3. 數據：細胞活力通過CCK-8測試評估。來源：Fig.3。研究意義：活力數據顯示高劑量1,4-二氧六環導致細胞活力顯著下降，證實了污染物對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在環境風險評估中的重要性。

 

 

4. 數據：LDH釋放量作為細胞膜完整性指標。來源：Fig.4。研究意義：LDH數據表明1,4-二氧六環破壞細胞膜，導致胞內物質泄漏，這解釋了活力下降的機制，強調了污染物對微生物結構完整性的損害，為理解其生物毒性提供了細胞層面證據。

 

 

5. 數據：葡萄糖利用量變化。來源：Fig.5b。研究意義：葡萄糖利用數據反映碳代謝被抑制，高劑量1,4-二氧六環減少碳源消耗，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，連接了碳循環與氮循環的相互作用。

 

 

6. 數據：關鍵酶活性，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：這些酶活性數據直接顯示1,4-二氧六環抑制代謝和反硝化關鍵步驟，酶活性下降是反硝化效率降低的直接原因，突出了污染物對分子水平功能的干擾，為開發緩解策略提供靶點。

 

 

結論：

結論部分總結指出，1,4-二氧六環在高劑量下通過破壞細胞膜和抑制細胞內代謝活動，顯著抑制反硝化過程。具體表現為降低微生物活力、干擾碳源利用和關鍵酶活性，最終導致反硝化效率下降。這強調了1,4-二氧六環對自然環境氮循環的潛在風險，建議關注其廣泛存在對生態系統的長期影響。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義在于，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，從而評估反硝化過程中關鍵酶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允許實時監測酶促反應，避免了傳統方法的間接性，直接揭示了1,4-二氧六環如何干擾氣體轉化步驟。研究意義在于，它提供了分子水平的證據，表明污染物通過抑制NOR和N2OR活性，導致N2O積累（一種強效溫室氣體），這不僅加深了對反硝化機制的理解，還為評估環境污染物對氣候變化和氮平衡的影響提供了可靠工具。此外，這種方法的應用支持了后續研究開發針對酶活性的修復策略，具有重要的環境監測和風險管理價值。