氯代有機磷酸酯（chlorinated organophosphate esters, Cl-OPEs）是在自然環境（如地表水、地下水、沉積物和土壤等）中廣泛存在的一類新興污染物，具有致癌性、神經毒性以及生殖毒性，已被列入歐盟的優先控制清單。生物降解和轉化是去除環境中氯代有機污染物的主要途徑。已有的研究主要關注Cl-OPEs的好氧生物降解過程，然而，關于Cl-OPEs厭氧生物轉化的研究卻十分薄弱。Cl-OPEs厭氧生物轉化途徑、機制以及參與轉化過程的微生物和功能基因仍不清楚。
針對上述科學問題，中科院廣州地球化學研究所、深地科學卓越創新中心鐘音副研究員、彭平安研究員等，利用Cl-OPEs為電子受體，從電子垃圾污染沉積物中富集出了兩個具有厭氧轉化Cl-OPEs能力的菌群（分別命名為8E和8P），通過產物鑒定、重水標記實驗、高通量測序、定量聚合酶鏈反應（qPCR）、宏基因組學等分析方法，闡明了Cl-OPEs 的厭氧生物轉化效率、途徑和機制，揭示了參與Cl-OPEs還原轉化的主要功能微生物和功能酶。
菌群8E和8P在10天內分別將3.88 ± 0.22 μmol 磷酸三（2-氯乙基）酯（tris(2-chloroethyl) phosphate, TCEP）和2.61 ± 0.02 μmol 磷酸三（1-氯-2-丙基）酯（tris(1-chloro-2-propyl) phosphate, TCPP）完全轉化。通過產物質量平衡分析，研究發現TCEP和TCPP主要轉化成二酯產物，即磷酸二（氯乙基）酯（bis(2-chloroethyl) phosphate, BCEP）和磷酸二（1-氯-2-丙基）酯（bis(1-chloro-2-propyl) phosphate, BCPP）。此外，研究還首次報道TCEP和TCPP分別被厭氧還原轉化成乙烯/乙烷和丙烯。
加氫脫氯被認為是氯代有機污染物厭氧生物轉化的主要機制，但是TCPP的加氫脫氯產物沒有被測到，TCEP的疑似加氫脫氯產物只在菌群8E添加了4次TCEP后才檢測到。TCEP和TCPP的加氫脫氯產物是否轉化成乙烯/乙烷和丙烯并不清楚。為了驗證這一機制的可能性，研究采用重水配制的培養基培養菌群8E和8P，結果發現乙烯和丙烯沒有被氘代標記，而乙烷被氘代標記，表明乙烯和丙烯可能不是由TCEP和TCPP加氫脫氯產物進一步轉化生成。Cl-OPEs可能通過單電子轉移（自由基機制）進行還原脫氯，脫氯產物隨即發生C-O鍵斷裂生成二酯產物和無氘代標記的烯烴（圖1）。乙烷可能是由乙烯進一步還原轉化生成。該轉化途徑是一條全新的厭氧脫氯轉化途徑，與傳統報道的加氫脫氯途徑顯著不同。
圖1. 重水體系下TCEP轉化為乙烯/BCEP（A）和TCPP轉化為丙烯/BCPP（B）的機制示意圖
16S rRNA基因擴增子測序和qPCR分析顯示菌群8E和8P都含有專性脫鹵菌Dehalococcoides，而且Dehalococcoides的豐度隨著TCEP/TCPP的降解和乙烯/丙烯的生成而增加（圖2A），表明Dehalococcoides對TCEP和TCPP厭氧還原轉化可能具有重要作用。采用宏基因組單菌草圖組裝技術分別從菌群8E-1和8P-1中組裝獲得Dehalococcoides基因組草圖（即Bin8E40和Bin8P27），并與13個參考Dehalococcoides mccartyi全基因組構建最大相似系統發育樹，證明Bin8E40和Bin8P27屬于不同的Dehalococcoides mccartyi亞組（圖2B）。此外，將Bin8E40和Bin8P27和5個參考Dehalococcoides mccartyi（即VS、195、BAV1、CBDB1和MB）基因組中注釋的還原性脫鹵酶構建最大相似系統發育樹，顯示Bin8E40和Bin8P27分別包含14和15個還原脫鹵酶（rdh）基因（圖2C）。逆轉錄-聚合酶鏈反應（RT–qPCR）分析發現，其中13個和12個rdh基因在TCEP和TCPP還原轉化過程中均能進行轉錄表達（圖2D），表明它們可能分別參與了TCEP和TCPP的還原轉化過程。
圖2. TCEP/TCPP轉化過程中Dehalococcoides豐度變化特征（A）；Bin8E40和Bin8P27與參考Dehalococcoides mccartyi全基因組的最大相似系統發育樹（B）；Bin8E40和Bin8P27與參考Dehalococcoides mccartyi的基因組中注釋的還原性脫鹵酶的最大相似系統發育樹（C）；Bin8E40和Bin8P27 rdh基因的轉錄表達（D）
綜上所述，這項研究首次揭示了厭氧條件下Cl-OPEs生物還原轉化過程和機制，拓寬了人們對Dehalococcoides還原轉化Cl-OPEs轉化機制的理解，不僅有助于認識Cl-OPEs在厭氧環境（地下水、沉積物、污泥和地下土壤等）中的環境行為，而且對Cl-OPEs的污染控制和高效生物修復技術開發具有十分重要的意義。
