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多氯联苯(Polychlorinated biphenyls，PCBs)是环境中广泛存在的一类持久性有机污染物，具有生物累积性和高毒性。由于PCBs会对人类健康和生态环境造成严重的危害，因此多氯联苯污染土壤的修复已成为亟需解决的重要环境科学技术问题。生物修复污染土壤具有成本低、简便高效、环境友好等优势，已日益受到广泛关注。在全球陆地生态系统中，根瘤菌-豆科植物共生体系是主要的生物可利用氮素来源。该体系对维持、促进全球农业生态系统的氮循环具有重要意义。近期研究发现，根瘤菌能够降解PCBs，并且能够通过与豆科植物共生提高植物修复PCBs的效率。因此，豆科植物-根瘤菌共生体系将为PCBs污染土壤提供一种颇具前景的修复手段。本文选择一株具有PCBs降解能力的苜蓿中华根瘤菌（Sinorhizobium meliloti）NM为模式微生物，以具有类二噁英、共平面结构的3，3，4，4-四氯联苯(PCB77)作为模式同系物。在离体培养条件下，通过动力学实验研究菌株NM对PCB77的降解特性。通过基因组、转录组分析，挖掘菌株NM中参与PCB77降解的功能基因。在根瘤菌-紫花苜蓿共生体系条件下，研究根瘤菌的定殖和共生固氮对植物修复PCB77污染的影响。得出以下主要结果和结论: (1)以S.meliloti NM菌株为降解菌，PCB77作为模式底物，进行离体摇瓶降解实验。结果显示，NM菌株能够在以PCB77为唯一碳源和能源的无机盐培养基中进行生长。随着培养体系中PCB77浓度的升高（0.25至5mg L-1），NM菌株的生长速率及对PCB77的降解效率逐渐降低。当PCB77浓度为10mgL-1时，根瘤菌NM的细胞生长受到严重的抑制。添加外源碳源（葡萄糖、甘露醇、乙酸等）、小分子有机酸（阿魏酸、咖啡酸、香草酸、4-羟基苯甲酸等）及表面活性剂(吐温80)均能显著影响PCB77(5mg L-1)的生物降解效率、菌体生长及生物膜的形成。其中，咖啡酸处理组中根瘤菌NM对PCB77的降解效率最高。在PCB77的降解过程，检测到苯甲酸的形成和氯离子的释放。后续可通过将苯甲酸作为代谢底物，以验证菌株NM对该物质的降解能力。其中，苯甲酸代谢途径是联苯降解的下游代谢途径。通过反转录实时荧光定量PCR发现，邻苯二酚1，2双加氧酶、原儿茶酸双加氧酶、顺式粘康酸环异构酶等苯甲酸代谢相关酶系的基因表达水平在PCB77生物降解过程中出现显著上调。结果说明S.meliloti NM菌株具有降解PCB77的能力。 (2)为了深入挖掘降解性S.meliloti NM菌株的基本遗传信息及功能基因，采用单分子PacBio对S.meliloti NM菌株的基因组进行高通量测序。在其基因组中，共检测到一个大型染色体N1和三个质粒（P1、P2和P3）。通过对基因组基因进行预测，共预测到7，869个基因，基因总长度为6，380，358bp。通过数据库比对、功能注释和聚类，分别得到S.meliloti NM基因组蛋白的COG功能归类、GO功能分类和KEGG代谢通路相关信息，说明S.meliloti NM具有较为复杂的代谢功能。对S.meliloti NM基因组中所预测的基因进行NR和Swiss-prot数据库注释，可预测到与共生结瘤、固氮相关的基因主要存在于质粒P1上。此外，在S.meliloti NM基因组信息分析中，注释到多个双加氧酶、脱卤酶及苯环类物质降解相关基因。通过对S.meliloti NM菌株进行转录组分析，以进一步解释其在PCB77降解过程中的分子生物学机制。结果显示，NM菌株能够在好氧条件下降解PCB77。并且，该菌株对氯代有机物三氯乙烯也具有好氧降解的能力。转录组学数据显示，这两种氯代有机物的添加均明显改变细菌的生理代谢活动。与对照组（0天）相比，培养3天后PCB77处理组根瘤菌有778个基因发生差异性表达，而三氯乙烯处理组中有648个基因表达发生显著变化。其中，共检测到7个与脱氯相关的功能基因，如卤代酸脱卤酶等。这些脱氯相关基因也在基因组数据中得到验证。其中，基因829（脱卤酶）在2个处理组中均出现了显著上调，推测可能与氯代有机物的脱氯活性有关。此外，Gene888编码的双加氧酶氨基酸序列可能具有与联苯双加氧酶α大亚基具有相似的基本结构域，推测该基因可能参与了PCBs的降解。 (3)通过紫花苜蓿（Medicago sativa）-S.meliloti NM菌株作为模式共生体系，研究根瘤菌定殖协助植物修复PCB污染的机制。PCB77胁迫显著抑制植物的生长及抗氧化酶活性（超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、抗坏血酸过氧化物酶及谷胱甘肽还原酶）。植物体内活性氧自由基与丙二醛的积累，暗示植物在PCB77处理后发生了氧化胁迫应激响应。但是，根瘤菌的接种和外源油菜素内酯（植物激素）的添加都能通过提高植物抗氧化系统水平，从而缓解PCB77诱导的植物氧化胁迫。并且，根瘤菌的接种也能激活植物体内油菜素内酯的生物合成。相反，芸苔素唑不仅特异性阻断植物体内油菜素内酯的生物合成，并且会削弱根瘤菌对植物抗氧化系统的激活效应。结果说明根瘤菌接种能增强紫花苜蓿对PCB77胁迫的耐受能力，并且油菜素内酯是参与该途径的重要信号分子。 (4)在紫花苜蓿-根瘤菌的模式共生体系下，探究根瘤菌的共生固氮活性对PCB77转化的影响。在PCB77处理的紫花苜蓿中，当使用固氮酶活性促进剂钼酸盐提高固氮能力时，植物根瘤的氯离子释放量显著提高，而组织内PCB77含量则相应减少。相反，硝酸盐可显著抑制固氮酶活性，并减少根瘤中氯离子的外排。此现象也在固氮酶活性缺失突变株共生体中观察到。在固氮条件下，共生根瘤和根部中可检测到多种PCB脱氯产物，如联苯、甲基联苯、羟基联苯和三氯联苯衍生物等。结果显示，固氮酶衍生形成的氢气及豆血红蛋白基因表达水平均与PCB77脱氯速率呈正相关，说明固氮反应所维持还原态微环境有助于PCB77脱氯。结果说明根瘤菌的共生固氮是PCB77脱氯的重要生物驱动因素。 综上所述，S.meliloti NM菌株作为一种共生型固氮根瘤菌，能在离体、共生状态下通过多种机制修复PCBs污染。此结果为根瘤菌菌株及其共生体系用于PCBs污染土壤的生物修复与调控提供了理论基础。