Sporosarcina sp. DSK25在不同生长压力条件下在脂类化合物生物合成中的氢同位素分馏

发布时间：2020-05-28 03:21

【摘要】：生物地球化学工具对于研究海洋有机物循环、转运,海洋古环境重建等具有重要意义。海洋作为地球上最大的碳库,在调节全球气候,控制海洋有机物和能量转化,影响人类生活等方面产生巨大影响,而微生物,尤其是嗜高压微生物在海洋生物化学循环过程中,有举足轻重的作用,然而,对嗜高压微生物影响海洋有机物循环过程的特点和方式研究较少。因此,本文利用一定的生物地球化学手段,通过分析海洋中不同深度下微生物细胞膜磷脂脂肪酸的氢同位素特征,以及不同种类脂肪酸的氢同位素差异,来揭示海洋有机物在垂向上的氢同位素分布规律和生物合成过程所导致的不同脂肪酸之间的氢同位素分馏差异。本文旨在从定量和定性方面探索微生物的同位素指标与生长压力的关系,从而对海洋有机质循环、转运以及物源示踪带来重要的科学理论依据。同时,本文研究也将与革兰氏阴性细菌Moritella japonica DSK1形成鲜明对比,从而填补前人在革兰氏阳性细菌的深海生物地球化学研究领域的空白。本项研究以分离自日本海沟(40'06.8"N,144'11.0"E)6500米深的沉积物中的一株革兰氏阳性细菌Sporosarcina sp.Strain DSK25为对象,利用特制的高压培养釜和适当的培养袋,分别在0.1,10,20,30,40,50 MPa下对细菌进行培养。根据预实验中细菌的生长曲线,在稳定期取出培养袋,进行磷脂提取。根据DSK25细胞中不同化合物极性的差异,将干物质在固相萃取柱上分别用二氯甲烷,甲醇,正己烷洗脱,从而可分别提取出细菌中的中性脂,磷脂和碳氢化合物组分。通过气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)对衍生化后的脂肪酸甲酯进行定性和定量,接着利用MAT253进行氢同位素分析,即可完成本项研究的实验部分。本文所采用的定制便携式高压培养釜,保压性能良好,为实验提供了仪器上的可行性,通过借鉴前人磷脂提取和甲酯衍生化程序,确保了上机测试的准确性。总体来说,本文通过严谨的实验步骤和合理的理论支撑,确保了实验数据的可靠性和科学性,为后续的分析提供了坚实的基础。Sporosarcina sp.Strain DSK25的脂肪酸GC-MS测试结果表明,反异支链脂肪酸a15和单不饱和脂肪酸C18:1以及饱和脂肪酸C16:0百分含量在压力增加的过程中,变化最为显著。其中,a15在30 MPa后的百分含量急剧上升,而C18:1在0.1至20 MPa时增长明显,20 MPa后轻微下降,C16:0在0.1 MPa至20 MPa之间急剧下降,20 MPa后基本保持不变。支链脂肪酸i15和17br在整个压力变化过程中基本保持不变,其中,17br在30 MPa后出现一定的增加。将a15与i15的百分含量进行一定处理,得到的AI index在30MPa后与压力之间具有一定的正相关性。因此,反异支链脂肪酸a15含量的增加可能是DSK25适应高压(30 MPa以上)的一种表达方式,即细菌通过增加a15,减少C16:0,从而减少脂链的致密度,增加流动性,而在较低压(20 MPa以下)下单不饱和脂肪酸(C18:1,C19:1)的增加保持了细胞膜的流动性。氢同位素检测结果表明,DSK25的支链脂肪酸和单不饱和脂肪酸的氢同位素随着生长压力(海水深度)的增加而减小,即,氢同位素变重。其中,a15,17br,i15的同位素分馏与压力的R~2值分别达到0.952,0.994,0.790。因此,本次实验结果定量的揭示了DSK25脂类氢同位素分馏与生长压力之间的密切关系,氢同位素与压力的这种关系可能与高压下的氢隧道效应有关。高压增强了隧道效应,使更多NADPH中的H流向脂肪酸,因而氢同位素分馏在NADPH和脂肪酸之间的分馏效应减弱,即,氢同位素正偏。支链脂肪酸,单不饱和脂肪酸,饱和脂肪酸的平均氢同位素分馏分别为-214.61‰,-66.8041‰,-160.303‰,三者之间较大的差异可能与化合物自身的同位素效应有关。因为以上三种脂肪酸在细菌的生物合成过程中,除了引物和酶存在差异之外,都经历了相同的生物化学反应过程,因此,同位素热力学效应可能是不同脂肪酸的氢同位素分馏存在差异的重要因素。综上,本文的研究结果很好的揭示了DSK25脂类氢同位素特征与海洋生物地球化学循环的密切关系,指示了生物合成过程对于细菌氢同位素分馏特征的影响。基本达到了研究目的,从定性和定量方面解决了海洋生物地球化学方面的相关科学问题。因而,本文对于探索海洋生物地球化学循环,海洋有机质垂直分布及其与压力之间的关系,海洋有机物的来源、转运、沉降过程等具有重要意义。
【图文】：

微生物碳,附生菌

图 1 -1 微生物碳泵模型（Jiao et al.,2010）Figure 1-1 microbial carbon pump (Jiao et al., 2010)MC 模型则强调了嗜高压细菌（自由菌和附生菌）、胞外酶在海洋生物中的重要作用。由表层海水中的浮游植物、生物、微生物等产生的particle organic matter, POM）羽流，携带附生菌（particle-attached ba海，附生菌释放的胞外酶将 POM 分解为高分子的高分子量溶解有olecular weight dissolved organic matter, HMW DOM），，HMW DOM 在步作用下分解形成低分子量溶解有机物（low molecular weight disatter, LMW DOM），LMW DOM 被自由菌（free-living bacteria）代谢解的溶解有机物而沉降至海底（图 1-2）。概念和模型从一定角度解释了海洋生物地球化学循环的动力、过程、问题仍然亟待解决。诸如，Arrieta et al. (2015) 对 MCP 模型提出质在惰性（难降解）有机物，细菌之所以不利用这些惰性有机物，是度太低，使用价值小于所消耗的能量，得不偿失[18]。对于深海细菌

连续模型,微生物

3图 1 -2 POM-DOM-嗜高压微生物连续模型（Fang et al.,2015）re 1-2 the POM-DOM piezophilic microorganism continuum model (Fang et al., 2015对模型和循环机制的研究和探索，科学家也尝试从其他方向来研究。其志化合物和同位素是研究生物地球化学的两个重要方法。生物标rker) 是指沉积物、土壤、气溶胶、原油、油页岩、煤中那些来源于特包括陆地植被、水生藻类、细菌、古菌、真菌等，在有机质演化过程稳定性，没有或较少发生变化，基本保存了原始生化组分的碳骨架，生物母质的特殊分子结构信息的有机化合物。生物标志物可用于海洋古温度计、海洋生产力和群落结构变化等生物地球化学领域方面。同位素是指不具有放射性或因其放射性衰变的半衰期过长、相对于地
【学位授予单位】：上海海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：Q178.53

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