硫酸盐还原菌在不同电子转移模式下介导施氏矿物的转化过程

发布时间：2020-07-29 11:17

【摘要】：矿山污染是国家工业化发展过程难以避免的环境问题,这其中,酸性矿山废水(Acid mine drainage,AMD)的污染最为严重持久,往往对当地生态与农业安全造成极大威胁。因此,理解AMD特殊地质条件下形成羟基硫酸盐高铁次生矿物,譬如施氏矿物(schwertmannite)的生物还原现象,对于探究矿区铁硫元素循环有着重要意义。本文主要研究了原生的硫酸盐还原富集群落如何在直接和间接,两种不同的胞外电子传递模式下,耦合施氏矿物的溶解转化过程,并分析群落的结构变化与功能演替。研究发现,在直接的电子传递模式中,微生物可以不受限制地接触矿物,矿物发生了更多还原性溶解。并且在添加了外源电子穿梭体AQDS后会加速还原性溶解过程。间接组中则观测到了更多的非还原性溶解。在通过透析袋隔离开微生物和矿物的间接组中,虽然施氏矿物最终主要转化产物与直接组相同,均为菱铁矿,但在50天培养周期内测得的硫酸盐还原量则低于直接组。所有组别中都检测到了硫化物被再次氧化生成的单质硫,并伴随着磁铁矿,赤铁矿等次要产物的产生。16s rRNA高通量测序结果证明不同电子传递模式下群落结构分别由不同的功能菌主导。最初富集的原生硫酸盐还原菌群SRBE在属水平上由Citrobacter属主导。直接组中与施氏矿物共培养20天后,Desulfovibrio取代Citrobacter成为群落中的优势菌,同时间段在间接组则主要由Enterobacteriaceae科中的未知属构成一个单一优势群落(相对丰度超过90%),该单一优势群落说明前期Enterobacteriaceae科微生物具备产生内源氧化还原有机质去间接还原施氏矿物,同时也发现外源的电子穿梭体AQDS的加入也不会显著改变其群落结构。PICRUSt预测结果表明微生物群落为了适应不同电子传递模式发生了对应的功能演替。直接组中的微生物更依赖于膜结构蛋白的表达,而在间接组中关于一些可溶性氧化还原活性物质的通路则相对多度更高。同时紫外全扫结果也证实了这类活性物质的存在。进一步地,硫代谢通路中不同电子传递模式下有着差异的功能基因表达。间接组中异化硫酸盐还原关键功能基因Dsr的缺失和在硫代谢中起到电子转移载体的二甲基亚砜氧化还原酶的相对多度明显升高可能作为间接电子传递模式的功能标记。通过核算电子转移总量后推测,作为自然环境中常见的发酵型细菌,Enterobacteriaceae科微生物极有可能是以发酵型反应及其副产物完成间接电子传递并还原转化施氏矿物。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X172;X751
【图文】：

内部结构,次生矿物,矿物,流域

图 1-1 施氏矿物的假想内部结构[15]Fig.1-1 the putative structure of schwertmannite[15]可见，以施氏矿物为代表的次生矿物在矿区污染流域有着独特且关键的

硫酸盐还原菌,竞争机制,生物还原,铁还原

图 1-2 硫酸盐还原菌的铁硫还原竞争机制Fig.1-2 The Fe-S metabolism within sulfate reducing bacteria硫酸盐的生物还原过程并不像异化铁还原一样依赖于膜外的电子传输色素 C（Cytochrome C），但这并不代表硫酸盐还原菌不具备细胞色素 C 蛋

电子传递,批实验,硫酸盐还原菌,模式

图 2-2 制备后施氏矿物的 SEM(a)，EDS(b)和 XRD(c)表征Fig.2-2 The synthesized schwertmanntie characterized by SEM-EDS and XR2.2.4 批试验分组设置模拟不同电子传递模式通过批实验探究该硫酸盐还原菌群在不同电子传递模式下利用施氏矿物的差

【参考文献】