高盐或砷复合污染条件下多环芳烃降解菌的分离鉴定及功能研究

发布时间：2020-05-01 00:16

【摘要】：多环芳烃(PAHs)是环境中常见的一类持久性有机污染物(POPs),因其具有很强的致癌、致畸、致突变的“三致”作用而备受关注。近年来,随着我国城市化和工业化进程的加快,日益活跃的人类活动使PAHs污染常常伴随着含盐量高或复合污染等特征。常见的PAHs污染的高盐环境包括油污土壤、海洋环境和红树林沉积层。复合污染中,PAHs与砷的复合污染是常见的一种。已报道的PAHs与砷复合污染场地有煤矿类、冶炼类、木材加工类等工业场地。与理化方法相比,微生物降解是去除环境中PAHs的主要且有效途径。虽然大量的PAHs降解菌被分离,其代谢PAHs的能力被表征,但是能满足高盐或砷复合污染条件下修复要求的菌株较少。因此,本文的研究目的是筛选耐盐或砷抗性的PAHs降解菌株,并对其代谢污染物的特性、功能基因和相关酶及代谢的途径和机制进行研究。主要结果如下： (1)以实验室前期工作中筛选到的耐盐菌Martelella sp. AD-3作为出发菌株,对该菌降解单一和混合PAHs的能力及代谢途径进行了研究。发现： (a)AD-3能以葸、菲或芘为唯一碳源生长,能共代谢降解苯并[a]芘。优化条件(盐度3%,pH9.0)下,6d内能完全降解200mg L-1的菲或94.6%25mg L-1的蒽。其降解芘的效率相对很低,10mg L-1的芘8d后的去除率仅为9.8%。营养因子(酵母粉)、PAHs中间产物(水杨酸和琥珀酸)、生物表面活性剂(鼠李糖脂)均能促进芘的降解。作为共代谢底物,酵母粉、水杨酸和琥珀酸能促进苯并[a]芘的降解,以水杨酸的共代谢效果最显著(苯并[a]芘8d后的降解率为37.9%)。AD-3能在pH6.0～10.0的范围内生长,最适pH为9.0,以菲为碳源生长时最高可耐受15%的盐度(w/v),这可能与其分离自油污盐碱场地有关。 (b)进一步对AD-3降解混合PAHs的性能进行了研究。发现该菌株能降解菲+芘或菲+苯并[a]芘等二元PAHs组分。和单一组分的去除效果相比,菲能促进芘和苯并[a]芘的降解,但其自身的去除受到不同程度的抑制。苯并[a]芘的抑制程度显著大于芘。这可能与PAHs降解过程中的竞争性抑制和共代谢作用有关。 (c)基于代谢产物、关键酶活性和对不同中间产物的利用情况,推测AD-3主要通过C-9,10和C-3,4两种不同途径降解菲。C-3,4途径中,1-羟基-2-萘甲酸通过“萘途径”代谢；水杨酸通过“龙胆酸途径”进入TCA循环；1-羟基-2-萘甲酸到水杨酸的代谢经过鲜有报道的1-萘酚分支途径。 (2)以PAHs (100mg L-1菲+50mg L-1芘)和2mM As(V)作为选择压力,从上海某废弃焦化厂土壤中筛选到一株能降解PAHs和还原砷的双功能分离株。命名为PAHAs-1,经16S rRNA基因鉴定为Pseudomonas属。发现： (a)该菌能耐受22mM的As(V)和6mM的As(Ⅲ)。PAHAs-148h内能完全还原1.5mM As(V)。以60mg L-1菲和20mg L-1芘混合PAHs为唯一碳源生长时,菲和芘60h后的去除率分别为100%和50%。当PAHAs-1利用此二元PAHs生长还原砷时,砷的还原速率显著降低。1.5mM As(Ⅴ)60h内的平均还原速率仅为4.62μM h-。不同价态和浓度的砷会影响PAHAs-1细胞的生长和对PAHs的降解作用,这种影响与PAHs的种类及砷的浓度相关。200mg L-1乳酸钠能同时促进As(V)的还原和芘的共代谢降解。 (b)从PAHAs-1基因组DNA成功扩增编码环羟基化双加氧酶α亚基、砷转运蛋白和砷还原酶基因,验证了其双功能特性。后两种基因的存在表明PAHAs-1通过已知的脱毒机制还原砷。其脱毒依赖于As(V)的细胞质还原和As(III)的快速外排。 (c)采用水培试验,研究了PAHAs-1对蜈蚣草生长、吸收及转运砷和菲去除的影响。12d后,接种PAHAs-1总体上增加了蜈蚣草的生物量,地上部和地下部干重分别增加21.0%-38.7%和13.5%～66.3%。不接菌处理中,地上部和地下部砷浓度分别为246.7～438.9mg kg-1和102.6～231.4mg kg-1。接菌处理后,分别增加到754.1～1425.7mgkg-1和121.5～351.4ng kg-1.接菌也显著提高了蜈蚣草的砷转运能力,转运系数(TF)提高了116%～315%。基于砷的还原作用仅发生于接菌处理的水溶液中,我们推测砷吸收和转运的增加是PAHAs-1介导的砷还原作用所致。此外,接菌处理使蜈蚣草体内SOD活性和GSH水平呈下降趋势,表明接菌有助于减缓菲砷的胁迫作用。虽然蜈蚣草可以吸收少量的菲,但其贡献不足1%。PAHAs-1的降解是菲去除的主要途径。据我们所知,本研究中耐盐菌株的C-9,10和C-3,4菲代谢途径和获得的砷还原和PAHs降解的双功能菌株均为首次报道。本研究结果为两菌株应用于实际污染场地的生物修复提供了理论依据和参考。
【图文】：

代谢机制,图片,脱甲基化作用,转化机制

微生物的砷代谢机制（图片来源于I^ez-Espino等1"71，2009)

组织结构图,组织结构,分子机制,学者

图1.9蜈蛇草不同的组织结构Figure 1.9 Schematic of different parts of R vittata. Modified fromhttp://www.floravascular.com/plantas/FI/PterisO/820vittata.jpg.蜈蛇草己被选作研宄植物超富集砷分子机制的模式植物。目前，，诸多学者对蜈蛇草的砷吸收、转运和脱毒机制进行了系统研宄，己取得了一定的研宄进展。这些进展
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X172;X592

【共引文献】