硫氧化菌群落结构分析及其特性研究

发布时间：2020-05-11 08:16

【摘要】：硫氧化细菌在硫的地球化学循环中扮演着重要的角色,是自然界中硫的生物氧化的主导者,在制革、印染造纸、石油化工、化学品制造等工业废水的生物治理中起着极其重要的作用。对含硫废水处理系统中硫氧化细菌群落结构的分析、高效污染物降解菌的筛选和硫氧化特性的研究有利于解析环境中硫氧化细菌的组成和丰度,优化污水处理系统硫化物降解工艺。本论文针对基于PCR的微生物分子生态学技术应用上的局限性,构建了基于微生物活细胞检测的环境微生物分子生态学研究方法;研究了印染废水处理系统中细菌、古菌和硫氧化细菌的群落结构;通过好氧和厌氧富集,富集和筛选到了能氧化硫代硫酸盐的硫氧化细菌;并对所筛得的高效硫氧化菌的生理生化和生物学特性进行了研究。叠氮溴化丙锭(Propidium Monoazide, PMA)是一种对DNA具有高度亲和力的光敏DNA染料,不能透过完整的细胞膜,只能选择性地修饰细胞死亡后暴露出来的DNA分子,能有效抑制热处理、异丙醇处理等致使细菌细胞膜破裂而导致的死细胞DNA的PCR扩增;PMA能有效抑制大片段DNA的PCR扩增,而对于小片段的DNA(例如㩳200 bp),PMA不能有效或完全抑制其PCR扩增;针对该问题构建的PMA-巢式PCR-DGGE方法可以有效抑制环境样品中死细胞DNA的PCR扩增,提高DGGE检测的灵敏性,可实时有效地研究环境微生物群落结构和动态变化,在复杂样品的研究中也有应用价值。细菌和古菌16S rRNA基因的克隆文库表明印染废水处理系统中细菌主要由Gammaproteobacteria (73 %), Anaerolineae (6 %), Bacilli (5 %), Deltaproteobacteria (7 %), Clostridia (4 %), Bacteroidetes (1 %)和Chlorobia (1 %)组成,古菌主要由Methanomicrobia (99 %)和Thermococci (1 %)组成,细菌比古菌的多样性高;基于硫氧化菌功能酶基因dsr、sox和sqr的克隆文库表明Alphaproteobacteria, Betaproteobacteria, Gammaproteobacteria和Chlorobi同源的硫氧化细菌是该废水处理系统中主要硫氧化菌,由以下几个种群构成:Halothiobacillaceae (17 %), Hydrogenophilaceae (14 %), Rhodocyclaceae (13 %)和一些非培养细菌(10 %),Halothiobacillaceae, Rhodocyclaceae和Hydrogenophilaceae环境中占有的丰度、营养类型、生长特性等说明这些菌群是该废水处理系统中硫化物降解的主要贡献者;并且该印染废水处理系统中硫氧化细菌群落结构相对稳定,并没有随着时间的变化发生显著性改变。 DGGE分析表明,厌氧光照富集过程中主要细菌包括Acinetobacter, Paracoccus, Alcaligenes, Rhodopseudomonas, Clostridium和Enterobacteria,而Rhodopseudomonas在富集过程中丰度不断增加,是厌氧氧化硫代硫酸钠的主要种群;好氧富集过程中主要细菌包括Pseudomonas, Halothiobacillus, Ochrobactrum, Paracoccus, Thiobacillus和Alcaligenes,Thiobacillus和Halothiobacillus在富集过程中种群丰度较高,是好氧氧化硫代硫酸钠的主要种群;从好氧富集物中筛得6株硫氧化细菌,分别与Pseudomonas, Halothiobacillus, Ochrobactrum, Paracoccus, Thiobacillus和Alcaligenes同源;从厌氧富集物中筛得4株硫氧化细菌,分别与Acinetobacter, Paracoccus, Rhodopseudomonas, Alcaligenes同源;硫代硫酸钠氧化能力测试表明Thiobacillus和Halothiobacillus具有较高的硫氧化能力。筛得的菌株JFA2的16S rRNA基因序列与Halothiobacillus的同源性较高,其中与Halothiobacillus neapolitanus的同源性达到99 %;菌株JFA2属于革兰氏阴性,直径约0.8-1.0μm,长2.0-4.0μm的杆菌,最适生长pH为4.0-6.0,最适生长温度为35℃-40℃,最适转速为180 rpm,能在pH为3.0-9.0,温度为15℃-50℃的环境中生长;Fe~(3+)能促进菌株JFA2的生长,NaCl浓度为0-0.05 mol/L时菌株JFA2生长较快,能耐受1 mol/L的NaCl;可固定CO_2作为碳源进行化能自养生长,也能以葡萄糖、蔗糖、乙酸钠、淀粉和丁二酸钠为碳源进行化能异养生长;好氧条件下能利用铵盐、亚硝酸盐和硝酸盐,厌氧条件下能以亚硝酸盐作为电子受体,硫代硫酸钠为电子供体和能源进行生长;在低浓度硫代硫酸盐的无机培养基中,硫代硫酸盐直接氧化为硫酸盐,而在高浓度硫代硫酸盐的无机培养基中,硫代硫酸盐氧化为硫酸盐的过程中有单质硫的积累;能以硫化物、单质硫、亚硫酸盐、硫代硫酸盐、硫氰酸盐、SDS、连四硫酸盐、对氨基苯磺酸和甲硫氨酸为唯一能源进行生长代谢;基因组中含有功能酶基因soxB、dsrA和sqr。
【图文】：

硫循环,自然界

在自然界中广泛存在。自然界中硫循环如图1-1 所示，包括几个基本部分：（1）通过矿化作用将有机硫转化为无机态的硫，如硫化物等（如图中①）；（2）通过氧化作用将还原态的硫（如硫化物、单质硫、硫代硫酸盐等）转化为硫酸盐等化合物（如图中②-⑦）；（3）通过还原作用将氧化态的硫（硫酸盐、单质硫等）转化为硫化物（如图中⑧和⑩）；（4）通过同化还原作用将硫酸盐转化为有机硫（如图中⑨）。图 1-1 自然界中硫循环[264]Figure 1-1 Sulfur cycle in nature在自然界硫循环过程中，微生物扮演着重要的角色，硫的生物循环是硫循环中最为重要的环节。微生物参与的硫循环包括：（1）厌氧条件下，硫酸盐还原细菌（Sulfate-reducing bacteria, SRB）将硫酸盐还原为硫化物（如图 1-1 中⑧）；（2）好氧或厌氧光照条件下，，硫氧化细菌（Sulfur-oxidizing bacteria, SOB）将硫化物、单质硫和硫代硫酸盐等氧化为硫酸盐等（如图 1-1 中②-④）；（3）硫酸盐被微生物的同化作用转化为有机硫（如图 1-1 中⑨）。参与自然界中硫循环的微生物种类如图 1-2 所示，包括了来自细菌和古菌的微生物。第12期罗剑飞：硫氧化菌群落结构分析及其特性研究 B027-8-7

示意图,微生物系统,硫氧化,微生物

图 1-2 硫代谢微生物系统发育树示意图[202]Figure 1-2 Schematic phylogenetic tree based on different types of sulfur-metabolizingmicroorganisms.2 硫氧化微生物
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：X172;X703

【引证文献】