黄河兰州段土壤细菌群落对重金属铬污染的响应及还原机制的探究

发布时间：2020-06-08 13:22

【摘要】：普遍存在的重金属污染问题严重影响着我国人民的生产生活,作为生态系统的重要组成部分,细菌在重金属循环过程中发挥着巨大作用。随着工农业的发展,黄河兰州段的土壤受到不同程度的重金属污染。然而,长期的重金属污染对该地区土壤中细菌群落的影响尚不明确。此外,黄河兰州段重金属污染地区的细菌群落应答重金属胁迫压力的机制也有待探究。本文以黄河兰州段土壤细菌群落作为研究对象,利用16S rRNA基因的MiSeq测序,GeoChip技术,宏基因组与宏转录组测序技术,蛋白表达,酶活测定等方法研究细菌群落与所处环境之间的关系,铬(VI)还原过程中细菌群落组成结构以及功能的变化,细菌群落应对短期铬(VI)刺激的生理活动以及铬还原蛋白酶的还原机制。主要结果及结论如下:(1)在对兰州黄河段6个不同污染程度的样点细菌群落的研究中发现,Xigu(XG)区为污染最严重的地区,不同污染程度下的细菌群落的组成结构具有显著性差异,与重金属浓度具有显著正相关的物种(如Geobacter,Rhodoferax,Thiobacillus等)可作为指示黄河兰州段重金属污染程度的指标。(2)在XG区土壤细菌进行铬(VI)还原过程中(每次添加2mM铬(VI)2mL),细菌群落的组成和功能结构发生相应的改变,与铬抗性或者还原相关的物种和基因在整个细菌群落中的丰度增加,稀有物种在铬还原过程中具有重要作用,铬(VI)刺激后Rhodoferax丰度的显著增加暗示着该菌株在铬(VI)的还原过程中起主导作用。(3)进一步对XG区土壤细菌进行短时效的铬(VI)刺激,并通过比较分析宏基因组与宏转录组测序数据,结果表明,相对于对照组,变形菌门中的种群在铬(VI)刺激下表达量增加,参与活性氧去除、铬抗性、铬还原性、以及与转录调控相关的基因表达量增加。同时,推测表达量最高的Desulfobacter菌应对铬(VI)胁迫的分子机制。(4)Pseudomonas brassicacearum LZ-4菌株在以萘为唯一碳源的条件下,其铬(VI)还原能力强于以葡萄糖为唯一碳源的条件。通过RNAi技术、蛋白表达以及酶活研究方法探究Pseudomonas brassicacearum LZ-4菌株中萘降解通路基因在萘降解和铬(VI)还原中的作用。结果表明,NahAa基因的表达增强了Pseudomonas brassicacearum LZ-4菌株铬(VI)还原能力且NahAa蛋白的铬(VI)还原能力是Yief蛋白的2倍。因此,上述现象的原因是由于NahAa基因在这两种碳源条件下的表达差异造成的。综上所述,本文首次报道黄河兰州段细菌群落的组成、结构及功能,通过宏测序技术发现未知的细菌资源,并针对铬污染提出相应的细菌修复方案,发现萘降解通路上的基因参与铬还原过程,为复合污染的治理提供依据。
【图文】：

全球碳循环,细菌,亚硝酸盐

图 1-1 全球碳循环以及细菌在其中的作用（https://www.carboncycle.org/carbon-farming/the-carbon-cycle/）1.1.2 细菌在氮循环中的作用从细菌固氮，到硝化过程，再到反硝化过程以及有机氮与铵根的转换，细菌几乎参与了地球氮循环的整个过程 (Bradley et al., 2010; Levy-Booth et al., 2014)。固氮细菌主要通过nifH或者nifD基因等进行氮气到铵根离子的转换 (Dos Santoet al., 2012; Stüeken et al., 2015; Zehr et al., 1998)。硝化过程是指铵根离子转化为硝酸根离子的过程 (Sharma and Ahlert, 1977)，该过程主要是在氨氧化古菌或者氨氧化细菌，以及亚硝酸盐氧化菌的参与下完成的 (Fitzgerald et al., 2015Matsumoto et al., 2010)。Daims 等人发现氨氧化为亚硝酸盐，以及亚硝酸盐氧化为硝酸盐的两步反应过程可在单株细菌 Nitrospira 的作用下完成 (Daims et al.2015)。在反硝化过程中，细菌将硝酸根离子转化为亚硝酸根，一氧化氮，一氧化二氮以及氮气 (Clauwaert et al., 2007; Raghoebarsing et al., 2006; Verstraete andFocht, 1977)。反硝化过程引起的土壤中硝酸盐的流失也受到了世界各地的重视

氮循环,全球,细菌

图 1-2 全球氮循环以及细菌的作用1.1.3 细菌在其他元素循环中的作用细菌除了在碳、氮循环中起到重要作用以外，在磷、硫以及其他元素的地球循环中也起到至关重要的作用 (Dyhrman et al., 2007)。对于磷元素而言，细菌参与水体环境中磷的循环 (Cosgrove, 1977)，有机磷向磷矿石的转换 (Goldhammeret al., 2010)，以及生物可利用磷的形成等 (Richardson and Simpson, 2011; Whiteand Metcalf, 2007)。在硫循环中（图 1-3），细菌参与陆地，海洋等不同环境中硫酸盐、亚硫酸盐的还原，单质硫的氧化，硫化合物的歧化反应等过程 (Farquhar etal., 2000; Johnston et al., 2005; Sievert et al., 2007; Sorokin, 2011; Sun et al., 2009;Zouch et al., 2017)。细菌还参与其他元素的地化循环，如铁 (Emerson et al., 2010)，砷 (Islam et al., 2004)，汞 (Wiatrowski et al., 2006)，铬 (Emerson et al., 2010)，铀(Finneran et al., 2002; Lovley et al., 1991)等。细菌参与的以上各种元素的地化循环并不是一个孤立的过程，许多过程会同时发生（图 1-4），，如反硝化过程与硫代硫酸盐、硫氰酸盐的氧化过程 (Broman
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X53;X172

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