希瓦氏菌胞外电子传递机制的解析和应用

发布时间：2020-10-24 00:51

　　 异化金属还原菌(Dissimilatory Metal-reducing Bacteria, DMRB)是一类能够将胞内有机底物代谢获得的电子转移至胞外,并耦合胞外金属氧化物还原的微生物。DMRB独特的胞外电子转移过程能以不溶性金属氧化物和固态电极为最终电子受体,在金属元素的地球化学循环和能源回收领域起到重要作用。同时,DMRB独特的胞外电子转移过程对于环境中的有机污染物的转化也起到促进作用,加速其在环境中的迁移转化过程,因而在环境污染修复领域中具有巨大的潜在应用价值。因此,DMRB作为一种特殊的功能细菌而受到微生物、环境、电化学等不同学科领域研究人员的广泛关注。为了进一步研究DMRB的胞外电子传递机制及其在污染物转化中的作用机理并拓展DMRB在环境污染修复领域中的应用,本论文以DMRB模式菌株之一的希瓦氏菌为研究对象,探索自分泌电子传递媒介——核黄素在生物合成受抑制条件下的希瓦氏菌胞外电子传递过程,深入研究了胞外电子传递在有机砷化合物(洛克沙胂)转化中的作用及机理,考察了胞外电子传递途径在重金属铬还原过程中的同位素分馏效应中的作用。上述研究工作为希瓦氏菌的胞外电子传递在环境修复中的应用提供了更多的理论依据和技术指导。主要研究内容和研究结果如下:1. Shewanella oneidensis MR-1的胞外电子传递的调控机制。研究了 S.oneidensisMR-1在其自分泌的电子传递媒介——核黄素的生物合成受抑制条件下的胞外电子传递规律。通过构建ribBA基因突变菌株,抑制了黄素类物质的分泌水平。与野生菌株相比,AribBA分泌黄素水平相比于野生型菌株下降了 50%,但AribBA在电化学池中比野生型菌株产生了较高的产电电流;胞外电子传递相关基因的表达分析结果表明mtrD、mtrE、cymA、omcA、fccA等相关基因发生了上调。这些结果表明,在核黄素合成受抑制条件下,胞外电子传递网络的内部调控能够重新增强胞外电子传递过程。因此,S. oneidensis MR-1自分泌的黄素类物质在胞外电子传递中的作用需要从全细胞系统水平上进行重新评估。该研究结果加深了对胞外电子传递过程的可塑性的认识,也为调控微生物胞外电子传递能力提供了新的途径。2. Shewanella putrefaciens CN32对洛克沙胂的厌氧转化机制。通过对Shewanella putrefaciens CN32厌氧转化洛克沙胂过程的研究,验证了该菌株对洛克沙胂的转化能力,通过对相应的转化产物的分析,进一步阐明了洛克沙胂转化过程的新机理。在以S.putrefaciens CN32为模式菌株的洛克沙胂转化机理研究表明,MtrC和UndA在胞外还原过程的关键蛋白;mtrC和undA基因的敲除使S.putrefaciensCN32在最初48 h对洛克沙胂的还原速率降低了 70%;同时存在的胞外还原和胞内还原过程,最终导致了以As(Ⅲ)为主要形态的无机砷的释放。常见电子传递媒介蒽醌-2,6-磺酸钠(AQDS)、核黄素(RF)能够加速转化过程。因此,自然环境中丰富矿物和腐殖酸等天然有机物能够进一步促进异化金属还原菌对洛克沙胂的转化,增加As(Ⅲ)释放环境风险。此外,对几种常见的异化金属还原菌转化洛克沙胂的能力也进行了进一步验证,结果表明它们都具有迅速转化洛克沙胂的能力,而且其转化产物中的无机砷形态主要是毒性较高的As(Ⅲ)。在厌氧环境中普遍分布的异化金属还原菌具有很高的洛克沙胂耐受水平。以S.putrefaciens CN32为例,其对洛克沙胂在好氧条件下的耐受水平高达6mM。这些结果对于理解异化金属还原菌在环境中有机砷转化过程的作用有重要意义。3.Shewanella oneidensis MR-1 的 Cr 同位素分馏机制。研究了S. oneidensis MR-1及其胞外电子传递外膜蛋白突变菌株AmtrC/AomcA对Cr(Ⅵ)的不同还原过程以及相应的铬同位素分馏效应。还原实验结果表明,野生型菌株和突变菌株在前4 h的平均还原速率分别为11.12 ± 0.38 μM Cr(Ⅵ) h-1(n= 2)和4.91 ± 0.48μM Cr(Ⅵ) h-1 (n= 2);突变菌株的还原速率仅为野生菌株的44.2%; TEM观察发现野生型菌株表面有含铬的颗粒沉积物出现,而突变菌株表面没有这一现象。S.oneidensisMR-1能够通过不同的还原途径还原去除Cr(Ⅵ);进一步的铬同位素分馏分析中,使用瑞利分馏模型对两种体系中的分馏过程进行拟合,获得相应的度量同位素分馏程度大小的分馏系数ε值,结果表明两种还原过程的ε值无明显差异,野生菌株和突变菌株的相应值为-2.42±0.68 ‰和-2.70 ±0.22 ‰。基于此,提出以S. oneidensis MR-1为代表的非异化还原依赖的微生物Cr分馏机理模型,从而增进了对微生物Cr同位素分馏机理的理解。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：X172
【部分图文】：

必然进行了氧化还原过程。然而，自然环境中的氧化还原过程多种多样，??根据氧化还原反应所对应的氧化还原电势的不同，不同电子受体能够按照一定的??先后次序与微生物利用有机底物的代谢过程相耦合（图１－１）。微生物异化金属还??原是指微生物能够利用有机底物代谢获得的电子还原某些金属化合物或还原某??些金属化合物并将其作为自身的一种解毒机制，以其作为电子受体而与金属元素??的摄取、利用无关的一种代谢过程１２。具有这种能够耦合有机底物代谢与异化??金属还原能力的细菌统称为异化金属还原菌（Ｄｉｓｓｉｍｉｌａｔｏｒｙ?Ｍｅｔａｌ－ｒｅｄｕｃｉｎｇ??Ｂａｃｔｅｒｉａ，?ＤＭＲＢ）。??Ｃ?（Ｈ２０）?＋?ＥＡ＾?ＣＯｚ?＋?ＲＳ??ＥＡ?〇：?Ｎ〇＞?对：二??■■?丨、??￣?，?Ｌ／＞??ＲＳ?Ｃ＜９；?Ｎ２?Ｆｅ’－今?Ｍｎ２?‘?ＨＺＳ?Ｏｆ，??图１＿１自然环境中的氧化还原电对３??在自然水体和沉积物等厌氧环境条件下，金属化合物多以不溶性氧化物的形??式存在，其中Ｆｅ（ＩＩＩ）或Ｍｎ（ＩＶ）氧化物在水体沉积物、湿地生态系统和地下水蓄??水层中大量存在。异化金属还原菌最初就是以Ｆｅ（ｍ）或Ｍｎ（ＩＶ）还原菌的形式被??发现４＿６。经过深入研宄发现ＤＭＲＢ通过向胞外转移电子这样一种特殊的代谢方??１??

杆菌属ＧｅｏＺｗｃｆｃｒ和希瓦氏菌属ＤＭＲＢ广泛分布在海洋沉积物、湖??泊底泥、地下水蓄水层等生态环境中，由于Ｆｅ（ＩＩＩ）＼Ｍｎ（ＩＶ）氧化物的还原一直以??来被研宄者认为是非生物因素起主导作用，微生物异化金属还原过程的发现使研??究者对ＤＭＲＢ在金属元素的地球化学循环过程中的重要作用有了新的认识７。??ＤＭＲＢ特有的胞外电子转移能力不仅能够实现金属氧化物的还原，还能够实??现重金属元素（Ｃｒ、Ｈｇ等）、放射性核素（Ｃｏ、Ｓｒ、Ｕ等）、芳香族有机物（硝基苯、??偶氮染料）、有机砷化合物等环境污染物的直接转化２。ＤＭＲＢ在有机污染物的??厌氧降解和重金属污染的原位修复都具有巨大的应用前景。不仅如此，异化金属??还原过程本身还能够耦合有机化合物尤其是有机污染物的降解过程（图１－２），在??水体沉积物和地下水的环境修复中具有重要的生态意义、此外，ＤＭＲＢ也能够??以电极为电子受体实现污染物去除与电能回收的双重功效。因此，人类由于面临??日益严峻的能源危机和环境污染双重挑战，围绕ＤＭＲＢ的生物电化学研究也逐??渐成为新的研究热点８。??一＂??

?第一章文献综述???ＤＳＭ?２４０９?ｍ），日本??１７１７７Ｔ??Ｓ．?ｖｉｏｌａｃｅａ?ＤＳＳ１２，?ＪＣＭ?１０１７９Ｔ?琉球海沟（５１１０ｍ），太平洋?Ｄ２１２２５??Ｓ．?ｗａｋｓｍａｎｉｉ?ＫＭＭ?３８２３Ｔ，?ＣＩＰ?海洋星虫，Ｔｒｏｉｔｚａ?湾，日本?ＡＹ１７０３６６??１０７７０１Ｔ，?ＡＴＣＣ??ＢＡＡ－６４３７??Ｓ．?ｗｏｏｄｙｉ?ＡＴＣＣ?５１９０８Ｔ，?ＭＳ３２?海水，阿尔沃兰海，西班牙?ＡＦ００３５４９??如表１－１所示，不同种类的希瓦氏菌从海洋环境、湖泊底泥沉积物和河流淡??水环境等不同生态系统环境中被分别分离出来，其广泛分布性如图１－３所示７。??考虑其所具有独特的异化金属还原能力，异化金属还原菌在金属元素的生物地球??化学循环中的重要作用不容忽视１６。??－???
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本文编号：2853782