高砷土壤与沉积物中砷氧化微生物的活性及其相关基因的研究

发布时间：2020-07-17 16:13

【摘要】：目前,砷污染已经成为一个全球性问题,我国二十余个省超过一千万人口受到砷污染的影响。研究表明,砷污染的形成有两个途径,一个是自然因素导致地表砷释放到周围水土资源中；另一个则是人为造成的砷污染。本课题选取江汉平原和湖南石门两个采样点,分别代表典型自然形成的高砷污染区和人为造成的砷污染区域,采集了6个土壤与沉积物样品,研究其中的微生物的砷代谢过程及机制。一方面从群落层面,研究样品中不同营养类型的微生物的砷氧化功能；另一方面通过分离高效的砷氧化微生物,研究其砷氧化的分子机制；并从中挑取典型的高效砷氧化菌株AOA-1,克隆其砷氧化酶基因簇,探究影响其砷氧化能力的环境因素。根据不同条件下的富集实验结果,两个采样点的样品中均分布有砷氧化微生物,它们能将培养基中添加的外源砷完全氧化。湖南石门土壤样品中的微生物群落能够在短时间内迅速氧化完培养基中添加的浓度高达5mM的外源As(Ⅲ)；江汉平原的样品中的微生物能够在数天内氧化完培养基中添加的浓度为1mM的As(Ⅲ)。这说明不论是人工造成的高砷污染区域(湖南石门的雄黄矿厂周围)还是自然形成的高砷地下水环境(江汉平原)中都分布有大量的耐砷微生物,其中相当一部分菌株具有砷氧化功能,并且营养类型各异。本研究还从中生根瘤菌属Mesorhizobium)、根瘤菌属(Rhizobium)、假黄单胞菌属(Pseudoxanthomonas)、无色菌属(Achromobacter)、中华根瘤菌属(Ensifer)、鞘氨醇核菌属(Sphingopyxis)、黄杆菌属(Flavobacterium)、极小单胞菌属(Pusillimonas)、申氏菌属(Shinella)、节细菌属(Arthrobacter)、假单胞菌属(Pseudomonas)和氨基杆菌属(Aminobacter)等13个属中分离出19株砷氧化微生物,其中15株能在2-5天内完全氧化1mM-5mM的As(Ⅲ)。利用分子生物学方法获得其中8个菌株的氧化酶大亚基(AioA)基因序列,分析其砷氧化功能的分子基础。此外,本课题选取一株代表性高效砷氧化菌株Mesorhizobium sp. AOA-1,克隆了该菌株的氧化酶基因簇。通过生物信息学分析,菌株Mesorhizobium sp. AOA-1的氧化酶基因簇结构为aioB-aioA-cycC-moeA。这四个基因和目前已知砷氧化菌株的对应基因的最高相似性分别为95%、79%、66%和75%。根据砷浓度梯度氧化实验,发现As(Ⅲ)对微生物的砷氧化能力有促进作用,并且在菌株耐受范围内,浓度越高,促进作用越明显。这可能是由于微生物的砷氧化酶基因表达受到As(Ⅲ)的诱导,高浓度的As(Ⅲ)诱导菌株表达更高量的砷氧化酶,从而使菌株更高效率地氧化砷。不同环境因子对菌株AOA-1生长及砷氧化功能也有影响,研究结果显示三价铁、硝酸根和硫酸根对菌株的砷氧化能力有较弱的抑制作用；锰离子明显抑制了菌株AOA-1的砷氧化过程；而磷酸根对AOA-1的砷氧化能力有显著的促进作用。本课题系统地研究了不同高砷污染区域中微生物的群落功能,分离出一批高效砷氧化微生物,并研究了它们的砷氧化能力及其分子基础。挑选典型的高效砷氧化菌,克隆其砷氧化酶基因簇,探究其砷氧化酶活性的调控因素,为高砷污染区微生物参与的砷循环的生物学机制提供理论基础,也为高效环保地处理含砷废水提供了潜在生物材料。
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：Q93

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本文编号：2759656