环境微生物与铀和汞的相互作用和机理

发布时间：2018-11-28 21:12

【摘要】：微生物与放射性元素和重金属间相互作用包括吸附吸收,络合沉淀,氧化还原,甲基化及去甲基化等。微生物与放射性元素和重金属之间复杂的生物物理化学反应,必然影响放射性元素和重金属在环境中的形态分布,迁移,转化和循环等生物地球化学过程。因此,研究环境微生物与放射性元素及重金属的相互作用和转化机理对放射性废物地质处置的安全评估和重金属污染环境的生物修复具有重要意义。本论文针对铀(放射性元素,锕系元素代表)和汞(剧毒,重金属循环的典型)和环境微生物相互作用进行了以下三部分研究:一、酵母菌Saccharomyce cerevisiae与铀U(VI)相互作用微生物对环境中放射性元素的形态分布,迁移,转化和循环起着关键性作用。微生物吸附放射性元素对于高水平放射性废物地质处置的安全评估以及放射性元素污染地区的环境修复有着重要意义。本部分工作系统研究了酵母菌Saccharomyce cerevisiae与放射性元素U(VI)的相互作用。主要包括吸附动力学过程,吸附平衡态研究,考察了生物量、细胞活性和环境因子(例如p H,离子强度)等对吸附过程的影响。同时,利用高分辨透射电镜(HRTEM)以及傅立叶变换红外光谱(FT-IR)表征方法,对相关机理做了进一步的探索。吸附动力学表明S.cerevisiae细胞能够快速吸附U(VI),吸附反应在~15 min达到平衡。平衡态研究中发现,p H是影响S.cerevisiae细胞吸附U(VI)的关键因素,它不仅影响S.cerevisiae细胞表面官能团的质子化与去质子化过程,同时影响U(VI)在溶液中的形态分布。由于细胞表面OH-的释放,引起S.cerevisiae细胞吸附U(VI)前后体系p H的移动。通常,随着生物量的增加,吸附位点增多,因此S.cerevisiae细胞对U(VI)的吸附率增加。高离子强度(如0.1 M Na NO3)抑制S.cerevisiae细胞吸附U(VI),可能原因是Na~+与UO_2~(2+)在细胞表面的竞争反应。相同实验条件下,热处理失活细胞的吸附量比活性细胞高一个量级。作为对吸附机理的初步探索,高分辨透射电镜分析表明活性S.cerevisiae细胞吸附的U(VI)主要沉积在细胞壁的内外表面,并呈现出“针状纤维”结构;而热处理后,不仅在细胞壁内外表面,在细胞外同样发现了类似的铀沉积物结构。同时,X射线能量色散谱(EDX)观察到S.cerevisiae细胞在吸附后U峰的出现。傅立叶变换红外光谱分析证明了S.cerevisiae细胞表面官能团:羟基(hydroxyl),羧基(carboxyl),磷酸基(phosphate)和氨基(amine)在S.cerevisiae细胞络合U(VI)过程中的重要作用。二、铁还原菌Geobacter bemidjiensis Bem与汞Hg的相互作用和转化机理甲基汞(Methylmercury,Me Hg)是由环境中的无机汞(Mercury,Hg)在可甲基化汞微生物协助下转化而来,因具有很强的神经毒性和生物积累效应,在近几十年来受到广泛关注与研究。环境中的净甲基汞含量是由甲基汞的生成和降解两个竞争过程控制的。本部分工作报道了厌氧铁还原菌Geobacter bemidjiensis Bem同时协助汞的吸附吸收,氧化还原,甲基化及去甲基化多种反应过程。该工作是对于厌氧铁还原菌能够甲基化汞的同时又可以降解甲基汞的首次报道。同时,我们研究了微生物的生长期以及环境因子,包括汞浓度,半胱氨酸(cysteine),谷胱甘肽(glutathione)和可溶解有机质(dissolved organic matter)对G.bemidjiensis与汞相互作用和转化过程的影响,期望在一定程度上理解相关机理。无机汞Hg(II)转化实验表明G.bemidjiensis细胞呈指数变化快速甲基化汞,随着时间推移,生物生成的甲基汞又同时可被该菌降解。甲基汞Me Hg降解实验进一步验证了G.bemidjiensis去甲基化的能力。同时,金属汞Hg(0)作为主要的降解产物,以及G.bemidjiensis序列中含有编码有机汞裂解酶(Mer B)和汞还原酶(Mer A)的基因,我们推测mer操纵子协助的还原性去甲基化(reductive demethylation)途径在该过程的主要作用。汞形态分布和转化研究表明,G.bemidjiensis细胞能够强烈吸附吸收无机汞和甲基汞,并且可以还原二价汞以及氧化金属汞。随着时间变化,G.bemidjiensis影响着汞各种形态的分布以及之间的相互转化。不同生长期影响G.bemidjiensis对汞的形态转化:相对平衡期细胞,对数期细胞降解甲基汞的能力更强,同时产生甲基汞的浓度反而降低。随着汞浓度的增加,G.bemidjiensis细胞甲基化和去甲基化汞能力提高;然而过高汞浓度对细胞产生毒性,降低了反应速率。因此,汞的微生物甲基化和去甲基化可能是微生物受到有毒金属汞胁迫时的一种解毒机理。依赖于反应时间和半胱氨酸浓度,半胱氨酸在G.bemidjiensis对汞的形态转化中起到复杂的影响。在一定浓度范围(10-500μM),半胱氨酸能提高G.bemidjiensis甲基化汞能力而抑制甲基汞的降解。谷胱甘肽同时抑制G.bemidjiensis细胞甲基化汞和对甲基汞的降解。由于可溶解有机质与汞形成稳定的络合物,影响汞的生物可利用性,因此可溶解有机质的加入抑制G.bemidjiensis细胞对汞的甲基化和去甲基化。三、甲烷氧化菌Methanotrophs与汞Hg的相互作用和转化机理甲烷氧化菌(Methanotrophs)是将甲烷(methane)作为唯一碳源和能源的一大类微生物,广泛分布于环境中。环境中的净甲基汞含量是由甲基汞的生成和降解两个竞争过程决定的。鉴于甲烷氧化菌单碳新陈代谢的途径(C1-metabolic pathway),本部分内容研究了两株典型的甲烷氧化菌Methylosinus trichosporium OB3b和Methylococcus capsulatus Bath对甲基汞的相互作用及其转化过程。由于不同生长条件(例如铜Cu2+、铈Ce3+金属离子的加入)影响甲烷氧化菌的甲烷单氧酶(MMO)和甲醇脱氢酶(Me DHs)的表达,我们考察了不同生长条件对其相互作用和转化的影响。同时,通过不同浓度的竞争碳源甲醇(methanol)对M.trichosporium OB3b吸收和降解甲基汞的影响,我们推测氧化性去甲基化途径(oxidative demethylation)起主要作用。通过对几株基因敲除突变体(?mbn A,?mbn A-N,?mbn T,?mxa F)的研究,进一步探索了M.trichosporium OB3b降解甲基汞的可能途径和机理。M.trichosporium OB3b和M.capsulatus Bath都能够快速大量吸附甲基汞,并且很大比例甲基汞能被细胞吸收而进入细胞体内。更为关键的是,M.trichosporium OB3b同时能够降解甲基汞,而M.capsulatus Bath在不同生长条件、不同甲基汞浓度下均不能降解甲基汞。这可能与不同种类甲烷氧化菌的细胞表面结构以及生物化学代谢途径的差异有关。甲基汞浓度影响M.trichosporium OB3b对其降解的速率和降解量,在一定浓度范围(5-75 n M),M.trichosporium OB3b降解甲基汞的速率和降解量随着甲基汞浓度的增加而增加。甲醇作为可能的单碳竞争底物,当其浓度为5 m M时能够完全抑制M.trichosporium OB3b对甲基汞的降解,这主要是因为甲醇的加入在一定程度上影响了细胞对甲基汞的吸收。因此,我们推测M.trichosporium OB3b可能通过氧化性去甲基化途径降解甲基汞。对M.trichosporium OB3b突变体?mbn A,?mbn A-N的进一步研究表明,对一段可能合成methanobactin基因的敲除导致该菌无法降解甲基汞。而对吸收methanobactin基因的敲除(?mbn T),提高了该菌对甲基汞降解的速率。这些结果表明,M.trichosporium OB3b降解甲基汞可能与合成或吸收methanobactin的相关生物化学途径有关,或者是与其合成的methanobactin螯合物能够降解甲基汞有关。综上,本论文以铀(放射性元素,锕系元素代表)和汞(剧毒,重金属循环的典型)为对象,通过分析其与微生物的多种相互作用,研究了放射性元素和重金属在环境中的生物地球化学循环,并在一定程度上阐明了相互作用机理。本工作提供了放射性元素和重金属与微生物相互作用的基本研究方法,并且对放射性元素和重金属污染地区的微生物环境修复有着重要的指导意义。
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【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X172;X132

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