土壤活性颗粒对细菌吸附及活性影响的机制

发布时间：2017-04-15 19:22

  本文关键词：土壤活性颗粒对细菌吸附及活性影响的机制，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：土壤矿物与胶体对细菌吸附及活性的调控作用深刻影响着土壤中生物膜形成、矿物风化、元素循环、有机质分解、团聚体稳定性、污染物归趋等诸多关键生物地球化学过程。时至今日,土壤活性颗粒与细菌界面相互作用的分子机制还很不清楚。本研究选取革兰氏阴性细菌大肠杆菌(Escherichia coli)、恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)、根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)及副球菌(Paracoccus sp.)和革兰氏阳性的枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)作为供试菌株,以葡聚糖、牛血清白蛋白与多聚-L-赖氨酸作为细胞表面大分子的相似物,以高岭石、蒙脱石、针铁矿、白云母、红壤与棕壤胶体作为供试的土壤颗粒。采用传统物理化学及微生物学方法,借助原子力显微镜、等温微量热、衰减全反射傅里叶变换红外光谱、荧光显微镜与细胞染色等现代仪器分析技术,综合运用表面性质表征技术、经典胶体稳定性理论(DLVO)计算与准一级动力学方程拟合等,旨在探究在流动系统中细菌与土壤胶体表面的吸附行为,生长期对细菌在粘粒矿物表面吸附的影响,细菌与粘粒矿物间的复合形式和吸附力,粘粒矿物表面生物膜形成过程的纳米尺度的表面形貌,细菌表面生物聚合物与矿物问的吸附力,细菌代谢活性对土壤活性颗粒的响应特征。获得以下主要成果：(1)证实衰减全反射傅里叶变换红外光谱技术可用于研究细菌在土壤胶体表面吸附的动态过程。细菌与土壤胶体间的吸附符合准一级动力学方程。细菌细胞表面的蛋白质参与了细菌与土壤胶体间的吸附过程。在流动系统中,细菌与土壤胶体可发生不可逆吸附。吸附的发生的驱动力包括DLVO理论预测的一级能量最低点吸附能,及聚合物桥接、局部电荷异质性、表面粗糙度与疏水性等非DLVO因素产生的作用能。(2)明确了生长期不同导致细菌在粘粒矿物表面吸附的差异。建立了细菌在静态与流动系统中土壤粘粒矿物表面吸附的实验方法。在两种水流状态下,稳定期均较指数中期细胞在高岭石表面有更大的吸附密度。原因是稳定期比指数中期细胞粒径小及负电荷少,其与高岭石间的二级能量最低点较深及能垒更低。(3)首次在单细胞水平获得了细菌与粘粒矿物间多样的吸附方式及吸附力。细菌选择性地主要与高岭石边面而非基面进行结合,细菌与蒙脱石结合松散,而与针铁矿结合紧密。首次测定了细菌与粘粒尺寸针铁矿间的相互作用力。大肠杆菌(E. coli)与针铁矿发生吸附时的引力为97±34 pN(10-12N),吸附4 s后两者间的吸附力与吸附能均达最大化,大小为-3.0±0.4 nN(10-9N)与-330±43 aJ(10-18 J)。实验测定的巨大吸附能足以使细胞与针铁矿间发生不可逆吸附。(4)率先表征了细菌生物膜在粘粒矿物表面的形成过程。细菌在低营养水平更易在粘粒矿物表面形成生物膜,且大肠杆菌(E. coli)在供试的细菌中生物膜形成的能力最强。(5)获得了细菌表面蛋白质及多糖与层状硅酸盐矿物间的吸附力。在弱酸性环境中,离子强度的增加显著降低了带正电荷的蛋白质及葡聚糖与白云母间的吸附力。静电引力减弱和聚合物分子构型变成了致密压缩状态是吸附力降低的主要原因。从酸性到碱性溶液环境,生物大分子与白云母间的吸附力显著降低。静电引力与氢键数量的降低是吸附力变弱的关键原因。在所有供试的条件下,多聚-L-赖氨酸与白云母间的吸附力均高于牛血清白蛋白及葡聚糖。在酸性环境中,牛血清白蛋白与白云母间的吸附力高于葡聚糖,而在碱性环境中,反之。(6)阐明了细菌代谢活性对土壤活性颗粒的响应特征。土壤活性颗粒促进大肠杆菌(E. coli)与枯草芽孢杆菌(B. subtilis)的代谢活性,而抑制恶臭假单胞菌(Pputida)与副球菌(Paracoccus sp.)的代谢活性。同种细菌的细胞代谢活性对多种土壤活性颗粒的响应特征相似。腐殖质可通过界面作用促进细菌的代谢活性。土壤活性颗粒与细菌间的界面静电作用调控细菌的代谢活性。
【关键词】：细菌吸附 细菌活性 粘粒矿物 土壤胶体 吸附力
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S154
【目录】：

• 摘要8-10
• Abstract10-12
• 第一章 前言12-35
• 1.1 引言12
• 1.2 微生物-矿物互作方式12-14
• 1.3 微生物-矿物互作环境效应14-15
• 1.4 细菌在矿物表面吸附的优势与弊端15-16
• 1.5 细菌-矿物吸附过程与机理16-26
• 1.5.1 细菌表面定殖过程16-18
• 1.5.2 初始吸附界面作用力及影响因素18-26
• 1.6 吸附研究方法26-32
• 1.6.1 摇动或静置法26
• 1.6.2 填充柱系统26
• 1.6.3 流动系统26-27
• 1.6.4 原子力显微镜技术27-31
• 1.6.5 红外光谱技术31
• 1.6.6 其他技术31-32
• 1.7 矿物对微生物活性的影响32-33
• 1.8 研究目的与内容33-35
• 第二章 恶臭假单胞菌在红壤胶体表面吸附的原位衰减全反射红外光谱研究35-50
• 2.1 前言35-36
• 2.2 材料与方法36-40
• 2.2.1 土壤胶体36-37
• 2.2.2 细菌37
• 2.2.3 电动电位与水动力学半径测定37
• 2.2.4 水-烃两相分配法疏水性分析37
• 2.2.5 原位ATR-FTIR实验37-39
• 2.2.6 细菌-土壤胶体相互作用能计算39-40
• 2.2.7 统计分析40
• 2.3 结果与讨论40-49
• 2.3.1 土壤胶体与细菌的电动电位40
• 2.3.2 土壤胶体与细菌的红外光谱40-41
• 2.3.3 细菌在土壤胶体表面吸附与解吸动力学的红外光谱分析41-45
• 2.3.4 细菌与土壤胶体的相互作用能45-49
• 2.4 结论49-50
• 第三章 生长期对恶臭假单胞菌在高岭石表面吸附的影响50-69
• 3.1 前言50-51
• 3.2 材料与方法51-55
• 3.2.1 高岭石包被盖玻片的制备51-52
• 3.2.2 细菌52
• 3.2.3 细菌与高岭石性质表征52-53
• 3.2.4 细菌在高岭石包被玻片表面的吸附53-54
• 3.2.5 荧光显微成像与分析54
• 3.2.6 细菌在高岭石表面吸附的原位ATR-FTIR实验54-55
• 3.2.7 高岭石与细菌的扫描电镜观察55
• 3.2.8 细菌-高岭石相互作用能计算55
• 3.2.9 统计分析55
• 3.3 结果与分析55-67
• 3.3.1 生长期对细菌表面性质的影响55-59
• 3.3.2 指数中期与稳定期细胞吸附成像59-61
• 3.3.3 高岭石与细菌的红外光谱61-63
• 3.3.4 细菌吸附与解吸动力学的红外光谱分析63-65
• 3.3.5 细菌与高岭石的相互作用能65-67
• 3.4 讨论67-68
• 3.5 结论68-69
• 第四章 粘粒矿物表面细菌吸附与生物膜形成的原子力显微镜技术研究69-96
• 4.1 前言69-70
• 4.2 材料与方法70-74
• 4.2.1 矿物70
• 4.2.2 细菌70-71
• 4.2.3 细菌与矿物性质表征71
• 4.2.4 细菌-矿物复合体制备71
• 4.2.5 矿物表面生物膜的形成71-72
• 4.2.6 细菌-矿物复合体及生物膜形貌表征72
• 4.2.7 AFM力曲线测定72-73
• 4.2.8 表面粗糙度测定73
• 4.2.9 细菌-矿物相互作用能计算73-74
• 4.2.10 统计分析74
• 4.3 结果与讨论74-95
• 4.3.1 细菌表面形貌74-75
• 4.3.2 细菌-矿物复合体的表面形貌75-77
• 4.3.3 细菌与矿物的相互作用能77-79
• 4.3.4 细菌与针铁矿间的力谱79-82
• 4.3.5 矿物表面生物膜的微观形貌82-95
• 4.4 结论95-96
• 第五章 细菌表面生物大分子与矿物间作用力的原子力显微镜技术研究96-108
• 5.1 前言96-97
• 5.2 材料与方法97-98
• 5.2.1 多糖与蛋白质修饰AFM探针的制备97-98
• 5.2.2 AFM力曲线测定98
• 5.2.3 统计分析98
• 5.3 结果与讨论98-107
• 5.3.1 离子强度对力曲线的影响98-103
• 5.3.2 pH对力曲线的影响103-107
• 5.4 结论107-108
• 第六章 细菌代谢活性对土壤活性颗粒的响应特征108-123
• 6.1 前言108
• 6.2 材料与方法108-110
• 6.2.1 土壤矿物与胶体108-109
• 6.2.2 细菌109
• 6.2.3 土壤活性颗粒基本性质测定109
• 6.2.4 细菌代谢热监测109-110
• 6.2.5 葡萄糖矿化与细菌数量监测110
• 6.2.6 统计分析110
• 6.3 结果与分析110-120
• 6.3.1 土壤活性颗粒的基本性质110-111
• 6.3.2 细菌代谢热活性111-117
• 6.3.3 葡萄糖矿化速率117-119
• 6.3.4 细菌数量119-120
• 6.4 讨论120-122
• 6.5 结论122-123
• 第七章 结语123-126
• 7.1 研究结论123-124
• 7.2 主要创新点124
• 7.3 展望124-126
• 参考文献126-151
• 攻读博士学位期间发表的论文151-152
• 致谢152-153

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 赵文强;刘星;蔡鹏;黄巧云;;病原菌在红壤胶体上的吸附机制研究[J];土壤学报;2013年02期

2 吴华勇;黄巧云;蔡鹏;梁巍;荣兴民;;原子力显微镜技术在固相表面细菌吸附研究中的应用[J];应用与环境生物学报;2010年04期

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1 荣兴民;几种细菌与土壤粘粒矿物相互作用的热力学研究[D];华中农业大学;2008年

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本文编号：309093