發(fā)布時間：2020-06-13 23:08

【摘要】：微生物通過代謝砷參與物質和能量的循環(huán),在生物和非生物化學循環(huán)起到重要作用。蜈蚣草(Pteris vittata L.)是高富集砷的蕨類植物,已成功用于砷污染土壤的修復,但砷富集過程中根際微生物與植物和砷污染程度的相互作用機理以及地表砷污染向地下轉移后對不同深度土壤微生物群落和功能基因的影響還知之甚少。而這些因素最終可能影響植物修復效率和砷向地下水轉移。土壤樣品采集于蜈蚣草修復了6年的砷植物修復基地和附近非修復砷污染區(qū)(25°48'N, 113°02'E)。對不同砷污染水平的蜈蚣草根際或非根際,從地表到地下4米共五個深度的砷污染土樣,利用Biolog系統(tǒng)和功能基因芯片(GeoChip 3.0)技術,闡明微生物群落的代謝潛力,結構和功能基因與根際,砷污染水平,土壤性質和深度的關聯。以上為本研究2和3章的內容。此外,細菌的抗鋅分子基礎雖有一些研究,但對于高抗性菌的鋅內穩(wěn)態(tài)機理還有待闡明。本論文對高鋅抗性菌株Comamonas testosteroni S44的抗鋅轉運蛋白基因功能和轉錄調控機制進行了研究(第4章)。本論文的主要結果如下： 1.砷污染蜈蚣草根際土樣中：非砷污染土樣具有最高的群落多樣性和唯一碳源利用能力,而砷污染降低了代謝的多樣性,但在相同砷污染水平的土壤中,根際微生物比非根際的具有更高的代謝多樣性。五個土壤樣品間只有較低比例的重疊基因(16.52%-45.75%)。和砷污染土樣相比,非砷污染樣品具有較高的基因多樣性和更多的特有基因(48.09%)。典型對應分析(CCA)揭示砷污染是降低土壤中功能基因多樣性的主要因素；此外,磷和有機質對微生物的群落結構有重要影響。在根際和非根際樣品中,砷抗性,硫酸鹽還原,磷利用和反硝化相關基因結構顯著不同,揭示了微生物功能基因和代謝活性與砷污染水平、根際間相互作用的關系。表明砷富集是蜈蚣草,根際微生物和砷污染水平相互作用的結果,根際微生物在蜈蚣草砷富集過程中起到重要作用。 2.在不同深度砷污染土樣中：微生物的代謝潛力和多樣性隨著樣品深度的增加而降低。表層群落結構與深層土樣中的顯著不同(p0.05),而在1-、2-、3-和4-m土壤樣品間沒有顯著性差異。但是,砷抗性、碳和氮循環(huán)等基因的豐度和分布在不同深度土壤中顯著差異。土壤樣品中C：N與砷抗性基因、C循環(huán)和N固定基因(nifH)的分布和豐度顯著相關(p0.10),總碳源的含量與Rubisco (rbcL)基因的豐度顯著相關(p=0.071)。利用rbcL和nifH基因作為分子標記,檢測到了微生物群落結構和活性在不同土壤深度中的差異。P、NO3-和C：N的組合與整個群落結構具有最大關聯(p=0.062,r=0.779)。以上結果表明在短期(10年)砷污染的土壤中,砷由地表的下滲對微生物群落/功能基因結構造成了一定影響,但營養(yǎng)物質和空間隔離可能是維護微生物群落功能和控制砷轉移的關鍵因素。 3.從銻尾礦土中分離到一株高鋅抗性菌株Comamonas testosteroni S44,具有多重金屬離子抗性,如Cd2+、Pb2+等。報告基因表達分析表明zntA的調控蛋白ZntR1對Zn2+、Cd2+和Pb2+均有應答。對調控蛋白zntR1基因敲除后,突變株表現出較低的Zn2+、Cd2+和Pb2+抗性(對應MICs:10 mM vs 6.0 mM,2 mM vs 1.5 mM和3.5mM vs 2.0 mM),但抗性沒有完全消失,預示其基因組中存在其它抗性基因或調控基因。全基因組序列分析發(fā)現9個推測為Zn2+、Cd2+和Pb2+外排的轉運子(4個zntA和5個czcA基因)。定量PCR結果表明4個zntA類的基因全部受Zn2+誘導表達,而czcA類的基因中,3個受Zn2+誘導表達,2個下調表達。基因組中大量編碼(類)金屬抗性蛋白,移動元件的基因和復雜的調控模式,可能是C. testosteroni S44適應金屬污染環(huán)境而發(fā)生的基因復制和轉移。 本研究闡明了土壤性質、砷污染水平、蜈蚣草根際的協(xié)同作用以及土壤深度異質性對微生物群落結構和功能基因的影響,并找出了影響微生物群落的關鍵環(huán)境因子。將對人為地改變條件來保護微生物多樣性,控制砷的轉移和促進植物修復提供理論基礎。利用基因敲除,報告基因表達,全基因組測序比對和定量PCR的方法,系統(tǒng)地分析了Comamonas屬細菌的高抗性的分子機理,具有重要理論價值。
【學位授予單位】：華中農業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2010
【分類號】：X172;S154.3

【參考文獻】

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1 ;Arsenic uptake and transport of Pteris vittata L.as influenced by phosphate and inorganic arsenic species under sand culture[J];Journal of Environmental Sciences;2007年06期

2 佘瑋;揭雨成;邢虎成;黃明;康萬利;魯雁偉;王棟;;湖南冷水江銻礦區(qū)苧麻對重金屬的吸收和富集特性[J];農業(yè)環(huán)境科學學報;2010年01期

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本文編號：2711879