【摘要】：目前,砷污染已經(jīng)成為一個全球性問題,我國二十余個省超過一千萬人口受到砷污染的影響。研究表明,砷污染的形成有兩個途徑,一個是自然因素導致地表砷釋放到周圍水土資源中；另一個則是人為造成的砷污染。本課題選取江漢平原和湖南石門兩個采樣點,分別代表典型自然形成的高砷污染區(qū)和人為造成的砷污染區(qū)域,采集了6個土壤與沉積物樣品,研究其中的微生物的砷代謝過程及機制。一方面從群落層面,研究樣品中不同營養(yǎng)類型的微生物的砷氧化功能；另一方面通過分離高效的砷氧化微生物,研究其砷氧化的分子機制；并從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,探究影響其砷氧化能力的環(huán)境因素。根據(jù)不同條件下的富集實驗結果,兩個采樣點的樣品中均分布有砷氧化微生物,它們能將培養(yǎng)基中添加的外源砷完全氧化。湖南石門土壤樣品中的微生物群落能夠在短時間內迅速氧化完培養(yǎng)基中添加的濃度高達5mM的外源As(Ⅲ)；江漢平原的樣品中的微生物能夠在數(shù)天內氧化完培養(yǎng)基中添加的濃度為1mM的As(Ⅲ)。這說明不論是人工造成的高砷污染區(qū)域(湖南石門的雄黃礦廠周圍)還是自然形成的高砷地下水環(huán)境(江漢平原)中都分布有大量的耐砷微生物,其中相當一部分菌株具有砷氧化功能,并且營養(yǎng)類型各異。本研究還從中生根瘤菌屬Mesorhizobium)、根瘤菌屬(Rhizobium)、假黃單胞菌屬(Pseudoxanthomonas)、無色菌屬(Achromobacter)、中華根瘤菌屬(Ensifer)、鞘氨醇核菌屬(Sphingopyxis)、黃桿菌屬(Flavobacterium)、極小單胞菌屬(Pusillimonas)、申氏菌屬(Shinella)、節(jié)細菌屬(Arthrobacter)、假單胞菌屬(Pseudomonas)和氨基桿菌屬(Aminobacter)等13個屬中分離出19株砷氧化微生物,其中15株能在2-5天內完全氧化1mM-5mM的As(Ⅲ)。利用分子生物學方法獲得其中8個菌株的氧化酶大亞基(AioA)基因序列,分析其砷氧化功能的分子基礎。此外,本課題選取一株代表性高效砷氧化菌株Mesorhizobium sp. AOA-1,克隆了該菌株的氧化酶基因簇。通過生物信息學分析,菌株Mesorhizobium sp. AOA-1的氧化酶基因簇結構為aioB-aioA-cycC-moeA。這四個基因和目前已知砷氧化菌株的對應基因的最高相似性分別為95%、79%、66%和75%。根據(jù)砷濃度梯度氧化實驗,發(fā)現(xiàn)As(Ⅲ)對微生物的砷氧化能力有促進作用,并且在菌株耐受范圍內,濃度越高,促進作用越明顯。這可能是由于微生物的砷氧化酶基因表達受到As(Ⅲ)的誘導,高濃度的As(Ⅲ)誘導菌株表達更高量的砷氧化酶,從而使菌株更高效率地氧化砷。不同環(huán)境因子對菌株AOA-1生長及砷氧化功能也有影響,研究結果顯示三價鐵、硝酸根和硫酸根對菌株的砷氧化能力有較弱的抑制作用；錳離子明顯抑制了菌株AOA-1的砷氧化過程；而磷酸根對AOA-1的砷氧化能力有顯著的促進作用。本課題系統(tǒng)地研究了不同高砷污染區(qū)域中微生物的群落功能,分離出一批高效砷氧化微生物,并研究了它們的砷氧化能力及其分子基礎。挑選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調控因素,為高砷污染區(qū)微生物參與的砷循環(huán)的生物學機制提供理論基礎,也為高效環(huán)保地處理含砷廢水提供了潛在生物材料。
【學位授予單位】：中國地質大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：Q93

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