根际砷还原菌及氮磷营养对蜈蚣草砷污染修复效率的影响机制研究

作     者：贾梦茹 

作者单位：南京大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马奇英（Lena Q.Ma）

授予年度：2019年

学科分类：12[管理学] 1204[管理学-公共管理] 082803[工学-农业生物环境与能源工程] 07[理学] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 120405[管理学-土地资源管理] 0713[理学-生态学] 

主      题：根际菌 砷还原 氮磷营养 蜈蚣草 植物修复 

摘      要：砷是自然界中广泛存在的有毒类金属,砷污染导致的健康风险已成为全球性的威胁。砷超富集植物蜈蚣草的发现为砷污染的植物修复提供了可能。目前,蜈蚣草已经被应用于砷污染土壤和水体的修复实践中,并取得了初步成效。然而,尽管蜈蚣草在植物修复方面具有很大优势,其修复效率依然受到许多因素制约,包括土壤砷的生物利用性低,以及植物生长缓慢、生物量小等问题。根际砷还原菌及氮磷营养是影响蜈蚣草植物修复效率的两个不容忽视的重要因素,根际菌介导的砷转化对促进蜈蚣草根际砷的活化有显著的作用,根系氮磷营养也对蜈蚣草的生长和砷积累有重要的影响。因此,进一步探究根际菌砷还原及氮磷营养对蜈蚣草砷污染修复的潜在影响及作用机制,对于修复效率的提高和修复技术的发展具有重要的意义。根际圈是蜈蚣草接触砷等污染物的首要介质,根际菌介导的砷转化深刻影响着根际砷的形态与归趋。在此前的研究中,筛选所得的蜈蚣草根际菌多为砷还原菌,它们可能有助于活化土壤砷,提高蜈蚣草对砷的吸收和积累。然而,此前研究对蜈蚣草根际由微生物介导的AsV到AsⅢ的转化关注有限,且对根际菌砷还原的分子机制报道较少。基于此,本研究通过生理实验和基因组测序分析了一株最近发现的蜈蚣草根际还原菌,芽孢杆菌Bacillus ***-YHB l-1的砷还原特性及相关的分子机制。结果表明Bacillus ***-YHB 1-1可耐受20mM AsV,并具备很强的砷还原和外排能力。通过全基因组分析,鉴定了两个抗砷操纵子arsRacr和arsCDA和arsRKacr3arsC,它们可能赋予了Bacillus ***-YHB 1-1高效的抗砷特性。作为蜈蚣草根际菌,Bacillus ***-YHB]-1活跃的砷还原和外排行为可以提高根际砷的生物利用性,并且促进蜈蚣草对砷的吸收和积累,在砷污染土壤的微生物-植物联合修复中具有潜在的应用价值。此外,充足的氮(Nitrogen,N)和磷(Phosphorous,P)营养是保证植物旺盛生长和有效修复的前提。理解蜈蚣草的砷吸收和积累如何对氮磷营养作出响应,有助于制定合理的施肥策略,从而提高植物修复效率。硝酸盐(Nitrate,NO3-)和磷酸盐(Phosphate,Pi)是植物从土壤中获取氮磷的主要形式。然而,N03-对蜈蚣草砷吸收和积累的影响及作用机制尚不明确。为此,本研究探讨了不同NO3-和Pi供应水平对蜈蚣草砷积累的影响。结果表明,N03-供应的增加抑制了蜈蚣草对砷的吸收和积累,在磷充足时这种趋势尤为显著。同时,蜈蚣草根部的磷含量也略有下降,说明N03-可能通过对磷转运蛋白(Phts)的影响抑制了Pi和AsV吸收。为验证这一现象是否与磷转运蛋白的响应有关,本研究对不同N03-供应水平下蜈蚣草根部PvPhtl;3转录水平的表达量进行了分析。砷胁迫下,PvPht 1;3的表达仅在中氮处理下被诱导上调,说明PvPht1;3仅在中等适宜的氮供应水平下对AsV的吸收起到主要的介导作用,并可能对高氮抑制的砷吸收有所贡献。同时,N03-对砷吸收和积累的作用机制可能涉及到其他机制,例如潜在的高AsV亲和磷转运蛋白的参与,以及N03-导致的根际pH的升高和阴离子的竞争拮抗作用。在较低的氮营养下,蜈蚣草组织中的砷积累及总量都更高,因此在蜈蚣草砷污染修复的实际应用中,应注意调节施肥比例,在促进植物生长的同时保证高效的砷去除。