胶质类芽孢杆菌胞外聚合物合成的蛋白质组学及絮凝重金属的特征

作     者：于杨格 

作者单位：南京师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：连宾

授予年度：2019年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：胶质类芽孢杆菌 胞外聚合物 细菌型絮凝剂 蛋白质组学 

摘      要：胶质类芽孢杆菌(Paenibacillus mucilaginosus)具有抗逆性强、固氮、解磷、解钾和生物修复等多种功能,这使其可以作为生物肥料和生物絮凝剂的菌种而应用于农业和废水处理等领域,具有广阔应用前景。研究表明,胶质类芽孢杆菌这些功能均与其能产生肥厚荚膜和分泌大量胞外聚合物(EPS)有密切关联,故而对EPS的研究有重要价值。为进一步认识该细菌EPS功能的分子基础及作用机制,本论文研究了胶质类芽孢杆菌产EPS的发酵条件优化,该菌培养物对重金属离子的吸附特性,蛋白质组测序和相关差异表达蛋白的实时荧光定量PCR鉴定等,以揭示该菌在特定条件下EPS分泌增多的分子机制。主要研究结果如下:(1)通过正交试验确定了该细菌培养基中酵母提取物、矿粉和蔗糖添加量及pH值的最优水平,其中,酵母提取物(0.1 g/100 mL)、矿粉(0.4 g/100 mL)、pH值(8)、蔗糖(2 g/100 mL)的优化后培养基配方可以使胶质类芽孢杆菌发酵液EPS含量显著提高。(2)采用iTRAQ蛋白质组测序技术研究了摇床培养条件下加蛇纹石矿粉与不加矿粉培养该菌的差异表达蛋白。结果表明,两组之间总差异蛋白数为963,其中上调表达和下调表达的蛋白数目分别是605和358。这些差异蛋白主要富集到GO功能分类中细胞组分中的细胞部分、生物过程中的代谢过程、分子功能中的催化活性。通过KEGG Pathway分析,差异表达蛋白主要富集在代谢途径、环境信息处理途径和细胞过程,如嘌呤和嘧啶代谢、精氨酸和脯氨酸代谢、淀粉和蔗糖代谢、氨基糖和核糖代谢、ABC转运系统、群体感应和生物膜形成途径。对候选基因进行qRT-PCR鉴定,评估蛋白质组测序数据的可靠性,发现qRT-PCR定量结果与其测序结果基本一致。(3)研究了胶质类芽孢杆菌培养物絮凝重金属的特征,结果显示其对低浓度的Cu、Cd、Cr和Pb吸附速度较快,在1 min内即可达到吸附平衡,该吸附过程符合伪二级动力学特征和Langmuir等温吸附模型。本研究通过蛋白质组测序,获得了矿粉培养基刺激菌体上调表达淀粉和蔗糖代谢、氨基糖和核糖代谢及ABC转运系统等途径相关的酶,阐释了细菌合成大量多糖并分泌到胞外形成EPS的生物过程。同时,发现了与抗逆性相关的生物过程(如抗氧化和生物膜形成)所涉及的酶均显著上调表达,推测摇瓶培养细菌过程中,矿粉对菌体造成机械损伤,导致细菌分泌大量EPS及产生其他一系列应激反应来进行自我保护,这说明细菌在特定逆境条件下可通过大量分泌EPS以维持自身正常生长代谢的调控机制。