江苏沿海滩涂湿地砷还原菌的筛选及对砷的还原影响研究

作     者：梁伟豪 

作者单位：盐城工学院 

学位级别：硕士

导师姓名：罗婷

授予年度：2024年

学科分类：07[理学] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 0713[理学-生态学] 

主      题：砷 砷还原菌 滩涂湿地 全基因组 ArsC基因 砷还原动力学 

摘      要：砷（As）是自然界中一种高毒性类金属元素,在人们对沿海滩涂湿地的开发和利用影响下,广泛存在于沿海滩涂湿地环境中,其严重的污染与危害逐渐加剧,引起了人们的关注。在受到潮汐作用的影响,沿海滩涂湿地存在着规律性的干湿交替特征,在好氧与厌氧两个环境规律性的更替,这对湿地环境中的独特微生物群落的结构组成有着重要影响。而砷在微生物的影响下会发生形态转化与迁移,研究清楚湿地微生物对As氧化还原的影响非常重要。本研究聚焦砷还原菌,通过驯化分离手段,筛选出沿海滩涂湿地土壤中具有砷还原特性的单个微生物菌株,通过室内培养试验模拟实际环境中单个菌株对砷还原及释放的影响,并结合全基因组测序结果,阐明了每株菌独特的砷代谢通路,揭示了沿海滩涂湿地砷还原释放的机制,进一步探明了沿海滩涂湿地环境中的微生物在砷的生物地球化学循环中发挥的作用。本课题研究结果如下: （1）本研究从江苏沿海滩涂湿地中筛选出好氧砷还原菌两株（Lysinibacillus ***-1和Ralstonia ***-2）和厌氧砷还原菌两株（Klebsiella ***-1和Lactococcus ***-2）共计四株菌,As（V）的最终还原率分别为96.4%、35.5%、36.3%和23.2%,其生长条件都适宜在35℃和p H=8以及盐度1%的偏碱性及高盐环境中生存。好氧砷还原菌相比厌氧砷还原菌具有更高的砷还原性;厌氧砷还原菌比好氧砷还原菌表现出更高的砷耐受性。首次发现Ralstonia ***-2具有砷还原功能,并且发现砷的加入会促进该菌的生长。四株菌在应对外界砷胁迫时存在不同的应对策略,并且只有Lactococcus ***-2表现出优秀的砷亲和力。 （2）好氧室内培养试验结果表明,Lysinibacillus ***-1对水体中总砷的释放没有明显作用,而Ralstonia ***-2由于具有较强的铁还原作用,还原了铁的同时释放了固相中与铁结合的砷,促进了水体中总砷的释放。两株菌都对As（V）有还原作用,Ralstonia ***-2对As（V）的还原高于Lysinibacillus ***-1。两株好氧砷还原菌通过砷还原基因Ars C还原砷。Lysinibacillus ***-1通过pst蛋白泵入As（V）后经过Ars C蛋白还原成As（III）,然后As（III）被Ars B/Acr3蛋白泵出体外。Ralstonia ***-2通过pst/pit蛋白泵入As（V）后经过Ars C蛋白还原成As（III）。 （3）厌氧室内培养试验结果表明,Klebsiella ***-1和Lactococcus ***-2都对As（V）有还原作用,并且Lactococcus ***-2相比Klebsiella ***-1拥有更强的铁还原和释放能力。Klebsiella ***-1和Lactococcus ***-2也是通过Ars C基因还原砷。结合砷还原动力学与全基因组测序结果,发现菌中DNA上含有的Ars C基因的数量会影响As（V）还原最大反应速率V,并且具有Ars R响应的ars基因簇具有更高的砷还原率。Klebsiella ***-1通过pst/pit蛋白泵入As（V）后经过Ars C蛋白还原成As（III）,然后被Ars A/Ars B蛋白泵出体外。Lactococcus ***-2,通过Pst B3蛋白泵入As（V）后经过Ars C蛋白还原成As（III）被Acr3和Ars A/Ars D蛋白泵出体外。 （4）ArsC基因主导的砷解毒机制是沿海滩涂湿地微生物介导的砷还原的主要机制,砷还原菌主要是对游离态的砷起到了还原作用,从而促进了砷在沿海滩涂湿地中的迁移释放。