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蜈蚣草植物微生物组对砷污染的响应机制研究

蜈蚣草植物微生物组对砷污染的响应机制研究

作者：黄端仪湖南大学

学位级别：硕士

土壤砷污染是当前受广泛关注的热点问题之一。蜈蚣草(Pteris vittata)作为一种砷超累积植物对砷污染土壤具有强大的植物修复潜能。除蜈蚣草自身具有植物砷吸收和砷解毒能力外,其植物微生物组与砷的转化和代谢过程同样密切相关,尤其是根... 详细信息

土壤砷污染是当前受广泛关注的热点问题之一。蜈蚣草(Pteris vittata)作为一种砷超累积植物对砷污染土壤具有强大的植物修复潜能。除蜈蚣草自身具有植物砷吸收和砷解毒能力外,其植物微生物组与砷的转化和代谢过程同样密切相关,尤其是根系相关微生物对蜈蚣草砷转化具有重要意义。蜈蚣草根系功能微生物的鉴定和应用将有利于微生物与植物的联合修复,从而提升土壤修复效率。然而蜈蚣草植物微生物组对砷的响应机制尚不清晰,目前对于蜈蚣草根际和根内微生物群落的研究主要集中于部分可培养菌株,容易忽视微生物群落中其他微生物以及多种环境因子的相互影响,并且大大低估了蜈蚣草根系砷代谢功能微生物的多样性。因此本研究结合了地球化学特征、高通量测序、宏基因组测序以及生信分析等方法,对野外环境中超累积植物蜈蚣草与非超累积植物(艾草、紫茎泽兰)根际、根内微生物的群落多样性以及群落结构进行多角度分析,并进一步探究蜈蚣草根际、根内微生物对砷的响应机制。此外,本研究利用稳定同位素探针技术鉴定了蜈蚣草根际、根内潜在的砷氧化功能细菌。主要得出以下结论:1.高砷环境中蜈蚣草与艾草、紫茎泽兰的根际和根内微生物群落间均存在显著差异。蜈蚣草根际砷含量显著高于非超累积植物,蜈蚣草作为砷超累积植物不仅能选择性吸收砷还能快速向上转运砷,砷在蜈蚣草内主要积累于羽片中,而艾草中砷主要积累于其根部。相较于艾草和紫茎泽兰,高砷环境中蜈蚣草根际微生物群落具有更高的多样性和稳定性。相较于其他两种非超累积植物,KD4-96、芽单胞菌科(Gemmatimonadaceae)、Solirubrobacteraceae、Gaiellaceae、亚硝基球菌科(Nitrososphaeraceae)等多种抗砷细菌和植物促生细菌在蜈蚣草根际微生物群落中显著富集。Rhodomicrobiaceae、生丝微菌科(Hyphomicrobiaceae)、Rhizobiales＿Incertae＿Sedis和Frankiaceae相关微生物在高砷环境生长的蜈蚣草根内显著富集。2.基于16S rRNA扩增子测序技术揭示了不同浓度砷污染土壤中蜈蚣草根际、根内微生物群落差异性,探究了主要的重(类)金属因子与蜈蚣草植物微生物组间的相关性和响应模式。研究发现砷、锑、铬含量是蜈蚣草根际微生物群落结构的主要影响因子,根际土壤中芽单胞菌科(Gemmatimonadaceae)、地嗜皮菌科(Geodermatophilaceae)、微球菌科(Micrococcaceae)、亚硝基球菌科(Nitrososphaeraceae)、Rhodomicrobiaceae科、类诺卡氏菌科(Nocardioidaceae)相对丰度与砷浓度呈显著正相关。而锌、锑、砷含量是影响根内微生物群落结构的主要影响因子,Rhodomicrobiaceae科、链霉菌科(Streptomycetaceae)、盐单胞菌科(Halomonadaceae)等根内菌与蜈蚣草根部砷含量呈显著正相关。重(类)金属组分对蜈蚣草根际微生物群落的影响大于根内微生物群落,宿主植物能够降低环境对根内微生物群落的干扰。3.砷氧化酶基因aioA是蜈蚣草根际、根内微生物驱动砷氧化过程的关键功能基因。氢噬胞菌属(Hydrogenophaga)等伯克氏菌目(Burkholderiales)相关微生物是蜈蚣草根际环境中主要的自养砷氧化功能菌,相关微生物不仅具有砷氧化能力,还具有多种金属抗性和植物促生潜能。氢噬胞菌属(Hydrogenophaga)和申氏菌属(Shinella)相关微生物是蜈蚣草根内潜在的自养砷氧化微生物。

关键词：蜈蚣草根际微生物根内微生物砷氧化功能菌

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蜈蚣草孢子囊元素组成的X射线光谱分析

光谱学与光谱分析 2022年第2期42卷 478-482页

作者：万小铭曾伟斌雷梅陈同斌中国科学院地理科学与资源研究所北京100101 中国科学院大学北京100049

砷超富集植物蜈蚣草具有超强的砷吸收和富集能力,生物量大,被认为是修复砷污染土壤的理想植物材料。基于砷超富集植物蜈蚣草的植物修复技术已经推广应用到了我国20多个污染区的土壤修复实践中。目前所报道的所有蜈蚣草均具有砷超富集能... 详细信息

砷超富集植物蜈蚣草具有超强的砷吸收和富集能力,生物量大,被认为是修复砷污染土壤的理想植物材料。基于砷超富集植物蜈蚣草的植物修复技术已经推广应用到了我国20多个污染区的土壤修复实践中。目前所报道的所有蜈蚣草均具有砷超富集能力,并且该特性能够得到稳定遗传。蜈蚣草是如何通过仅仅几十个微米的孢子将这种砷超富集能力传递给下一代?与其他微区分析手段相比,基于同步辐射X射线的荧光光谱和吸收光谱分析灵敏度高、操作简便,近年来被广泛应用到超富集植物的研究中,它也使得研究几十个微米的孢子中砷及其他元素的分布成为可能。为了揭示砷超富集植物蜈蚣草孢子的化学元素组成,该研究采用同步辐射X射线荧光探针分析技术首次揭示了蜈蚣草的生殖细胞——孢子中砷、铜、锌等微量元素的浓度分布,以及钾、钙等大量元素的浓度分布;并将砷的分布趋势与大量营养元素钾、钙、铁、硫,以及微量元素铜、锌的分布趋势进行对比。蜈蚣草的微区元素分布研究表明,孢子囊中砷和钙、砷和硫的分布特征具有相似性,砷和硫、钙更有可能同时聚集在孢子中。这表明,在孢子产生和萌发过程中,砷、硫和钙可能发挥着重要作用。为了揭示变价元素砷在孢子中的存在形式,采用同步辐射X射线吸收光谱首次揭示了蜈蚣草孢子中砷的微区形态,结果表明,蜈蚣草孢子中砷的存在形态与羽叶一致,以低价态的AsⅢ为主。AsⅢ是活性和毒性都相对较强的一种砷存在形式。这表明蜈蚣草孢子对于高毒性高活性的三价砷具有较强耐性。通过采用高分辨率低检测限的X射线荧光探针和X射线吸收光谱技术,揭示砷超富集植物蜈蚣草孢子中砷的分布和存在形式,研究结果为了解蜈蚣草砷富集能力的遗传特性提供基础信息。

关键词：同步辐射X射线吸收光谱 X射线荧光探针蜈蚣草孢子砷形态

耐砷促生菌对超富集植物蜈蚣草砷吸收及根际微生物群落的调控作用

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微生物学报 2023年第6期63卷 2401-2414页

作者：李旖曦陈涵冰王耀强张虹张勇韩永和福建师范大学环境与资源学院福建福州350117 福建省污染控制与资源循环利用重点实验室福建福州350117 福建师范大学生命科学学院福建福州350117 福建技术师范学院近海流域环境测控治理福建省高校重点实验室福建福清350300

【目的】分析添加外源促植物生长微生物(plant growth-promoting bacteria,PGPB)对植物生长、砷富集和根际微生物的影响,为植物-微生物联合修复砷污染土壤提供参考。【方法】通过添加外源PGPB,研究蜈蚣草生物量和砷富集量与外源微生物... 详细信息

【目的】分析添加外源促植物生长微生物(plant growth-promoting bacteria,PGPB)对植物生长、砷富集和根际微生物的影响,为植物-微生物联合修复砷污染土壤提供参考。【方法】通过添加外源PGPB,研究蜈蚣草生物量和砷富集量与外源微生物促植物生长特性的关系,采用高通量测序技术分析蜈蚣草根际微生物群落在外源PGPB干预下的变化规律。【结果】2株根际菌(假单胞菌PG12、芽孢杆菌R19)和1株内生菌(恶臭假单胞菌S6)具备典型的促植物生长特性,对蜈蚣草的促生作用顺序为:PG12>S6>R19,与对照组相比,生物量分别提高了234%(P蜈蚣草砷含量从对照的18.50 mg提高到了31.25-46.95 mg,增幅高达153%(PG12)和139%(S6),对应的蜈蚣草砷浓度从2616.34mg/kg降至1348.04-2 156.23 mg/kg,呈现出典型的砷“稀释效应”;α多样性指数Sobs、Chao和Ace显示,仅R19处理显著提高了根际微生物的群落多样性,而β多样性指数PCA、PCoA和PLS-DA表明各处理组之间均存在较明显的聚类差异;物种组成分析表明,外源PGPB影响了蜈蚣草根际微生物群落的分布,表现为Arthrobacter、Solirubrobacter等群落相对丰度的增加和Acidibacter、Dongia、MND1等群落相对丰度的减少,这些菌群可能与蜈蚣草生长和砷吸收有关。【结论】外源添加PGPB对蜈蚣草生长、砷吸收和根际微生物群落均有显著调节效应,此结果可为揭示微生物强化植物砷修复的机制并为促进植物-微生物联合修复砷污染土壤的相关研究提供参考。

关键词：促生菌蜈蚣草砷根际微生物土壤修复

蜈蚣草茎叶收获物“水热液化”脱除重金属及生物油转化

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中南大学学报（自然科学版） 2015年第1期46卷 358-365页

作者：邓自祥杨建广李焌源张绪亮中南大学冶金与环境学院湖南长沙410083

以重金属超富集植物之一的蜈蚣草茎叶收获物为对象,以实现其中重金属高效分离及生物油转化为目标,开展蜈蚣草茎叶收获物＂水热液化＂后处理工艺研究,考察粒度、温度、液固比、压力、反应时间和催化剂等工艺参数对蜈蚣草茎叶中重金属分... 详细信息

以重金属超富集植物之一的蜈蚣草茎叶收获物为对象,以实现其中重金属高效分离及生物油转化为目标,开展蜈蚣草茎叶收获物＂水热液化＂后处理工艺研究,考察粒度、温度、液固比、压力、反应时间和催化剂等工艺参数对蜈蚣草茎叶中重金属分离和生物油转化的影响。研究结果表明：在粒度为75μm、液固比为40：1、压力为23 MPa、温度为380℃、反应时间为30 min、催化剂为0.1 mol/L K2CO3条件下可将蜈蚣草茎叶中99%以上的主要重金属分离到水溶液中,83.76%的生物质转化成粗生物油。生物油经GC-MS等测定表明其主要由11.81%苯类、42.85%酮类、14.7%醇类、15.28%烯类及11.8%酯类组成,相对分子质量分布为94~282,碳数分布为6~18,热值为32.72 MJ/kg。

关键词：蜈蚣草生物质水热液化重金属超富集植物

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蜈蚣草燃烧过程中As迁移转化规律

化工学报 2017年第1期68卷 281-288页

作者：李小乐段伦博雷梅赵长遂东南大学能源与环境学院能源热转换及其过程测控教育部重点实验室江苏南京210096 中国科学院地理科学与资源研究所环境修复中心北京100101

蜈蚣草是砷(As)的高富集植物,为研究蜈蚣草燃烧过程中As的迁移规律及形态演变,在管式炉中对蜈蚣草进行了燃烧实验,实验发现:蜈蚣草中As挥发率随温度的升高先增加后减小,在500℃达到最高。500℃之前挥发率升高是由于低温区无机As的挥发;... 详细信息

蜈蚣草是砷(As)的高富集植物,为研究蜈蚣草燃烧过程中As的迁移规律及形态演变,在管式炉中对蜈蚣草进行了燃烧实验,实验发现:蜈蚣草中As挥发率随温度的升高先增加后减小,在500℃达到最高。500℃之前挥发率升高是由于低温区无机As的挥发;温度高于500℃时挥发率下降,是由于As的快速氧化使挥发的As3+减少以及灰中元素对As的固定作用。蜈蚣草燃烧后底灰中的水溶As主要是As^(5+),其含量随着温度的升高先降低再增加,800℃到达峰值,占原样品As含量的81%。在400~500℃之间,水溶As^(5+)含量下降主要是由于As的挥发率增加;在500~700℃之间,As的固定主要为灰的物理吸附;当温度到800℃,As的固定主要为化学吸附。水溶As^(5+)的比例在900℃时有所下降,可能是因为温度过高使生物质灰烧结,As^(5+)无法充分溶解,使测量到的As^(5+)含量减少。综合考虑As的回收再利用工艺,推荐800℃为蜈蚣草的最佳燃烧温度。

关键词：蜈蚣草燃烧 As 可溶As 形态

两种外源有机酸对蜈蚣草修复锑污染土壤的影响

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环境科学学报 2022年第8期42卷 405-414页

作者：姚琴杨爱江牛阿萍刘吉邹海洮朱桓毅贵州大学资源与环境工程学院喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室贵阳550025 贵州大学喀斯特环境生态系统教育部野外科学观测研究站贵阳550025 贵州大学环境工程规划设计研究所贵阳550025 贵州贵达元亨环保科技有限公司贵阳550025

以蜈蚣草(Pteris vittata L.)为受试材料,利用盆栽试验研究了不同添加量(0、5、10、20 mmol·kg^(-1))外源柠檬酸和苹果酸对锑(Sb)污染土壤pH和Sb形态的影响,以及两种外源有机酸对蜈蚣草富集Sb和蜈蚣草抗氧化系统的影响,并分析了利用有... 详细信息

以蜈蚣草(Pteris vittata L.)为受试材料,利用盆栽试验研究了不同添加量(0、5、10、20 mmol·kg^(-1))外源柠檬酸和苹果酸对锑(Sb)污染土壤pH和Sb形态的影响,以及两种外源有机酸对蜈蚣草富集Sb和蜈蚣草抗氧化系统的影响,并分析了利用有机酸强化蜈蚣草修复锑污染土壤的可能性及其作用机制.结果表明,土壤锑含量为500 mg·kg^(-1)时,种植20 d后,两种有机酸使土壤pH从6.26降到4.99~5.93,土壤中弱酸提取态Sb含量增加,残渣态Sb含量减小.两种有机酸均提高了蜈蚣草根、茎和叶中Sb含量,且作用效果为柠檬酸>苹果酸;20 mmol·kg^(-1)柠檬酸的加入使根、茎和叶中Sb含量分别达到最大值4740、256、77.5 mg·kg^(-1),较对照组分别提高77.08%、230.90%、84.39%.相比对照组,柠檬酸和苹果酸添加均可显著提高蜈蚣草根系活力和抗氧化酶活性,降低丙二醛(MDA)含量,其中,柠檬酸的作用最大.说明两种有机酸通过提高蜈蚣草对Sb的吸收富集,增强对Sb的耐性来促进锑污染土壤的修复.

关键词：外源有机酸柠檬酸苹果酸锑污染土壤蜈蚣草植物修复

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蜈蚣草化学成分的研究

中成药 2020年第5期42卷 1219-1222页

作者：韦迪李倩袁名睿万近福李月婷王永林贵州医科大学贵州省药物制剂重点实验室贵州贵阳550004 云南省药物研究所云南昆明650111 贵州医科大学药学院贵州贵安新区550025 贵州益佰制药股份有限公司贵州贵阳550008

目的研究蜈蚣草Pteris vittataL.的化学成分.方法蜈蚣草全草60%乙醇提取物采用大孔吸附树脂、硅胶、凝胶、C18色谱柱等进行分离纯化,根据理化性质及波谱数据鉴定所得化合物的结构.结果从中分离得到11个化合物,分别鉴定为芦丁(1)、山... 详细信息

目的研究蜈蚣草Pteris vittataL.的化学成分.方法蜈蚣草全草60%乙醇提取物采用大孔吸附树脂、硅胶、凝胶、C18色谱柱等进行分离纯化,根据理化性质及波谱数据鉴定所得化合物的结构.结果从中分离得到11个化合物,分别鉴定为芦丁(1)、山柰酚-3-O-β-D-葡萄糖苷(2)、山柰酚-3-O-芸香糖苷(3)、山柰酚-3-O-β-D-葡萄糖醛酸苷(4)、淫羊藿次苷B6 (5)、ethyl β-D-xylopyranoside (6)、苯乙烯-4-O-β-D-吡喃葡萄糖苷(7)、苯丙氨酸(8)、phenyl-β-D-glucopyranoside (9)、4-羟基-2-甲氧基-苯基-β-D-葡萄糖苷(10)、松脂醇-4”-吡喃葡萄糖苷(11).结论化合物2~11为首次从该植物中分离得到.

关键词：蜈蚣草化学成分分离鉴定

蜈蚣草非根际、根际及内生微生物对土壤砷污染的响应特征研究

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蜈蚣草非根际、根际及内生微生物对土壤砷污染的响应特征研究

作者：高鹏东华大学

学位级别：硕士

由于广泛的采矿和工业活动,土壤砷污染已成为全球环境问题之一。砷超累积植物蜈蚣草(Pteris vittata L.)被认为是一种修复土壤砷污染的理想植物。蜈蚣草对砷的吸收和转运过程受多种因素调控,其中蜈蚣草根际及内生微生物能够促进这一过程... 详细信息

由于广泛的采矿和工业活动,土壤砷污染已成为全球环境问题之一。砷超累积植物蜈蚣草(Pteris vittata L.)被认为是一种修复土壤砷污染的理想植物。蜈蚣草对砷的吸收和转运过程受多种因素调控,其中蜈蚣草根际及内生微生物能够促进这一过程,然而目前关于微生物促进蜈蚣草砷富集的响应机制方面的研究报道还很少。为探明蜈蚣草内生微生物对砷污染的响应机制,本课题将9种不同砷污染场地生长的蜈蚣草和不同砷浓度的蜈蚣草盆栽作为实验对象,利用16S r RNA高通量测序和宏基因组测序等手段,并结合统计学和生物信息学等分析方法,解析了土壤砷污染作用下蜈蚣草相关微生物群落结构,鉴定了蜈蚣草根际土及体内砷含量分布和蜈蚣草根内微生物砷相关功能基因鉴定,以揭示蜈蚣草内生微生物代谢潜能的普遍性以及蜈蚣草-微生物与砷之间的互作机制。主要研究结果如下:(1)蜈蚣草对砷的富集能力主要通过茎叶对砷的吸收作用所体现,结果表明当土壤砷污染浓度为250 mg·kg和500 mg·kg时,蜈蚣草茎叶砷的富集量远高于根内砷富集量,并且蜈蚣草的茎叶砷富集系数分别为99.99和66.83。(2)微生物群落多样性分析表明,9种不同砷污染场地上的蜈蚣草相同位置微生物群落结构差异性较小,而蜈蚣草非根际、根际和根内微生物群落多样性具有显著差异(P蜈蚣草根际土、根和茎叶之间的微生物群落多样性具有显著差异(P蜈蚣草-微生物之间具有特异选择性,并具有普遍性。蜈蚣草相关部位微生物群落结构差异与受到砷胁迫大小关系不大,主要与微生物所处的位置有关。(3)确定了9种不同砷污染场地蜈蚣草根内一组核心微生物和关键微生物,分别是根瘤菌目(Rhizobiales)、伯克霍尔德氏菌目(Burkholderiales)、Saccharimonadales和α-变形菌门(Alphaproteobacteria)、放线菌门(Actinobacteriota)。同时,确定了不同砷浓度盆栽实验中蜈蚣草根际土、根内和茎叶中的核心微生物,分别为黄色杆菌科未确定菌属(Xanthobacteraceae uncultured)、KD4-96和Vicinamibacterales uncultured;根瘤菌属(Rhizobium)、德沃斯氏菌属(Devosia)和Ohtaekwangia;Stenotrophomonas,这些对砷具有高度耐受性且能够促进植物生长发育的有益微生物对蜈蚣草超累积砷功能的作用机制发挥着重要作用。(4)野外场地蜈蚣草根内微生物宏基因组测序分析成功组装了20个高质量(完整性>60%,污染蜈蚣草根内核心微生物和关键微生物中均编码了大量砷代谢功能基因,进一步证明了蜈蚣草可大量富集特定的抗砷功能微生物并使其促进蜈蚣草对砷的超累积作用。

关键词：土壤修复砷蜈蚣草微生物群落核心微生物

不同种群蜈蚣草中砷形态的X射线吸收光谱研究

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光谱学与光谱分析 2015年第8期35卷 2329-2332页

作者：万小铭刘颖茹雷梅黄泽春陈同斌中国科学院地理科学与资源研究所环境修复中心北京100101

研究选择了分布于我国安徽、重庆、湖南、台湾、福建、广西、广东等7个省、市、自治区中10个不同地理区域的13个蜈蚣草种群,通过同步辐射X射线吸收光谱研究不同种群蜈蚣草中的砷形态差异,为揭示其富集机理奠定基础。蜈蚣草根部的砷主要... 详细信息

研究选择了分布于我国安徽、重庆、湖南、台湾、福建、广西、广东等7个省、市、自治区中10个不同地理区域的13个蜈蚣草种群,通过同步辐射X射线吸收光谱研究不同种群蜈蚣草中的砷形态差异,为揭示其富集机理奠定基础。蜈蚣草根部的砷主要以与O结合的方式存在,各种群的蜈蚣草根部还存在As—S配位的砷,但含量较少。蜈蚣草根部中的砷以As（Ⅴ）为主,As（Ⅴ）的比例为59.6%±0.6%～83.8%±3.8%。不同种群的根部砷形态具有较大差异,HN5种群具有明显高于其他种群的As（Ⅲ）比例,FJ种群具有明显低于其他种群的As（Ⅲ）比例,而来自湖南和广西的几种种群具有较高的As-GSH比例。As（Ⅴ）比例由低到高的顺序为：HN5HN3〉HN1〉TW〉CQ〉AH〉FJ〉HN5〉HN2〉GX2〉GX3〉HN4〉GX1。对蜈蚣草中砷形态的种群差异揭示有利于对蜈蚣草砷富集能力的种群差异来源机制进行深入研究。

关键词：砷形态种群蜈蚣草 X射线吸收光谱