本文關(guān)鍵詞：土壤中方鐵錳礦生物形成機(jī)制及細(xì)菌氧化Mn(Ⅱ)的微量熱研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《華中農(nóng)業(yè)大學(xué)》 2014年

土壤中方鐵錳礦生物形成機(jī)制及細(xì)菌氧化Mn(Ⅱ)的微量熱研究

趙昌松  

【摘要】：錳氧化物在環(huán)境中廣泛存在,反應(yīng)活性強(qiáng),對(duì)有機(jī)物質(zhì)降解及污染元素的遷移轉(zhuǎn)化起著非常重要的作用。微生物強(qiáng)烈影響著錳氧化物的形成與轉(zhuǎn)化。目前有關(guān)錳氧化物生物形成的研究主要以海相錳礦物為對(duì)象,用于研究錳氧化物生物形成的微生物也多來自海相和湖相系統(tǒng),且陸相表生土壤中錳氧化物的形成比海相和湖相系統(tǒng)復(fù)雜得多；從微生物生長的熱量變化角度探討錳細(xì)菌氧化Mn(Ⅱ)功能的生物學(xué)意義的研究尚未報(bào)道。本研究綜合運(yùn)用微生物學(xué)、分子生物學(xué)、微量熱和同步輻射等的理論與技術(shù),從我國4種地帶性土壤和結(jié)核中篩選錳氧化細(xì)菌,探討了生物氧化錳的形成,并對(duì)生物形成的錳氧化物進(jìn)行了表征和分析；應(yīng)用基因突變和微量熱技術(shù)研究了錳氧化物生物形成過程中細(xì)菌生長及熱量釋放特點(diǎn),通過錳氧化菌催化形成生物氧化錳過程中的生長特點(diǎn)和能量利用效率的關(guān)系,探討了錳細(xì)菌具有氧化功能的生物學(xué)意義。主要結(jié)果如下： 1.從我國4種地帶性土壤中分離到具有較高錳氧化活性的細(xì)菌共30株。其中棕壤分離得到20株、黃褐土和黃棕壤分別得到3和2株、紅壤分離得到5株。通過對(duì)錳氧化菌16SrDNA序列分析和比對(duì)可知,30個(gè)菌株屬于2個(gè)發(fā)育群,3個(gè)門,5個(gè)屬,11個(gè)物種,其中厚壁菌門(G+)有19株,變形菌門(G-)10株,黃桿菌門1株(G-)。通過復(fù)篩實(shí)驗(yàn)得到變形菌門大腸桿菌屬的一株高氧化活性菌MB266,作為生物氧化錳形成菌株進(jìn)行深入研究。 2.MB266在含1mM Mn(Ⅱ)的Leptothrix培養(yǎng)基中生長5天,培養(yǎng)體系中生物氧化錳濃度達(dá)0.047mM,相當(dāng)于4.7%的Mn(Ⅱ)被氧化。對(duì)冷凍干燥處理后的培養(yǎng)物進(jìn)行X射線衍射圖譜、透射電鏡圖譜及電子衍射分析,結(jié)果顯示生物形成的錳氧化物與方鐵錳礦Mn2O3(JCPDS00-002-0896)的特征峰吻合,但本實(shí)驗(yàn)所得生物氧化錳衍射峰強(qiáng)度較低,且峰形嚴(yán)重寬化。光電子能譜(XPS)和X射線吸收光譜(XANES)擬合結(jié)果顯示所得的產(chǎn)物平均氧化度分別為2.76和2.61,這表明本實(shí)驗(yàn)得到的生物錳氧化物是弱晶質(zhì)的三氧化二錳礦物。 3.對(duì)培養(yǎng)不同時(shí)間形成的生物氧化錳進(jìn)行XPS和XANES擬合,實(shí)驗(yàn)中生物氧化錳的形成過程可能是：Mn(Ⅱ)在酶的催化氧化下生成Mn(Ⅲ),部分Mn(Ⅲ)直接沉淀；另外一部分Mn(Ⅲ)與有機(jī)物螯合成可溶的復(fù)合體,進(jìn)一步被酶氧化到Mn(Ⅳ),所得的Mn(Ⅳ)氧化物還可以被Mn(Ⅱ)還原,在菌體表面繼續(xù)生成Mn(Ⅲ)氧化物。 4.利用基因突變方法構(gòu)建了失去錳氧化活性的MB266的突變株MB32,MB98,應(yīng)用微量熱技術(shù),檢測(cè)了MB266與突變菌株在Leptothrix培養(yǎng)基和含1mM Mn(Ⅱ)的Leptothrix培養(yǎng)基中的生長及熱量釋放特點(diǎn),結(jié)合Mn(Ⅱ)的氧化量與微生物的生物量,探討了錳氧化菌的生長特性和能量利用效能。結(jié)果表明：野生型菌株由于能夠?qū)n(Ⅱ)氧化為錳氧化物,降低了Mn(Ⅱ)對(duì)菌株的毒害作用,其生物量顯著高于突變株；與此同時(shí),Mn(Ⅱ)對(duì)野生菌株毒害作用下降,降低了菌株修復(fù)細(xì)胞內(nèi)損傷的能量需要,從而降低了細(xì)胞的代謝強(qiáng)度,其熱量釋放顯著小于突變株。通過對(duì)與Mn(Ⅱ)化學(xué)氧化釋放的熱量與系統(tǒng)釋放總熱量的比較表明,錳氧化菌在生長過程中主要利用了有機(jī)底物分解的能量進(jìn)行生長,Mn(Ⅱ)氧化過程中釋放的熱量對(duì)錳氧化細(xì)菌生長的貢獻(xiàn)很小。本實(shí)驗(yàn)所檢測(cè)的錳氧化菌MB266多銅氧化酶基因并非唯一的催化Mn(Ⅱ)氧化的因子,細(xì)菌中還存在有其它未知的氧化因子。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：S153;S154.3
【目錄】：

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