【摘要】：植物修復被認為是成本低廉、操作簡單的土壤重金屬污染修復技術。大量活躍的根際微生物可通過多種作用方式影響重金屬污染環(huán)境中植物的生長和對重金屬的吸收,從而影響植物對重金屬污染的修復效率。本文以細菌的鉛(Pb)鎘(Cd)耐受性、1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸脫氨酶(ACCD)活性及對植物苗期的促生效應為指標,篩選出對鉛鎘具有較強耐受性、對玉米具有促生能力的細菌菌株。研究細菌對重金屬鉛、鎘脅迫下植物生長和富集鉛鎘的影響,并對細菌提高玉米重金屬耐受性的機制進行探討,以期為植物耐受重金屬機制的進一步闡明和植物—微生物聯(lián)合修復途徑的應用提供理論和實驗依據。主要研究結果如下： 1、篩選出對鉛鎘具有較強抗性、對玉米具有促生能力的六株菌,經生理生化特性和16S rDNA基因序列分析初步鑒定為Burkholderia cepacia J62、Rahnella sp. LR113、Microbacterium oxydans JYC17、Microbacterium foliorum G16、Enterobacter agglomerans J17-2a和Pseudomonas thivervalensis Y3-9;經安全性試驗表明供試菌株對作物無致病性。 2、研究六株菌與促生作用相關的生物學特性,結果表明：菌株J62、G16和Y3-9具有較高的ACCD活性；菌株J62、JYC17、J17-2a和Y3-9具有精氨酸脫羧酶活性；六株菌均能溶解磷酸鈣、產生鐵載體和分泌IAA。 3、研究六株菌與重金屬相關的生物學特性,結果表明：菌株J62、LR113、J17-2a和Y3-9能在含Pb1000 mg.L-1或Cd50 mg.L-1的培養(yǎng)基中生長,并對Cu、Zn和Ni具有抗性。六株菌能促進碳酸鉛和碳酸鎘的溶解,使培養(yǎng)液中Pb2+比對照(0.051 mg.L-1)增加3.45～39.3倍、Cd2+由1.03mg.L-1增加至1.23 mg.L-1～127.53 mg.L-1。菌株J62和JYC17溶解碳酸鉛效果較好,菌株J62和J17-2a溶解碳酸鎘效果最顯著。 4、以菌株J62和LR113為代表,研究細菌對鉛鎘的溶解機制和溶解-吸附動態(tài),結果表明：菌株生長代謝產酸使培養(yǎng)液pH降低,促使培養(yǎng)液中Pb2+、Cd2+濃度增加,重金屬的溶解改變了細菌分泌的有機酸的種類和含量。菌株J62對碳酸鉛、鎘的增溶能力高于LR113,菌株LR113對鉛鎘的吸附能力強于J62。研究菌株對土壤中不溶性鉛、鎘的影響,菌株J62和LR113均能在土壤中存活,菌株J62對土壤重金屬鉛鎘的增溶能力較強,能顯著提高土壤中水溶態(tài)鉛和鎘的濃度。 4、水培條件下研究細菌J62、JYC17和Y3-9對重金屬鉛、鎘脅迫下玉米生長和富集鉛鎘的影響。結果表明,三株菌對玉米生長均有促進作用。不加重金屬處理時,菌株J62和JYC17顯著促進玉米生長。Pb50、100 mg.L-1處理下,三株菌使玉米干重比對照增加25%～94%。Cd2、4 mg.L-1處理下,菌株使玉米根重比對照增加8%～102%,JYC17的促生作用最好。重金屬脅迫程度的增加降低了菌株的促生效應。接菌處理能提高玉米根部鉛、鎘的濃度,比對照增加17%～182%。菌株J62、JYC17和Y3-9均提高了玉米植株的鉛和鎘總積累量,使鉛鎘富集量分別比對照增加28～126%和47～130%,菌株J62和JYC17對玉米富集重金屬的促進作用顯著。 5、研究菌株J62、JYC17和Y3-9促進玉米生長、提高重金屬耐受性的機制,結果表明,供試菌株能在玉米根際和根內定殖,接菌玉米根際和根內的細菌數(shù)量顯著高于不接菌對照。接菌J62、JYC17和Y3-9降低了鉛、鎘脅迫下玉米的過氧化程度,使玉米根部尤其是鉛處理下超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶(POD)活性降低；使玉米葉片中抗氧化劑抗壞血酸(ASA)濃度顯著提高,比對照增加14%～123%；使Pb處理下還原型谷胱甘肽(GSH)含量增加；使丙二醛(MDA)含量明顯降低。供試菌株使玉米葉綠素含量提高,蘋果酸濃度顯著增加,使玉米內源脯氨酸(Pro)濃度低于對照。采用透射電子顯微鏡研究菌株對玉米根部重金屬鉛、鎘積累和分布的影響,結果表明供試菌株顯著改變了玉米根部細胞內鉛的富集量和分布。與對照相比,接菌J62使玉米根部吸收的Pb顯著提高,接菌JYC17使鉛積累顆粒變大。不接菌對照的玉米根部鉛主要分布于細胞內壁和細胞膜上,接菌處理均使鉛主要分布在細胞外壁和周質空間中。接菌處理改變了鎘在玉米細胞中的分配,減輕了鎘對玉米細胞的傷害。在鎘處理的玉米根細胞內觀察到供試細菌菌體的存在。 6、以既能提高土壤中鉛鎘遷移率、又能提高玉米對鉛鎘抗逆性的菌株J62為試驗菌株,盆栽條件下研究細菌對植物富集土壤Pb和Cd的促進作用。由盆栽1的結果可知,菌株J62能促進重金屬鉛鎘污染土壤中玉米和番茄的生長,使地上部干重分別比對照增加54%和17%,根部干重增加75%和30%。接J62菌株促進了植物根部對鉛和鎘的吸收,使印度芥菜、玉米和番茄根部的Pb濃度分別比對照增加27%、59%和31%,Cd濃度分別增加174%、31%和12%。接J62菌株顯著增加了玉米和番茄全株的重金屬吸收量,Pb吸收量比對照增加85%和38%,Cd吸收量增加56%和61%。接J62菌株使植物根際土中抗Pb200 mg.L-1Cd50 mg.L-1細菌和總細菌的數(shù)量遠高于對照,并促進了解鉀、溶磷和固氮細菌數(shù)量的增加；菌株J62能在植物根際定殖,在重金屬抗性平板中檢測到J62的存在。接J62菌株顯著提高了玉米和番茄根際交換態(tài)鉛、鎘的濃度；使根際土pH值低于對照,可溶性糖含量增加6%～40%；顯著提高印度芥菜和玉米根際草酸濃度和玉米、番茄根際乙酸濃度,刺激印度芥菜和玉米根際土中丁二酸和番茄根際土中檸檬酸的產生。菌株J62自身的促生特性、對植物根際細菌、pH值、重金屬形態(tài)、有機酸及可溶性糖的影響可能是其促進玉米和番茄富集鉛鎘的原因。盆栽2的結果與盆栽1基本一致,接菌J62顯著提高了玉米根部、葉部和全植株的干重；促進了玉米根部對Cd、莖部對Pb和Cd的吸收,但降低了Pb和Cd向葉片轉運的能力；顯著增加了玉米各器官的Pb富集量和玉米根、莖部的Cd富集量。綜合而言,菌株J62是一種良好的促進玉米修復土壤重金屬鉛、鎘污染的菌劑,具有修復受污染土壤同時進行玉米生產的潛力。
【圖文】：

圖1一1膜相關的金屬離子的吸收、分泌和氧化還原作用F19.1一1overyiewofmembraneassoeiateduPtake，efflux，reduetionandoxidationofmetalIOnS抗性基因的誘導表達及對被破壞物質的修復需要足夠時間，因此微生物對重金屬的解毒具有一定的延滯性。在含銅培養(yǎng)基中，Calbican:的MT基因cz刁2最先被誘一導出，當只有CrdZ純合子存在時菌株只能維持低的生理代謝活性，CrdZ在菌體內充分表達后可以允許過量的銅與細胞內物質相結合。直到外流泵Cr.cll被誘導出，菌體刁‘能具有更好的銅抗性(perry&earol，2000)。某些微生物的重金屬抗性相關基因并不能單獨地起到抗金屬毒性的作用，還需要在其他結構基因的共同作用下刁‘具有解毒功能。菌株slaP匆lococclisclllrells具有一個位于質粒pI258上的含有抗隔基因CadA不[1CadC的3.skb操縱子，其中eadA具有隔外流ATP酶的功能，而CadC在抗福操縱子的復制中起到調節(jié)作用，5.atlre“:需要這兩者表達產物的同時存在刁‘具有�？�，，ri}:(Endo&Silver，1995)。表1一6列出了部分目前己報道的與重金屬抗性相關的基因和及其表達蛋白的功能(5ilver&phung，2005)。

編碼未知功能膜蛋白的pbrB，編碼信號膚酶的pbrc，編碼鉛結合蛋自的下游pbrC和pb心基因組成。圖1一3尺meta/l，’du廠 ansCH34的鉛抗性操縱子 F19.1一 3The1eadresistaneeoPeronsof只me亡a//id旨 ransCH34】8
【學位授予單位】：南京農業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2008
【分類號】：X173

【參考文獻】

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本文編號：2707548