河套盆地高砷地下水系統(tǒng)微生物群落結(jié)構(gòu)與功能基因特征
發(fā)布時(shí)間：2021-01-11 02:01
砷是一種普遍存在的有毒元素,地下水砷污染是全球性的公共衛(wèi)生問題,嚴(yán)重影響人類健康。內(nèi)蒙古河套盆地是我國高砷地下水污染較為嚴(yán)重的地區(qū)之一。地下水系統(tǒng)中的微生物活動(dòng),尤其是微生物介導(dǎo)的鐵（Fe）、硫（S）和砷（As）等元素循環(huán)代謝過程對高砷地下水系統(tǒng)中砷的遷移轉(zhuǎn)化具有重要的影響。然而,高砷地下水系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)與功能對鐵、硫、砷的遷移轉(zhuǎn)化過程的影響作用和潛在的分子機(jī)制仍然未知。本研究以我國原生高砷地下水地區(qū)內(nèi)蒙古河套盆地作為研究區(qū),采用16S rRNA高通量測序和宏基因組學(xué)的方法定量分析高砷地下水系統(tǒng)中的微生物群落組成與功能基因,探討砷的生物轉(zhuǎn)化過程中微生物作用及潛在的分子機(jī)制,得到以下主要結(jié)論:（1）內(nèi)蒙古河套盆地高砷地下水中以Acinetobacter、Pseudomonas為優(yōu)勢菌屬;環(huán)境因子AsTotal、Fe Total、Fe2+、MnTotal與平原區(qū)高砷地下水微生物群落結(jié)構(gòu)顯著相關(guān)（p<0.05）,說明AsTotal、FeTotal、F...
【文章來源】： 戴維 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)
【文章頁數(shù)】：84 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
中國砷污染盆地分布(Rodríguez-Ladoetal.,2013)
緒論8稻田土獨(dú)特的地球化學(xué)條件(Luoetal.,2014;Xiaoetal.,2016b)。另外，通過宏基因組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)微生物作用的硫酸鹽還原、鐵還原等過程與砷的遷移釋放過程關(guān)系密切(Bertinetal.,2011;Zhangetal.,2016b;Zhuetal.,2017)，而在此過程中砷、鐵、硫等功能基因必然具有重要作用。Zhu等綜述了與砷代謝相關(guān)的基因以及其他元素對砷生物地球化學(xué)的影響，討論了宏基因組、宏轉(zhuǎn)錄組、宏蛋白酶和宏代謝方法對微生物砷轉(zhuǎn)化的分析，重點(diǎn)介紹了其他元素對砷代謝的影響以及微生物砷代謝組學(xué)研究的現(xiàn)狀，并構(gòu)建了鐵、氮、硫和天然有機(jī)物在砷生物地球化學(xué)循環(huán)中涉及微生物的影響模型（圖1-2）(Zhuetal.,2017)。然而目前有關(guān)Fe-S-As代謝模型還不夠完善，未揭示硫、鐵循環(huán)對于砷釋放遷移的影響，并未考慮其與硫、鐵相關(guān)的功能基因作用的過程，硫、鐵循環(huán)對于砷釋放遷移的影響還有待揭示并補(bǔ)充完善。圖1-2鐵、氮、硫和有機(jī)物對砷生物地球化學(xué)循環(huán)中涉及微生物的影響模型基于宏基因組學(xué)的砷污染地下水研究表明細(xì)菌在砷污染環(huán)境中數(shù)量占比最
緒論10微生物可通過細(xì)胞質(zhì)砷酸鹽還原酶ArsC作用在細(xì)胞膜內(nèi)將砷酸鹽還原為亞砷酸鹽（亞砷酸鹽更易溶解流動(dòng)），隨后在外排泵蛋白ArsB的作用下從細(xì)胞中泵出(Rosen,2002)，從而達(dá)到解毒效果，其過程受arsR基因調(diào)控，并偶伴arsA與arsD基因的出現(xiàn)，其中arsA負(fù)責(zé)編碼與arsB結(jié)合的ATP酶，arsD負(fù)責(zé)編碼亞砷酸鹽伴侶蛋白。砷酸鹽還原酶首先在StaphylococcusaureusplasmidpI258上被發(fā)現(xiàn)(JiandSilver,1992)。呼吸性砷酸鹽還原是微生物將砷酸鹽作為末端電子受體進(jìn)行砷異化還原的代謝過程。Arr操縱子中arrA和arrB編碼膜性呼吸性砷酸鹽還原酶促使砷酸鹽還原為亞砷酸鹽，首先純化并鑒定的Arr蛋白來自厭氧細(xì)菌Chrysiogenesarsenatis(KrafftandMacy,2001)，與砷酸鹽呼吸有關(guān)的arr在許多細(xì)菌中被鑒定，如β-變形菌、γ-變形菌、δ-變形菌、ε-變形菌、厚壁菌等，但古菌中發(fā)現(xiàn)甚少。圖1-3與砷代謝相關(guān)的微生物過程及基因(Crognaleetal.,2017)砷甲基化是一種有效的砷解毒方法。該過程由還原和甲基化交替發(fā)生，生成甲基胂化物如一甲基胂MMA、二甲基胂DMA和三甲胂TMA(BentleyandChasteen,2002)，這些過程是由arsM、arsI、arsH基因產(chǎn)物介導(dǎo)的(YangandRosen,2016)。arsM編碼亞砷酸鹽甲基轉(zhuǎn)移酶，arsI編碼一種CAs裂解酶，而arsH編碼了一種甲基砷氧化酶，甲基化使無機(jī)砷轉(zhuǎn)化為非揮發(fā)性胂（如MMA和DMA）以及揮發(fā)性胂（如TMA和TMAO），隨后擴(kuò)散出胞外排出，有效地緩解砷的毒
本文編號(hào)：2969847
【文章來源】： 戴維 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)
【文章頁數(shù)】：84 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
中國砷污染盆地分布(Rodríguez-Ladoetal.,2013)
緒論8稻田土獨(dú)特的地球化學(xué)條件(Luoetal.,2014;Xiaoetal.,2016b)。另外，通過宏基因組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)微生物作用的硫酸鹽還原、鐵還原等過程與砷的遷移釋放過程關(guān)系密切(Bertinetal.,2011;Zhangetal.,2016b;Zhuetal.,2017)，而在此過程中砷、鐵、硫等功能基因必然具有重要作用。Zhu等綜述了與砷代謝相關(guān)的基因以及其他元素對砷生物地球化學(xué)的影響，討論了宏基因組、宏轉(zhuǎn)錄組、宏蛋白酶和宏代謝方法對微生物砷轉(zhuǎn)化的分析，重點(diǎn)介紹了其他元素對砷代謝的影響以及微生物砷代謝組學(xué)研究的現(xiàn)狀，并構(gòu)建了鐵、氮、硫和天然有機(jī)物在砷生物地球化學(xué)循環(huán)中涉及微生物的影響模型（圖1-2）(Zhuetal.,2017)。然而目前有關(guān)Fe-S-As代謝模型還不夠完善，未揭示硫、鐵循環(huán)對于砷釋放遷移的影響，并未考慮其與硫、鐵相關(guān)的功能基因作用的過程，硫、鐵循環(huán)對于砷釋放遷移的影響還有待揭示并補(bǔ)充完善。圖1-2鐵、氮、硫和有機(jī)物對砷生物地球化學(xué)循環(huán)中涉及微生物的影響模型基于宏基因組學(xué)的砷污染地下水研究表明細(xì)菌在砷污染環(huán)境中數(shù)量占比最
緒論10微生物可通過細(xì)胞質(zhì)砷酸鹽還原酶ArsC作用在細(xì)胞膜內(nèi)將砷酸鹽還原為亞砷酸鹽（亞砷酸鹽更易溶解流動(dòng)），隨后在外排泵蛋白ArsB的作用下從細(xì)胞中泵出(Rosen,2002)，從而達(dá)到解毒效果，其過程受arsR基因調(diào)控，并偶伴arsA與arsD基因的出現(xiàn)，其中arsA負(fù)責(zé)編碼與arsB結(jié)合的ATP酶，arsD負(fù)責(zé)編碼亞砷酸鹽伴侶蛋白。砷酸鹽還原酶首先在StaphylococcusaureusplasmidpI258上被發(fā)現(xiàn)(JiandSilver,1992)。呼吸性砷酸鹽還原是微生物將砷酸鹽作為末端電子受體進(jìn)行砷異化還原的代謝過程。Arr操縱子中arrA和arrB編碼膜性呼吸性砷酸鹽還原酶促使砷酸鹽還原為亞砷酸鹽，首先純化并鑒定的Arr蛋白來自厭氧細(xì)菌Chrysiogenesarsenatis(KrafftandMacy,2001)，與砷酸鹽呼吸有關(guān)的arr在許多細(xì)菌中被鑒定，如β-變形菌、γ-變形菌、δ-變形菌、ε-變形菌、厚壁菌等，但古菌中發(fā)現(xiàn)甚少。圖1-3與砷代謝相關(guān)的微生物過程及基因(Crognaleetal.,2017)砷甲基化是一種有效的砷解毒方法。該過程由還原和甲基化交替發(fā)生，生成甲基胂化物如一甲基胂MMA、二甲基胂DMA和三甲胂TMA(BentleyandChasteen,2002)，這些過程是由arsM、arsI、arsH基因產(chǎn)物介導(dǎo)的(YangandRosen,2016)。arsM編碼亞砷酸鹽甲基轉(zhuǎn)移酶，arsI編碼一種CAs裂解酶，而arsH編碼了一種甲基砷氧化酶，甲基化使無機(jī)砷轉(zhuǎn)化為非揮發(fā)性胂（如MMA和DMA）以及揮發(fā)性胂（如TMA和TMAO），隨后擴(kuò)散出胞外排出，有效地緩解砷的毒
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