【摘要】：微生物與放射性元素和重金屬間相互作用包括吸附吸收,絡合沉淀,氧化還原,甲基化及去甲基化等。微生物與放射性元素和重金屬之間復雜的生物物理化學反應,必然影響放射性元素和重金屬在環(huán)境中的形態(tài)分布,遷移,轉化和循環(huán)等生物地球化學過程。因此,研究環(huán)境微生物與放射性元素及重金屬的相互作用和轉化機理對放射性廢物地質處置的安全評估和重金屬污染環(huán)境的生物修復具有重要意義。本論文針對鈾(放射性元素,錒系元素代表)和汞(劇毒,重金屬循環(huán)的典型)和環(huán)境微生物相互作用進行了以下三部分研究:一、酵母菌Saccharomyce cerevisiae與鈾U(VI)相互作用微生物對環(huán)境中放射性元素的形態(tài)分布,遷移,轉化和循環(huán)起著關鍵性作用。微生物吸附放射性元素對于高水平放射性廢物地質處置的安全評估以及放射性元素污染地區(qū)的環(huán)境修復有著重要意義。本部分工作系統研究了酵母菌Saccharomyce cerevisiae與放射性元素U(VI)的相互作用。主要包括吸附動力學過程,吸附平衡態(tài)研究,考察了生物量、細胞活性和環(huán)境因子(例如p H,離子強度)等對吸附過程的影響。同時,利用高分辨透射電鏡(HRTEM)以及傅立葉變換紅外光譜(FT-IR)表征方法,對相關機理做了進一步的探索。吸附動力學表明S.cerevisiae細胞能夠快速吸附U(VI),吸附反應在~15 min達到平衡。平衡態(tài)研究中發(fā)現,p H是影響S.cerevisiae細胞吸附U(VI)的關鍵因素,它不僅影響S.cerevisiae細胞表面官能團的質子化與去質子化過程,同時影響U(VI)在溶液中的形態(tài)分布。由于細胞表面OH-的釋放,引起S.cerevisiae細胞吸附U(VI)前后體系p H的移動。通常,隨著生物量的增加,吸附位點增多,因此S.cerevisiae細胞對U(VI)的吸附率增加。高離子強度(如0.1 M Na NO3)抑制S.cerevisiae細胞吸附U(VI),可能原因是Na~+與UO_2~(2+)在細胞表面的競爭反應。相同實驗條件下,熱處理失活細胞的吸附量比活性細胞高一個量級。作為對吸附機理的初步探索,高分辨透射電鏡分析表明活性S.cerevisiae細胞吸附的U(VI)主要沉積在細胞壁的內外表面,并呈現出“針狀纖維”結構;而熱處理后,不僅在細胞壁內外表面,在細胞外同樣發(fā)現了類似的鈾沉積物結構。同時,X射線能量色散譜(EDX)觀察到S.cerevisiae細胞在吸附后U峰的出現。傅立葉變換紅外光譜分析證明了S.cerevisiae細胞表面官能團:羥基(hydroxyl),羧基(carboxyl),磷酸基(phosphate)和氨基(amine)在S.cerevisiae細胞絡合U(VI)過程中的重要作用。二、鐵還原菌Geobacter bemidjiensis Bem與汞Hg的相互作用和轉化機理甲基汞(Methylmercury,Me Hg)是由環(huán)境中的無機汞(Mercury,Hg)在可甲基化汞微生物協助下轉化而來,因具有很強的神經毒性和生物積累效應,在近幾十年來受到廣泛關注與研究。環(huán)境中的凈甲基汞含量是由甲基汞的生成和降解兩個競爭過程控制的。本部分工作報道了厭氧鐵還原菌Geobacter bemidjiensis Bem同時協助汞的吸附吸收,氧化還原,甲基化及去甲基化多種反應過程。該工作是對于厭氧鐵還原菌能夠甲基化汞的同時又可以降解甲基汞的首次報道。同時,我們研究了微生物的生長期以及環(huán)境因子,包括汞濃度,半胱氨酸(cysteine),谷胱甘肽(glutathione)和可溶解有機質(dissolved organic matter)對G.bemidjiensis與汞相互作用和轉化過程的影響,期望在一定程度上理解相關機理。無機汞Hg(II)轉化實驗表明G.bemidjiensis細胞呈指數變化快速甲基化汞,隨著時間推移,生物生成的甲基汞又同時可被該菌降解。甲基汞Me Hg降解實驗進一步驗證了G.bemidjiensis去甲基化的能力。同時,金屬汞Hg(0)作為主要的降解產物,以及G.bemidjiensis序列中含有編碼有機汞裂解酶(Mer B)和汞還原酶(Mer A)的基因,我們推測mer操縱子協助的還原性去甲基化(reductive demethylation)途徑在該過程的主要作用。汞形態(tài)分布和轉化研究表明,G.bemidjiensis細胞能夠強烈吸附吸收無機汞和甲基汞,并且可以還原二價汞以及氧化金屬汞。隨著時間變化,G.bemidjiensis影響著汞各種形態(tài)的分布以及之間的相互轉化。不同生長期影響G.bemidjiensis對汞的形態(tài)轉化:相對平衡期細胞,對數期細胞降解甲基汞的能力更強,同時產生甲基汞的濃度反而降低。隨著汞濃度的增加,G.bemidjiensis細胞甲基化和去甲基化汞能力提高;然而過高汞濃度對細胞產生毒性,降低了反應速率。因此,汞的微生物甲基化和去甲基化可能是微生物受到有毒金屬汞脅迫時的一種解毒機理。依賴于反應時間和半胱氨酸濃度,半胱氨酸在G.bemidjiensis對汞的形態(tài)轉化中起到復雜的影響。在一定濃度范圍(10-500μM),半胱氨酸能提高G.bemidjiensis甲基化汞能力而抑制甲基汞的降解。谷胱甘肽同時抑制G.bemidjiensis細胞甲基化汞和對甲基汞的降解。由于可溶解有機質與汞形成穩(wěn)定的絡合物,影響汞的生物可利用性,因此可溶解有機質的加入抑制G.bemidjiensis細胞對汞的甲基化和去甲基化。三、甲烷氧化菌Methanotrophs與汞Hg的相互作用和轉化機理甲烷氧化菌(Methanotrophs)是將甲烷(methane)作為唯一碳源和能源的一大類微生物,廣泛分布于環(huán)境中。環(huán)境中的凈甲基汞含量是由甲基汞的生成和降解兩個競爭過程決定的。鑒于甲烷氧化菌單碳新陳代謝的途徑(C1-metabolic pathway),本部分內容研究了兩株典型的甲烷氧化菌Methylosinus trichosporium OB3b和Methylococcus capsulatus Bath對甲基汞的相互作用及其轉化過程。由于不同生長條件(例如銅Cu2+、鈰Ce3+金屬離子的加入)影響甲烷氧化菌的甲烷單氧酶(MMO)和甲醇脫氫酶(Me DHs)的表達,我們考察了不同生長條件對其相互作用和轉化的影響。同時,通過不同濃度的競爭碳源甲醇(methanol)對M.trichosporium OB3b吸收和降解甲基汞的影響,我們推測氧化性去甲基化途徑(oxidative demethylation)起主要作用。通過對幾株基因敲除突變體(?mbn A,?mbn A-N,?mbn T,?mxa F)的研究,進一步探索了M.trichosporium OB3b降解甲基汞的可能途徑和機理。M.trichosporium OB3b和M.capsulatus Bath都能夠快速大量吸附甲基汞,并且很大比例甲基汞能被細胞吸收而進入細胞體內。更為關鍵的是,M.trichosporium OB3b同時能夠降解甲基汞,而M.capsulatus Bath在不同生長條件、不同甲基汞濃度下均不能降解甲基汞。這可能與不同種類甲烷氧化菌的細胞表面結構以及生物化學代謝途徑的差異有關。甲基汞濃度影響M.trichosporium OB3b對其降解的速率和降解量,在一定濃度范圍(5-75 n M),M.trichosporium OB3b降解甲基汞的速率和降解量隨著甲基汞濃度的增加而增加。甲醇作為可能的單碳競爭底物,當其濃度為5 m M時能夠完全抑制M.trichosporium OB3b對甲基汞的降解,這主要是因為甲醇的加入在一定程度上影響了細胞對甲基汞的吸收。因此,我們推測M.trichosporium OB3b可能通過氧化性去甲基化途徑降解甲基汞。對M.trichosporium OB3b突變體?mbn A,?mbn A-N的進一步研究表明,對一段可能合成methanobactin基因的敲除導致該菌無法降解甲基汞。而對吸收methanobactin基因的敲除(?mbn T),提高了該菌對甲基汞降解的速率。這些結果表明,M.trichosporium OB3b降解甲基汞可能與合成或吸收methanobactin的相關生物化學途徑有關,或者是與其合成的methanobactin螯合物能夠降解甲基汞有關。綜上,本論文以鈾(放射性元素,錒系元素代表)和汞(劇毒,重金屬循環(huán)的典型)為對象,通過分析其與微生物的多種相互作用,研究了放射性元素和重金屬在環(huán)境中的生物地球化學循環(huán),并在一定程度上闡明了相互作用機理。本工作提供了放射性元素和重金屬與微生物相互作用的基本研究方法,并且對放射性元素和重金屬污染地區(qū)的微生物環(huán)境修復有著重要的指導意義。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：蘭州大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：X172;X132

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 ;加科學家發(fā)現新甲烷氧化菌[J];中國科技獎勵;2007年12期

2 周葉鋒;廖曉蘭;黃璜;傅志強;張亞;;甲烷氧化細菌氧化活性影響因素的研究[J];微生物學雜志;2008年03期

3 周琦瓊;辛嘉英;張穎鑫;董靜;宋昊;夏春谷;;甲烷氧化菌素的生物活性研究進展[J];生物技術通訊;2009年05期

4 ;利用甲烷氧化細菌生產甲烷氧化菌素的方法[J];化工科技市場;2009年10期

5 王維奇;鄂焱;廖稷;姚順;;乙炔抑制技術在濕地甲烷氧化研究中的應用[J];實驗室研究與探索;2010年09期

6 辛嘉英;董靜;閆超澤;喬君;梁洪野;夏春谷;;甲烷氧化菌素的產生和銅捕獲作用[J];中國生物工程雜志;2011年08期

7 曹亞彬;殷博;牛彥波;甄濤;吳皓瓊;郭立姝;何鑫;;甲烷氧化菌的研究進展[J];生物技術世界;2012年06期

8 張震元;;利用甲烷氧化菌生產化學制品[J];微生物學雜志;1985年01期

9 鄭中華;趙樹杰;;甲烷氧化細菌的電子顯微鏡觀察[J];微生物學報;1988年04期

10 趙樹杰;張玉英;鄭堅;陳景茹;陳耀初;彭莉;李皓;蔡鍵;;甲烷氧化細菌的一個新種[J];微生物學報;1989年02期

相關會議論文 前10條

1 陳亮;趙春貴;;甲烷氧化菌甲烷氧化酶代謝甲烷活性影響因素的研究[A];泛環(huán)渤海地區(qū)九省市生物化學與分子生物學會——2011年學術交流會論文集[C];2011年

2 邢新會;羅明芳;吳昊;王磊;;甲烷氧化混合菌群結構和功能解析[A];中國生態(tài)學會2006學術年會論文薈萃[C];2006年

3 侯玉慧;常剛;翁維正;夏文生;萬惠霖;;鹵氧化鑭應用于甲烷氧化偶聯:納米與常規(guī)尺度比較研究[A];第十八屆全國稀土催化學術會議論文集[C];2011年

4 鄭中華;;甲烷氧化細菌的冷凍蝕刻電鏡觀察[A];第五次全國電子顯微學會議論文摘要集[C];1988年

5 邢志林;高艷輝;趙天濤;;甲烷氧化菌群共代謝降解TCE研究[A];2014中國環(huán)境科學學會學術年會（第十、十一章）[C];2014年

6 吳昊;邢新會;緱仲軒;;高密度培養(yǎng)甲烷氧化菌的研究[A];第三屆全國化學工程與生物化工年會論文摘要集（上）[C];2006年

7 王申亮;范杰;;基于噴墨打印對甲烷氧化偶聯催化劑的篩選[A];中國化學會第29屆學術年會摘要集——第12分會：催化化學[C];2014年

8 孫思;季生福;王開;丁大為;李成岳;;甲烷氧化偶聯金屬基整體式催化劑的制備及性能研究[A];第十一屆全國青年催化學術會議論文集（下）[C];2007年

9 潘登;季生福;王開;唐晶晶;;雙層床催化劑上甲烷氧化偶聯反應工藝研究[A];第七屆全國催化劑制備科學與技術研討會論文集[C];2009年

10 鄭勇;劉新展;張麗梅;賀紀正;;添加不同營養(yǎng)元素對水稻土甲烷氧化菌氧化CH_4能力的影響[A];2008年中國微生物學會學術年會論文摘要集[C];2008年

相關重要報紙文章 前2條

1 王壣，

本文編號：2364259