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砷污染问题是世界性的环境问题,也是当今环境科学领域的研究热点。微生物在砷的地球化学循环中有着重要的作用同时也是理想的污染治理的候选材料,所以深入开展砷抗性菌研究有很重要的现实意义。本研究从宏观的微生物生态角度和微观砷代谢分子机理角度对砷抗性菌开展了全面研究。
山西大同盆地地区是中国乃至世界上地砷病的高发区,调查显示该地区的地砷病主要是由饮用砷污染的地下水引起。在宏观的微生物生态方面,本研究调查了砷污染的地下水区从表层到地下41m范围内的沉积物的地质特性,其中上层0-7 m的沉积物主要呈酸性,下层7-41 m的沉积物主要呈中性或弱碱性。不同深度的沉积物的地质特性影响着As(Ⅲ)氧化菌的和As(Ⅴ)还原菌分布:As(Ⅲ)氧化菌只存在于上层0-7m的沉积物中,分离得到的4株As(Ⅲ)氧化菌和10个As(Ⅲ)氧化酶基因片段全部属于α-和β-变形菌纲；As(Ⅴ)还原细菌则在0-41m的沉积物中广泛的存在是主要的抗砷菌。分离得到的10株As(V)还原细菌全部分布在γ-变形菌纲和放线菌纲。上述研究结果表明,不同深度的沉积物的地质特性和其中抗砷微生物分布共同影响着沉积物和地下水之间的砷循环。
微生物对As(Ⅲ)氧化有利于环境的砷解毒,有重要的环保意义,所以在微观的分子机理方面,本研究以分离得到的一株新型的异养型As(Ⅲ)氧化细菌Halomonas sp.HAL1为材料,通过构建其总DNA Fosmid文库分离得到了一个砷抗性基因簇,并深入探索了其中几个基因的功能,初步揭示了Halomonas sp.HAL1中的As(Ⅲ)氧化系统和砷抗性系统之间的关系。Halomonas sp.HAL1砷抗性基因簇包含了arsB、arsC2、arsH1、acr3、arsH2、arsC1、aoxA和aoxB共8个可能与其砷代谢有关基因。上述8个基因组成了5个独立的操纵子:其中基因arsH1-act3-arsH2和aoxA-aoxB为多基因操纵子,且为诱导型表达；基因arsB,arsC1,arsC2都独立为一个单基因操纵子,为组成型的表达。对砷氧化酶aoxB和砷外排基因acr3的功能研究表明:砷氧化酶aoxB负责Halomonas sp.HAL1 As(Ⅲ)氧化行为,对砷抗性有细微贡献。砷外排基因acr3基因的缺失对砷的抗性产生了显著的影响。在时空表达上acr3基因的表达量在对数生长期达到最大,而aoxB基因的则是从稳定期才开始表达。综上所述,Halomonas sp.HAL1中As(Ⅲ)氧化系统和砷抗性系统可能是相对独立的两个系统。
本论文围绕砷氧化还原细菌展开了生态分布和抗性机理的研究,以上研究为地下水砷污染治理和砷污染微生物修复提供了有力的理论基础。