蒽在土壤中的矿化及其功能微生物研究

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据调查,我国农田土壤面临着较为严重的多环芳烃(PAHs)污染问题。多环芳烃结构稳定,水溶性弱,进入土壤可长期存在,威胁人体健康。因此,修复多环芳烃污染土壤是目前学界关注的热点,而微生物修复是去除土壤中多环芳烃的有效途径。蒽(Anthracene)是一种典型的多环芳烃,含有3个苯环。为进一步明确土壤中微生物对多环芳烃的矿化机制,本研究以蒽为供试多环芳烃,综合采用放射性同位素示踪技术、选择性抑制技术、高通量测序和稳定同位素探针技术,分析了高效降解真菌-血红密孔菌H1对蒽的矿化及其产物水溶性的影响,探明了土壤中真菌和细菌对蒽矿化的相对贡献,并找出了土壤中参与蒽矿化的功能微生物,从而为了解多环芳烃在土壤中的微生物矿化过程,提高多环芳烃的修复效果奠定理论基础。主要研究结果如下:(1)通过摇瓶培养实验研究了血红密孔菌H1(Pycnoporus sanguineus)对蒽的降解、矿化及其降解产物水溶性的影响。结果表明,血红密孔菌H1对蒽的降解率为83.0%,主要降解产物为蒽醌,但矿化率较低,仅为0.5%;采用不同极性洗脱液对蒽及其产物进行洗脱发现,与对照相比,极性洗脱液中放射性强度增加,而非极性洗脱液放射性强度降低,表明白腐真菌把蒽主要转化为了极性较强的中间产物。因此认为,尽管血红密孔菌H1对蒽的矿化率较低,但由于其降解产物的水溶性增强,从而有利于蒽在土壤中被土著菌继续矿化。(2)在土壤微域培养条件下,通过向土壤中加入真菌(放线菌酮,克菌丹)和细菌抑制剂(硫酸链霉素,布罗波尔),研究了土壤中细菌和真菌对蒽矿化的相对贡献及参与矿化的微生物类群。结果表明,浓度均为2 mg g-1的放线菌酮和布罗波尔分别特异性的抑制了真菌和细菌的生长,这两种处理中蒽的矿化率分别为3.9%和0.1%,低于对照(20.0%),表明细菌和真菌均参与蒽的矿化;进一步对细菌PAH-RHD基因拷贝数分析发现,放线菌酮和布罗波尔处理中其拷贝数分别为2.9×104和0,低于对照(2.2×106),且分析发现PAH-RHD基因拷贝数与矿化率拟合程度较高(R2=0.89),表明细菌在蒽矿化中起主要作用;通过高通量测序发现,与对照相比,放线菌酮和布罗波尔处理后,细菌群落在门、纲、OTU水平差异较大,并发现有9种OTUs显著降低,主要属于β变形菌纲和酸杆菌纲。因此认为,土壤中的细菌和真菌均参与了蒽的矿化,但细菌起主要作用。(3)在土壤微域培养条件下,应用稳定同位素探针技术进一步研究了农田土壤中参与蒽矿化的功能微生物。结果表明,28 d时PAH-RHD基因向CsCl重层迁移,是一个合适的取样时间点,蒽的矿化率为12.2%;对DNA超高速密度梯度离心并结合高通量测序分析发现,28 d时有5种OTUs被成功标记,在分类学上分别属于β变形菌纲(Betaproteobacteria)的贪铜菌属(Cupriavidus);α变形菌(Alphaproteobacteria)的鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)和红游动菌属(Rhodoplanes);δ变形菌纲(Deltaproteobacteria)的地杆菌属(Geobacter);放线菌纲(Actinobacteria)的分支杆菌属(Mycobacterium)。因此认为,土壤中参与蒽矿化的微生物具有多样性,其中至少有5种细菌可能参与农田土壤中蒽的矿化。
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