淹水條件下水稻土中砷氧化菌對砷形態(tài)的影響及機制研究.pdf

1、砷(As)是一種有劇毒的類金屬。目前，隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)境中砷污染愈來愈嚴(yán)重。污染土壤中較高濃度的砷會對植物產(chǎn)生毒害效應(yīng)，危害其生長發(fā)育，并降低農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)。由于水稻的種植方式以及其對As(Ⅲ)的高效吸收，通常會比其他糧食作物富集更高含量的砷。稻米已經(jīng)成為水稻生產(chǎn)和消費地區(qū)，特別是東南亞以及中國的南方水稻種植地區(qū)，最為主要的砷的食物暴露途徑。依賴于硝酸鹽還原的厭氧砷氧化菌通過與硝酸鹽還原過程耦合將As(Ⅲ)氧化為As(Ⅴ)，

2、As(Ⅴ)在土壤中的移動性和生物毒性相對于As(Ⅲ)都有所下降。本研究旨在探索砷氧化菌耦合As(Ⅲ)氧化與硝酸鹽還原過程，將砷氧化菌接種到淹水砷污染土壤中，觀察其對土壤中砷形態(tài)和總量的影響，并從不同砷污染土壤中分離篩選依賴于硝酸鹽還原的砷氧化菌，研究其生理生化特征和砷氧化特性，加強砷氧化菌耦合As(Ⅲ)氧化與硝酸鹽還原過程的機制研究，并探究硝酸鹽的添加對土壤砷形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響，建立克隆文庫和構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹分析。具體研究內(nèi)容和結(jié)果如下:

3、r>　　(1)利用實驗室保藏的砷氧化菌SY，對其進(jìn)行As(Ⅲ)氧化特性研究，發(fā)現(xiàn)SY可以以As(Ⅲ)為電子供體，NO3-為電子受體，偶聯(lián)As(Ⅲ)氧化與反硝化過程，并從中獲得能量用于生長。我們從SY的基因組DNA中擴增出砷氧化酶基因、二氧化碳固定酶基因和反硝化酶基因簇。通過構(gòu)建aioA基因的敲除突變株SY△aioA，發(fā)現(xiàn)aioA基因的缺失導(dǎo)致SY△aioA完全喪失了As(Ⅲ)氧化能力并對As(Ⅲ)表現(xiàn)得更為敏感。為了驗證菌株SY在淹水土

4、壤中是否具有As(Ⅲ)氧化能力，我們將菌株SY接種到砷污染土壤中，結(jié)果表明土壤孔隙水和土壤底泥中的As(Ⅲ)比例下降，As(Ⅴ)比例上升，總砷含量均低于對照處理，可以推測菌株SY參與了淹水土壤中的厭氧As(Ⅲ)氧化過程。然后通過建立上虞砷污染水稻土aioA基因的克隆文庫，并構(gòu)建aioA基因系統(tǒng)發(fā)育樹進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)與SY類似的砷氧化菌在上虞土壤中廣泛存在，推測此類砷氧化菌在上虞砷污染水稻土中的砷氧化還原過程中扮演不可或缺的角色。
　

5、　(2)通過對不同砷污染土壤進(jìn)行砷氧化菌的篩選，共計分離出6株具有砷氧化能力的菌株，其中4株擴增出砷氧化酶基因(aioA)，主要包括根瘤菌屬(Rhizobium)、包西氏菌屬(Bosea)和劍菌屬(Ensifer)等。然后對其生理生化特征和砷氧化特性進(jìn)行研究，挑選厭氧反硝化條件下具有As(Ⅲ)氧化能力的菌株進(jìn)一步進(jìn)行分析，強化厭氧反硝化條件下As(Ⅲ)氧化的微生物作用機制。
　　(3)進(jìn)行土壤淹水培養(yǎng)試驗，將硝酸鹽加入到砷污染水稻

6、土中，觀察其對土壤砷形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響。硝酸鹽加入到淹水土壤后，土壤溶液中大部分的As(Ⅲ)被氧化成As(Ⅴ)，土壤孔隙水中總砷的含量也得到了降低。從砷氧化酶基因（aioA）定量的結(jié)果來看，aioA基因的豐度得到了提高，通過建立aioA基因克隆文庫，構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在3mM硝酸鹽添加的情況下，Acidovorax相關(guān)的OTU得到了大幅度增加，說明硝酸鹽還原過程刺激了該類砷氧化菌的增殖。
　　在淹水土壤中，砷的轉(zhuǎn)化雖然以還原