土壤中方鐵錳礦生物形成機(jī)制細(xì)菌氧化Mn(Ⅱ)的微量熱研究.pdf

1、錳氧化物在環(huán)境中廣泛存在，反應(yīng)活性強(qiáng)，對(duì)有機(jī)物質(zhì)降解及污染元素的遷移轉(zhuǎn)化起著非常重要的作用。微生物強(qiáng)烈影響著錳氧化物的形成與轉(zhuǎn)化。目前有關(guān)錳氧化物生物形成的研究主要以海相錳礦物為對(duì)象，用于研究錳氧化物生物形成的微生物也多來自海相和湖相系統(tǒng)，且陸相表生土壤中錳氧化物的形成比海相和湖相系統(tǒng)復(fù)雜得多;從微生物生長(zhǎng)的熱量變化角度探討錳細(xì)菌氧化Mn(Ⅱ)功能的生物學(xué)意義的研究尚未報(bào)道。本研究綜合運(yùn)用微生物學(xué)、分子生物學(xué)、微量熱和同步輻射等的理論與

2、技術(shù)，從我國(guó)4種地帶性土壤和結(jié)核中篩選錳氧化細(xì)菌，探討了生物氧化錳的形成，并對(duì)生物形成的錳氧化物進(jìn)行了表征和分析;應(yīng)用基因突變和微量熱技術(shù)研究了錳氧化物生物形成過程中細(xì)菌生長(zhǎng)及熱量釋放特點(diǎn)，通過錳氧化菌催化形成生物氧化錳過程中的生長(zhǎng)特點(diǎn)和能量利用效率的關(guān)系，探討了錳細(xì)菌具有氧化功能的生物學(xué)意義。主要結(jié)果如下:
　　1.從我國(guó)4種地帶性土壤中分離到具有較高錳氧化活性的細(xì)菌共30株。其中棕壤分離得到20株、黃褐土和黃棕壤分別得到3和2

3、株、紅壤分離得到5株。通過對(duì)錳氧化菌16SrDNA序列分析和比對(duì)可知，30個(gè)菌株屬于2個(gè)發(fā)育群，3個(gè)門，5個(gè)屬，11個(gè)物種，其中厚壁菌門(G+)有19株，變形菌門(G-)10株，黃桿菌門1株(G-)。通過復(fù)篩實(shí)驗(yàn)得到變形菌門大腸桿菌屬的一株高氧化活性菌MB266，作為生物氧化錳形成菌株進(jìn)行深入研究。
　　2.MB266在含1mMMn(Ⅱ)的Leptothrix培養(yǎng)基中生長(zhǎng)5天，培養(yǎng)體系中生物氧化錳濃度達(dá)0.047mM，相當(dāng)于4.7

4、％的Mn(Ⅱ)被氧化。對(duì)冷凍干燥處理后的培養(yǎng)物進(jìn)行X射線衍射圖譜、透射電鏡圖譜及電子衍射分析，結(jié)果顯示生物形成的錳氧化物與方鐵錳礦Mn2O3(JCPDS00-002-0896)的特征峰吻合，但本實(shí)驗(yàn)所得生物氧化錳衍射峰強(qiáng)度較低，且峰形嚴(yán)重寬化。光電子能譜(XPS)和X射線吸收光譜(XANES)擬合結(jié)果顯示所得的產(chǎn)物平均氧化度分別為2.76和2.61，這表明本實(shí)驗(yàn)得到的生物錳氧化物是弱晶質(zhì)的三氧化二錳礦物。
　　3.對(duì)培養(yǎng)不同時(shí)間形

5、成的生物氧化錳進(jìn)行XPS和XANES擬合，實(shí)驗(yàn)中生物氧化錳的形成過程可能是:Mn(Ⅱ)在酶的催化氧化下生成Mn(Ⅲ)，部分Mn(Ⅲ)直接沉淀;另外一部分Mn(Ⅲ)與有機(jī)物螯合成可溶的復(fù)合體，進(jìn)一步被酶氧化到Mn(Ⅳ)，所得的Mn(Ⅳ)氧化物還可以被Mn(Ⅱ)還原，在菌體表面繼續(xù)生成Mn(Ⅲ)氧化物。
　　4.利用基因突變方法構(gòu)建了失去錳氧化活性的MB266的突變株MB32，MB98，應(yīng)用微量熱技術(shù)，檢測(cè)了MB266與突變菌株在Le

6、ptothrix培養(yǎng)基和含1mMMn(Ⅱ)的Leptothrix培養(yǎng)基中的生長(zhǎng)及熱量釋放特點(diǎn)，結(jié)合Mn(Ⅱ)的氧化量與微生物的生物量，探討了錳氧化菌的生長(zhǎng)特性和能量利用效能。結(jié)果表明:野生型菌株由于能夠?qū)n(Ⅱ)氧化為錳氧化物，降低了Mn(Ⅱ)對(duì)菌株的毒害作用，其生物量顯著高于突變株;與此同時(shí)，Mn(Ⅱ)對(duì)野生菌株毒害作用下降，降低了菌株修復(fù)細(xì)胞內(nèi)損傷的能量需要，從而降低了細(xì)胞的代謝強(qiáng)度，其熱量釋放顯著小于突變株。通過對(duì)與Mn(Ⅱ)化