土壤中方鐵錳礦生物形成機制細菌氧化Mn(Ⅱ)的微量熱研究.pdf

1、錳氧化物在環(huán)境中廣泛存在，反應活性強，對有機物質(zhì)降解及污染元素的遷移轉化起著非常重要的作用。微生物強烈影響著錳氧化物的形成與轉化。目前有關錳氧化物生物形成的研究主要以海相錳礦物為對象，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)復雜得多;從微生物生長的熱量變化角度探討錳細菌氧化Mn(Ⅱ)功能的生物學意義的研究尚未報道。本研究綜合運用微生物學、分子生物學、微量熱和同步輻射等的理論與

2、技術，從我國4種地帶性土壤和結核中篩選錳氧化細菌，探討了生物氧化錳的形成，并對生物形成的錳氧化物進行了表征和分析;應用基因突變和微量熱技術研究了錳氧化物生物形成過程中細菌生長及熱量釋放特點，通過錳氧化菌催化形成生物氧化錳過程中的生長特點和能量利用效率的關系，探討了錳細菌具有氧化功能的生物學意義。主要結果如下:
　　1.從我國4種地帶性土壤中分離到具有較高錳氧化活性的細菌共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。通過對錳氧化菌16SrDNA序列分析和比對可知，30個菌株屬于2個發(fā)育群，3個門，5個屬，11個物種，其中厚壁菌門(G+)有19株，變形菌門(G-)10株，黃桿菌門1株(G-)。通過復篩實驗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行深入研究。
　　2.MB266在含1mMMn(Ⅱ)的Leptothrix培養(yǎng)基中生長5天，培養(yǎng)體系中生物氧化錳濃度達0.047mM，相當于4.7

4、％的Mn(Ⅱ)被氧化。對冷凍干燥處理后的培養(yǎng)物進行X射線衍射圖譜、透射電鏡圖譜及電子衍射分析，結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，但本實驗所得生物氧化錳衍射峰強度較低，且峰形嚴重寬化。光電子能譜(XPS)和X射線吸收光譜(XANES)擬合結果顯示所得的產(chǎn)物平均氧化度分別為2.76和2.61，這表明本實驗得到的生物錳氧化物是弱晶質(zhì)的三氧化二錳礦物。
　　3.對培養(yǎng)不同時間形

5、成的生物氧化錳進行XPS和XANES擬合，實驗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)與有機物螯合成可溶的復合體，進一步被酶氧化到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建了失去錳氧化活性的MB266的突變株MB32，MB98，應用微量熱技術，檢測了MB266與突變菌株在Le

6、ptothrix培養(yǎng)基和含1mMMn(Ⅱ)的Leptothrix培養(yǎng)基中的生長及熱量釋放特點，結合Mn(Ⅱ)的氧化量與微生物的生物量，探討了錳氧化菌的生長特性和能量利用效能。結果表明:野生型菌株由于能夠將Mn(Ⅱ)氧化為錳氧化物，降低了Mn(Ⅱ)對菌株的毒害作用，其生物量顯著高于突變株;與此同時，Mn(Ⅱ)對野生菌株毒害作用下降，降低了菌株修復細胞內(nèi)損傷的能量需要，從而降低了細胞的代謝強度，其熱量釋放顯著小于突變株。通過對與Mn(Ⅱ)化