惡臭假單胞菌CZ1非飽和生物膜耐受和累積重金屬的分子機(jī)制.pdf

1、土壤重金屬污染是全球廣泛關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題，地球上99％以上的微生物都是以生物膜的形式存在，與游離態(tài)微生物相比，微生物生物膜在土壤重金屬的分子形態(tài)、生物有效性和遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程中發(fā)揮著更為重要的作用。本論文以高銅鋅耐性微生物惡臭假單胞菌CZ1為研究對(duì)象，采用原子力顯微鏡(AFM)、激光共聚焦顯微鏡(CLSM)、透射電鏡(TEM)、X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜(XAFS)和X射線熒光光譜(XRF)等微結(jié)構(gòu)分析技術(shù)系統(tǒng)研究了重金屬與非飽和生物膜之間的相互作

2、用，從分子水平上初步闡明了非飽和生物膜及其組分在調(diào)控重金屬耐性和吸收過(guò)程中的作用機(jī)制，旨在為土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和修復(fù)控制提供理論依據(jù)。研究成果主要包括：
　　 揭示了不同培養(yǎng)條件下非飽和生物膜中大分子組成和表面特性的變化規(guī)律。通過(guò)聚酯膜模擬培養(yǎng)惡臭假單胞菌非飽和生物膜，發(fā)現(xiàn)生物膜胞內(nèi)外多糖、蛋白和核酸等大分子物質(zhì)的組成受營(yíng)養(yǎng)條件的調(diào)控，且胞外多聚物(EPS)更易受到影響。高溫、低pH和一定強(qiáng)度的滲透壓脅迫能顯著促進(jìn)惡臭假單胞

3、菌CZ1分泌更多的胞外多聚物。隨著生物膜的成熟，生物膜表面由光滑變粗糙，細(xì)胞表面布滿直徑15-50 nm的橢球形胞外多聚物。在高滲透壓脅迫下生物膜中細(xì)胞緊密粘合在一起，表明胞外多聚物的合成和生物膜中細(xì)胞間的相互協(xié)作也是生物膜應(yīng)對(duì)環(huán)境脅迫的重要機(jī)制。
　　 弄清了重金屬對(duì)游離態(tài)微生物、飽和及非飽和生物膜的毒性效應(yīng)機(jī)制。生物膜對(duì)銅、鋅、鉛、鐵、錳、鎳等重金屬都具有很高的抗性和富集能力。與其游離態(tài)細(xì)胞相比，惡臭假單胞菌生物膜對(duì)銅鋅的抗

4、性增加了2-8倍，且生物膜中細(xì)胞只有在長(zhǎng)時(shí)間暴露于重金屬時(shí)才會(huì)被逐漸殺死。SEM、CLSM和AFM的研究結(jié)果表明，生物膜的表面形態(tài)、空間結(jié)構(gòu)及胞外多聚物都與其高重金屬抗性相關(guān)。
　　 闡明了非飽和生物膜對(duì)銅吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和累積的時(shí)空變化規(guī)律。XRF分析表明，生物膜中元素的空間分布規(guī)律存在顯著的空間異質(zhì)性，生物膜空氣界面層是金屬元素最主要的分布區(qū)域。非飽和生物膜對(duì)銅的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和累積過(guò)程是一個(gè)快速主動(dòng)的過(guò)程。生物膜從培養(yǎng)基中以檸檬酸銅

5、的形式吸收銅，運(yùn)輸?shù)缴锬さ母鱾€(gè)部位，并在靠近空氣界面層的約40μm厚的小區(qū)域內(nèi)以類似磷酸銅的形式沉積于胞外，從而保護(hù)培養(yǎng)基界面層細(xì)胞免受銅的毒害。
　　 明確了銅在非飽和生物膜及其不同組分上的分布特征、結(jié)合部位及其結(jié)合的分子形態(tài)。生物膜的EPS是銅的主要分布區(qū)，約60-67％的銅分布在EPS中，而其蒴狀EPS中銅占到42.3-44.7％。銅脅迫下，胞內(nèi)蛋白、胞外核酸和胞外酸性多糖的含量顯著增加，紅外光譜中相應(yīng)的酰胺Ⅰ帶、磷?；?/p>

6、和羧基峰也發(fā)生了顯著變化，表明這些大分子物質(zhì)在銅絡(luò)合中發(fā)揮著重要作用。XAFS研究也表明，在生物膜的微生物細(xì)胞內(nèi)、細(xì)胞壁和胞外多聚物中，銅分別主要以與巰基、磷酸基和羧基結(jié)合的類似形態(tài)存在。
　　 揭示了胞外多聚物中胞外核酸也能參與銅的絡(luò)合。隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA(RAPD)分析表明，銅脅迫下生物膜的胞外核酸中某些條帶含量顯著增加，同時(shí)也有新特異條帶出現(xiàn)。XAFS分析表明與胞內(nèi)核酸相比，在胞外核酸中與銅配位的氧原子數(shù)更少，鍵長(zhǎng)也更短