水稻土壤重金屬和硫分子形態(tài)轉(zhuǎn)化的功能微生物作用機(jī)制.pdf

1、稻田土壤不同區(qū)域中氧化還原電位變化影響功能微生物硫氧化菌和硫還原菌的種群分布，導(dǎo)致土壤硫形態(tài)轉(zhuǎn)化，并影響重金屬遷移轉(zhuǎn)化。功能微生物作用下的金屬硫化物的形成和氧化對于控制重金屬的遷移轉(zhuǎn)化有重要意義。隨著環(huán)境分子科學(xué)及分子生物學(xué)的發(fā)展和研究方法的突破，從分子水平深入認(rèn)識重金屬在環(huán)境中的反應(yīng)機(jī)制成為環(huán)境科學(xué)新的研究熱點。本論文在傳統(tǒng)分析方法的基礎(chǔ)上，通過引入同步輻射X射線吸收光譜技術(shù)(XAS)、X射線熒光(XRF)微區(qū)XAFS以及PCR-DG

2、GE、FISH和分子克隆等技術(shù)，研究水稻土壤重金屬和硫分子形態(tài)轉(zhuǎn)化的規(guī)律及其相互作用，考察硫氧化還原菌種群結(jié)構(gòu)，探索其對金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化的作用機(jī)制。主要研究結(jié)論為：
　　 明確了土壤-水稻系統(tǒng)中重金屬Cu和硫的形態(tài)轉(zhuǎn)化及相互關(guān)系。水稻根際土及非根際土中Cu的螯合官能團(tuán)差異較大。根際土中Cu主要以Cu(Ⅱ)為主，而非根際土中有部分Cu(Ⅰ)存在。根際土中氧化態(tài)硫的含量比非根際土中高。稻田土壤不同區(qū)域的氧化還原電位變化導(dǎo)致硫的形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)

3、化，并影響Cu的形態(tài)。Cu的解毒機(jī)理可能與銅和硫基團(tuán)的高結(jié)合性有關(guān)。Cu-組氨酸和Cu-檸檬酸類似基團(tuán)是水稻根中銅的主要分子形態(tài)，此外還有少量的Cu-谷胱甘肽類似基團(tuán)，這些基團(tuán)與重金屬Cu的絡(luò)合可能參與了水稻體內(nèi)Cu的解毒。
　　 揭示了硫底物對重金屬Cu、Zn、Pb的生物有效性及土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。硫氧化菌在氧化條件下氧化低價態(tài)硫，降低土壤pH值，導(dǎo)致Cu、Zn、有效性顯著提高，而Pb的有效性沒明顯變化。PCR-DGGE

4、結(jié)果表明銅處理水稻根際土的微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，而鉛處理土壤微生物多樣性的變化并不顯著。硫底物作用下有特異性條帶產(chǎn)生，經(jīng)鑒定為硫桿菌。硫的形態(tài)轉(zhuǎn)化對土壤重金屬的有效性產(chǎn)生重要影響。
　　 明確了水稻根際硫氧化還原菌的種群結(jié)構(gòu)及其與重金屬Pb的相互作用關(guān)系。FISH結(jié)果表明水稻根際土中硫氧化菌的數(shù)量比硫還原菌多，硫氧化菌和硫還原菌共同作用促進(jìn)硫的形態(tài)轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致重金屬沉淀或釋放，控制重金屬遷移轉(zhuǎn)化。根際土中硫的形態(tài)主要為氧化態(tài)

5、，還有少量的負(fù)二價硫存在。水稻根際有少量耐氧的SRB子群促進(jìn)硫還原反應(yīng)進(jìn)行。隨著鉛濃度的增加，根際土Eh值下降，pH值上升，SRB活性增強(qiáng)。水稻根際存在高效的SRB子群，能夠存在于較高濃度Pb污染的土壤環(huán)境中，這對于較高Pb污染土壤中Pb污染控制具有重要意義。
　　 從水稻根際土中篩選出一株硫氧化菌HT1，證明該菌株屬于硫氧化菌中的鹽硫桿菌屬Halothiobacillus。該菌株可利用硫代硫酸鹽，連四硫酸鹽、單質(zhì)硫和亞硫酸鹽等

6、硫底物當(dāng)電子供體，且耐鹽(0-3 M NaCl)和耐重金屬。菌株HT1不含soxB基因，其代謝途徑是通過形成連四硫酸鹽作為中間產(chǎn)物并被氧化的硫代硫酸鹽，營該代謝途徑的細(xì)菌會在體內(nèi)聚集硫球，硫的K邊XANES分析表明菌株HT1體內(nèi)硫球形態(tài)主要為S8。
　　 初步探討了硫氧化菌HT1與重金屬的相互作用機(jī)制。吸附Cu2+，Pb2+和Zn2+后菌株HT1體內(nèi)多數(shù)硫轉(zhuǎn)化成半胱氨酸以絡(luò)合重金屬離子，起到提高耐性和解毒的作用。與金屬硫化物作用

7、后菌株HT1氧化硫化物中的負(fù)二價硫，形成高價硫。還原態(tài)硫也轉(zhuǎn)化半胱氨酸，參與重金屬的解毒。HT1生物膜上層、內(nèi)層與培養(yǎng)基交界層是活性區(qū)域，氧含量對細(xì)胞膜中細(xì)菌的活性有重要影響。在LB培養(yǎng)基上與金屬硫化物作用后，HT1生物膜上分別吸附了一定量的Pb、Cu，但基本不吸附Zn。XFR研究結(jié)果表明在CuS表面生長的HT1生物膜Cu主要分布在內(nèi)層培養(yǎng)基界面層，其次是上層，而中間層銅含量較低。而在PbS上HT1生物膜Pb主要分布在上層。HT1對不同