强化微生物胞外电子传递过程对沉积物中铁硫循环的影响
文献类型：学位论文
| 作者 | 孔冠楠 |
| 学位类别 | 硕士 |
| 答辩日期 | 2017-07-02 |
| 导师 | 许玫英 |
| 关键词 | 黑臭河涌 脱色希瓦氏菌S12 微生物燃料电池 铁硫循环 沉积物 |
| 学位专业 | 生物工程 |
| 中文摘要 | 目前，由于生产生活废物废水的排放导致河涌黑臭现象十分普遍，尤其是在人口密集、工业发达的大中城市。水环境的污染已成为威胁居民健康和城市可持续发展的重要因素。相关报道指出，硫化氢和铁锰等金属元素的硫化物是造成河涌黑臭的主要因素。微生物的胞外电子传递功能是自然水体中硫化物和金属元素循环的重要驱动力量。因而，强化微生物的胞外电子传递过程有可能会促进污染河涌底泥中硫和铁元素的循环，从而加速黑臭河涌的净化进程。 基于上述推测，本研究通过两种途径强化污染河涌底泥（Contaminated sediments, CS）中的微生物胞外电子传递过程：（1）添加具有胞外电子传递功能的脱色希瓦氏菌S12；（2）构建微生物燃料电池（Microbial fuel cells, MFC），并以未污染河涌底泥(Normal sediments, NS)作为对照，运用统计学分析方法、16S rDNA高通量测序方法、R语言数据分析、纯菌基因组分析、KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)途径分析、基因敲除等方法，比较分析不同胞外电子传递强化方法对污染河涌铁硫循环的促进和作用机制特性，以及脱色希瓦氏菌S12的硫氧化分子机理进行探究。 研究结果表明，在CS中添加脱色希瓦氏菌S12可以在5天内有效促进铁还原过程，底泥中二价铁浓度增加，同时可有效降低沉积物中硫化物的产生，相应地硫酸盐浓度增加，表明S12促进了底泥中的硫氧化过程。但16天后二价铁铁、硫化物和硫酸盐的与对照接近，表明S12的强化作用具有时效性。在NS中，S12添加后二价铁浓度持续下降，与CS趋势相反；硫化物的浓度呈先下降而后恢复至对照水平，与CS组一致。这些结果显示，（1）在污染和非污染底泥中添加S12都可促进硫化物向硫酸盐的氧化转化，但有时效性；（2）S12的添加对污染和非污染底泥中的铁还原作用不同。微生物群落结构分析显示：在CS底泥环境中，S12的添加极显著改变了微生物的群落结构，富集了微杆菌属(Exiguobacterium)、柠檬酸杆菌属(Citrobacter)等底泥中高丰度的具有硫氧化及胞外电子传功能的微生物，这些微生物的增加可以有效促进铁的还原和硫的氧化；而在NS的底泥环境中，S12的添加没能够显著改变微生物的群落结构，但S12本身的铁还原功能使得铁在初期进行还原，而对硫化物没有显著影响。 另外，与添加S12的强化处理组不同，在MFC处理的污染底泥中，二价铁的浓度始终与未处理组相当，表明MFC对CS中铁氧化还原速率没有显著影响；但MFC强化底泥中硫化物的浓度增加，且与MFC产电量呈正相关，表明MFC处理加速了硫化物的生成。与S12处理组的结果相比，MFC和S12强化虽然都有强化胞外电子传递的作用，但其对污染底泥中硫化物和金属元素氧化还原的作用明显不同。微生物群落结构分析表明：在CS的底泥环境中添加MFC极显著改变了其微生物群落结构，并显著的减弱了沉积物环境中铁还原菌属柠檬酸杆菌属(Citrobacter)的丰度，相对于对照组铁的还原并没有减少，说明底泥中低丰度的铁还原菌也发挥了重要作用；同样的，MFC的添加也显著减弱了硫氧化菌群微杆菌属(Exiguobacterium)的丰度，并表现出硫化物的累积。 最后，通过分析脱色希瓦氏菌S12的基因组，发现S12具有硫氧化相关基因，这可能是造成S12和MFC对底泥铁-硫循环不同作用的重要原因。希瓦氏菌的硫氧化功能目前尚未见报道。本研究初步验证了S12的硫氧化功能，并对S12亚硫酸盐脱氢酶的亚基基因（mcc）进行敲除。生理结果分析显示，mcc基因的缺失抑制了该菌的电极呼吸效率和生物膜形成，并不影响S12的厌氧硫氧化功能。S12基因组内有多样的硫代谢途径，其具体的厌氧硫氧化功能尚需要进一步确认。 综上所述，基于微生物胞外电子传递促进污染底泥铁硫循环的假设，本研究探讨了添加胞外电子传递功能菌（脱色希瓦氏菌S12）和胞外电子受体（MFC电极）两种方法对污染底泥中铁硫循环的促进作用和初步机理。相关结果不仅为污染河涌修复技术优化提供理论指导，也为进一步了解污染底泥中复杂的微生物电子传递过程和希瓦氏菌的硫代谢途径提供了重要的信息。 |
| 源URL | [http://ir.scsio.ac.cn/handle/344004/17443]  |
| 专题 | 南海海洋研究所_学位论文（硕士） |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 孔冠楠. 强化微生物胞外电子传递过程对沉积物中铁硫循环的影响[D]. 2017. |
入库方式： OAI收割
来源：南海海洋研究所
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