湿地环境中砷转化微生物多样性及其砷代谢机制研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 张思宇 |
| 答辩日期 | 2015-05 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 朱永官 |
| 关键词 | 湿地环境 微生物 砷氧化 砷还原 砷甲基化 分子生态学 Miseq测序 Wetland Microbes Arsenite Oxidation Arsenate Reduction Arsenite Methylation Molecular Ecology Miseq |
| 学位专业 | 环境科学 |
| 其他题名 | The diversity of arsenic biotransforming microbes and their roles on arsenic biogeochemistry in wetland ecosystems |
| 英文摘要 | 砷作为一种毒性较强的环境污染物，其在湿地环境，如自然湿地-中国的黄河三角洲、孟加拉国的 Bhaluka地区，以及人工湿地-东南亚水稻土的污染问题已严重威胁人类的健康和生命安全。除湿地水文条件和土壤性质的变化外，微生物介导的砷转化过程对湿地中砷的形态、迁移转化、毒性和生物有效性也具有重要的影响。考虑到湿地在地球生态系统中的重要地位，湿地环境微生物介导的砷转化过程对于砷的生物地球化学循环具有重要意义。然而，迄今为止，关于湿地环境中砷转化微生物的分布、多样性和丰度，以及对它们在砷的生物地球化学循环中所起贡献的研究尚不足。 本论文首先采用分子生态学方法如聚合酶链式反应（PCR）、实时荧光定量PCR、末端限制性片段长度多态性分析（ T-RFLP）、克隆与测序技术，以及高通量 Miseq测序技术研究湿地环境中微生物的砷氧化、还原和甲基化基因的分布、多样性和丰度，全面揭示我国南方不同地区和不同类型的湿地中砷转化微生物丰度和群落结构的差异，深入分析影响湿地中砷转化微生物丰度和多样性的环境因素；其次，以模式生物-蓝藻和真核微藻作为湿地环境微生物的代表，结合植物生理学手段，验证微生物的砷氧化、还原和甲基化基因功能，探究湿地环境中微生物的砷氧化、还原和甲基化机制，分析影响微生物砷转化过程的因素，旨在深入理解湿地环境微生物对砷的生物地球化学循环的贡献。论文的主要研究内容及结果如下： 1.采用分子生态学方法，如聚合酶链式反应（PCR）、实时荧光定量 PCR、末端限制性片段长度多态性分析（ T-RFLP）、克隆和测序技术，对采自于我国南方地区 13个水稻土，共 52个土壤样品中编码微生物三价砷（As(III)）氧化酶基因（aioA）、五价砷（As(V)）呼吸还原酶基因（arrA）、As(V)解毒还原酶基因（arsC）和 As(III)甲基转移酶基因（arsM）的分布、多样性和丰度进行研究。研究结果表明，具有砷氧化、还原和甲基化功能的微生物广泛的分布于水稻土中。其中 aioA的基因丰度最高，arsM基因的多样性最高。土壤pH值，EC，总 C，N，As和Fe浓度，C/N比等环境因子是影响不同地区水稻土中砷转化微生物丰度和群落结构差异的主要因素，并可能导致砷转化微生物基于不同地区的聚类模式。克隆文库分析结果表明，这些砷转化基因主要来自于水稻根际微生物，包括变形菌门（Proteobacteria），芽单胞菌门（Gemmatimonadetes），厚壁菌门（Firmicutes）和放线菌门（Actinobacteria）等。 2.对采自于我国东南方地区14个河口湿地，共 70个沉积物样品中微生物的aioA，arrA， arsC和arsM基因的分布、多样性和丰度进行研究，发现具有砷氧化、还原或甲基化功能的微生物广泛地分布于河口湿地环境。对 arsM进行Miseq测序和群落结构分析的研究表明，河口湿地中主导的As(III)甲基化微生物来自于细菌的变形菌门（Proteobacteria），广古菌门（Euryarchaeota），厚壁菌门（Firmicutes），浮霉菌门（Planctomycetes），放线菌门（Actinobacteria），绿弯菌门（Chloroflexi）和疣微菌门（Verrucomicrobia）。其中，丰佑菌科（ Opitutaceae），球形杆菌科（Sphaerobacteraceae），生丝微菌科（ Hyphomicrobiaceae），多囊粘菌科（ Polyangiaceae），脱硫杆菌科（Desulfobacteraceae）和梭菌目（Clostridiales）在微生物相关性网络分析中表 现出与其它 As(III)甲基化微生物更高的相关性，表明它们可能共享相似的生态龛位（ecological niche）。而河口湿地的地理分布和环境异质性（土壤 pH值，总 N浓度，C/N比，Fe(III)浓度）是影响As(III)甲基化微生物群落结构差异的重要因素，造成其基于不同省份的聚类模式。 3.以蓝藻-集胞藻为湿地环境代表性微生物研究其对砷的氧化还原过程，研究结果表明集胞藻具有 As(III)的氧化能力。进一步研究磷酸盐对集胞藻介导的砷氧化还原调控机理的结果表明，集胞藻对 As(III)的氧化效率随环境中磷酸盐浓度升高而增加。集胞藻在低磷环境中对砷的氧化还原是一个动态循环过程，包括：表面 As(III)氧化过程，细胞对 As(V)的吸收过程，细胞内 As(V)解毒还原过程，以及 As(III)外排过程。在低磷培养条件下，培养基中较高浓度的 As(III)是由于集胞藻对 As(V)的吸收量增加，促进了细胞内 As(V)还原和 As(III)外排，进而促进了培养基中 As(III)浓度增高。 4.以真核微藻Ostreococcus tauri为湿地环境代表性微生物研究其对As(III)的甲基化机制，研究结果证实 O.tauri具有As(III)甲基化和气态砷挥发能力。O. tauri可耐受100M的 As(III)和 As(V)，其细胞内积累砷的浓度随着培养基中 As(V)浓度（0-50M）的增加而显著增加（P < 0.01）。研究结果同时表明O.tauri对砷的甲基化过程主要由藻细胞调控，并且 As(V)还原过程可能是其甲基化和气态砷挥发的主要限速步骤。此外，克隆得到 O.tauri的arsM基因，在分子水平进一步证实O.tauri具有As(III)甲基化和气态砷挥发能力。 以上研究结果表明，具有砷氧化、还原和甲基化功能的微生物广泛地存在于湿地环境中，并随湿地环境的地理分布和环境异质性的不同而表现出不同的微生物群落结构多样性和丰度。湿地环境微生物介导的砷氧化、还原和甲基化过程对砷的生物地球化学循环具有重要意义。 |
| 源URL | [http://localhost/handle//34472]  |
| 专题 | 生态环境研究中心_土壤环境科学实验室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 张思宇. 湿地环境中砷转化微生物多样性及其砷代谢机制研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2015. |
入库方式： OAI收割
来源：生态环境研究中心
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