电活性希瓦氏菌 MR-1 对氯霉素的生物降解及其产电性能研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 李新 |
| 答辩日期 | 2024-05-16 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 导师 | 丁家旺 |
| 关键词 | 电活性微生物 希瓦氏菌 氯霉素降解 金属有机框架材料 协同作用 |
| 学位名称 | 理学博士 |
| 学位专业 | 海洋生物学 |
| 其他题名 | Studies on the biodegradation of chloramphenicol by electroactive Shewanella oneidensis MR-1 and its bioelectricity production performance |
| 英文摘要 | 海岸带作为连接陆地和海洋环境的纽带，是人类生产活动的活跃区域。随着社会发展和人类活动的增加，大量污染物通过各种途径排放到海岸带环境，导致海岸带区域生态功能退化和经济损失。其中抗生素滥用导致的环境污染问题已引起广泛关注。氯霉素类抗生素具有造血系统毒性和肝肾毒性等副作用，且其环境残留物可诱导抗性细菌和抗性基因产生。含氯霉素的废水通过直接排放或经地表径流等途径排入海岸带区域，给海岸带生态安全及治理带来重大挑战。化学或物理等传统氯霉素去除方法存在成本高、二次污染等问题。因此，发展环境友好的氯霉素降解方式，对海岸带生态环境整治和可持续发展，以及应对我国和全球范围内的细菌耐药性问题具有重要意义。 电活性微生物通过将胞内有机质氧化产生的电子传递到胞外固体电子受体表面以完成呼吸过程并获得能量。因其独特的呼吸方式，以奥奈达希瓦氏菌（Shewanella oneidensis MR-1）为代表的电活性微生物在环境修复、废水处理和能源回收等领域具有重要的应用前景。然而，电活性希瓦氏菌MR-1降解氯霉素的能力、降解途径以及关键基因等科学问题有待深入研究。本论文探究了希瓦氏菌MR-1对氯霉素的降解能力，解析了氯霉素降解途径；通过添加铁基金属有机框架材料提高希瓦氏菌MR-1对氯霉素的降解速率，并揭示希瓦氏菌MR-1降解氯霉素的关键基因；通过构建生物电化学系统，明确氯霉素在生物电化学系统中的氧化还原活性，阐明氯霉素加强希瓦氏菌MR-1胞外电子传递效率的机制。具体研究内容如下： 1. 希瓦氏菌MR-1对氯霉素的降解能力及降解途径分析 氯霉素是一类广谱抗生素，通过抑制肽键形成从而抑制细菌的活性甚至造成细菌死亡。本论文首先对氯霉素的抑菌作用进行分析，结果证实氯霉素对希瓦氏菌MR-1菌株具有较强的抑制作用。系统研究氯霉素降解过程发现，细菌接种浓度为OD600 = 0.2时对30 mg/L氯霉素的降解率为31.62 ± 0.52%。氯霉素的生物降解速率与氯霉素浓度呈负相关，与细菌浓度为正相关关系，且24 h内氯霉素的降解过程符合一级降解动力学模型。质谱分析表明氯霉素生物降解的主要途径为脱氢作用、硝基还原作用及支链断裂作用。海水和淡水培养体系表明希瓦氏菌MR-1在不同水体环境中及不同培养条件下均能有效降解氯霉素。这些结果为扩充氯霉素降解菌种提供了理论和数据支持。 2. 希瓦氏菌MR-1与铁基金属有机框架材料协同降解氯霉素研究 纯培养希瓦氏菌MR-1对氯霉素的降解效率仍需进一步提高。铁基金属有机框架材料（Fe-MIL-101）是研究微生物与材料相互作用的优异氧化还原活性物质。然而Fe-MIL-101是否与希瓦氏菌MR-1协同促进氯霉素的高效降解尚不清楚。本论文证实Fe-MIL-101中Fe(III)在希瓦氏菌MR-1的异化铁还原作用下转化为Fe(II)，氯霉素的添加导致Fe(III)的还原速率降低68.3%。无菌条件下Fe-MIL-101本身对氯霉素浓度无影响；30 mg/L氯霉素在最佳协同降解条件下（细菌接种量OD600 = 0.2，Fe-MIL-101浓度为0.5 g/L）的去除率为94.11 ± 0.76%，是纯菌降解速率的3倍。这些结果证实希瓦氏菌MR-1与Fe-MIL-101的协同体系高效促进氯霉素降解。 3. 希瓦氏菌MR-1与铁基金属有机框架材料协同体系对氯霉素的降解机制 为进一步阐释希瓦氏菌MR-1与Fe-MIL-101协同体系促进氯霉素降解的机制，本研究分析了Fe-MIL-101的氧化还原活性（即Fe(III)/Fe(II)循环）对氯霉素降解的贡献及其对希瓦氏菌代谢活性的影响，并通过比较转录组学揭示Fe-MIL-101调控希瓦氏菌MR-1降解氯霉素的基因表达机制。结果显示Fe(III)/Fe(II)循环对氯霉素的生物降解作用无实质贡献，对细菌厌氧代谢过程亦没有影响。添加Fe-MIL-101促进氯霉素降解产物毒性显著降低。转录组数据显示Fe-MIL-101诱导希瓦氏菌MR-1中编码硝基和氯代污染物降解的相关基因，以及编码电子传递相关氢化酶和细胞色素c等基因表达显著上调。实验验证了希瓦氏菌MR-1电子传递效率的提高可显著促进氯霉素降解速率。这些结果表明Fe-MIL-101是一种有效的生化反应催化剂，通过促进希瓦氏菌MR-1的电子传递过程实现氯霉素快速降解。 4. 希瓦氏菌MR-1生物电化学体系对氯霉素降解的性能及其降解途径分析 生物电化学系统（BES，Bioelectrochemical system）是以电活性微生物为核心的新兴修复技术，通过持续的电子供应克服原位生物修复方法的局限性，从而提高难降解污染物的去除速率。希瓦氏菌在BES系统中能否能同时实现降解氯霉素及高效电能产生尚不清楚。本论文构建了电活性希瓦氏菌MR-1生物阳极BES系统，结果显示细菌的产电性能随施加电位的增加而增加；施加高电位时（0.4 V vs. SHE）产电量提高，且氯霉素的去除率比不施加电位时提高2倍。电化学方法证实氯霉素具有优异的氧化还原活性，且其氧化还原峰电流随降解时间增加而显著降低，表明氯霉素被有效降解。不同电位下的氯霉素降解产物质谱显示，施加电位后氯霉素的降解过程以氧化反应为主。最后，本研究发现BES体系在海岸带不同海水样品中对氯霉素的去除率基本一致，表明BES系统具有在不同原位水体环境降解氯霉素的潜力。 5. 希瓦氏菌MR-1降解氯霉素过程对生物电化学体系中电子传递效率的影响机制研究 基于电活性希瓦氏菌的BES系统提高了氯霉素的生物降解速率，但具有氧化还原活性的氯霉素在降解过程中对希瓦氏菌MR-1的产电性能的影响及机制尚不明确。通过监测BES阳极产电量，发现氯霉素显著促进希瓦氏菌的电能产生；初始氯霉素添加量为30 mg/L时BES系统的最大电流密度达到192.90 ± 9.14 mA·m-2，是对照组的8.8倍。此外，氯霉素显著改变了细菌的细胞膜通透性及zeta电位，表明氯霉素具有促进电极表面希瓦氏菌电子传递效率的潜力。圆二色光谱显示氯霉素改变了细胞色素c的构象，降低α-螺旋含量，提高反平行β-折叠的含量，表明氯霉素在一定程度上导致细胞色素c的结构展开，使其血红素口袋更多地暴露于溶剂中，同时以其氧化还原特性进一步促进细胞色素c的电子传递效率。这些结果表明氧化还原活性氯霉素具有类似电子介体的能力，并能够促进希瓦氏菌MR-1在BES系统中的生物电能产生。 本研究阐明了希瓦氏菌MR-1生物降解氯霉素的能力及途径，深化了对氯霉素在环境中生物转化和代谢过程的认识，为评估其环境风险提供了理论基础。同时，构建希瓦氏菌MR-1与铁基金属有机框架材料协同提高氯霉素降解效率的方法，为开发新型环境修复材料和技术提供了新的启示。此外，通过生物电化学体系，揭示了氯霉素在生物电化学过程中的降解参数及机制，为氯霉素的高效去除提供新的技术途径。综上所述，本研究为推动氯霉素降解研究、促进环境修复技术创新以及保障海岸带生态环境安全等方面提供一定的研究基础和数据支撑。 |
| 语种 | 中文 |
| 源URL | [http://ir.yic.ac.cn/handle/133337/40065]  |
| 专题 | 中科院烟台海岸带研究所知识产出_学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 李新. 电活性希瓦氏菌 MR-1 对氯霉素的生物降解及其产电性能研究[D]. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：烟台海岸带研究所
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