淹水條件下水稻土中砷氧化菌對(duì)砷形態(tài)的影響及機(jī)制研究.pdf

1、砷(As)是一種有劇毒的類金屬。目前，隨著我國(guó)工業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)境中砷污染愈來(lái)愈嚴(yán)重。污染土壤中較高濃度的砷會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生毒害效應(yīng)，危害其生長(zhǎng)發(fā)育，并降低農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)。由于水稻的種植方式以及其對(duì)As(Ⅲ)的高效吸收，通常會(huì)比其他糧食作物富集更高含量的砷。稻米已經(jīng)成為水稻生產(chǎn)和消費(fèi)地區(qū)，特別是東南亞以及中國(guó)的南方水稻種植地區(qū)，最為主要的砷的食物暴露途徑。依賴于硝酸鹽還原的厭氧砷氧化菌通過(guò)與硝酸鹽還原過(guò)程耦合將As(Ⅲ)氧化為As(Ⅴ)，

2、As(Ⅴ)在土壤中的移動(dòng)性和生物毒性相對(duì)于As(Ⅲ)都有所下降。本研究旨在探索砷氧化菌耦合As(Ⅲ)氧化與硝酸鹽還原過(guò)程，將砷氧化菌接種到淹水砷污染土壤中，觀察其對(duì)土壤中砷形態(tài)和總量的影響，并從不同砷污染土壤中分離篩選依賴于硝酸鹽還原的砷氧化菌，研究其生理生化特征和砷氧化特性，加強(qiáng)砷氧化菌耦合As(Ⅲ)氧化與硝酸鹽還原過(guò)程的機(jī)制研究，并探究硝酸鹽的添加對(duì)土壤砷形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響，建立克隆文庫(kù)和構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹分析。具體研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:

3、r>　　(1)利用實(shí)驗(yàn)室保藏的砷氧化菌SY，對(duì)其進(jìn)行As(Ⅲ)氧化特性研究，發(fā)現(xiàn)SY可以以As(Ⅲ)為電子供體，NO3-為電子受體，偶聯(lián)As(Ⅲ)氧化與反硝化過(guò)程，并從中獲得能量用于生長(zhǎng)。我們從SY的基因組DNA中擴(kuò)增出砷氧化酶基因、二氧化碳固定酶基因和反硝化酶基因簇。通過(guò)構(gòu)建aioA基因的敲除突變株SY△aioA，發(fā)現(xiàn)aioA基因的缺失導(dǎo)致SY△aioA完全喪失了As(Ⅲ)氧化能力并對(duì)As(Ⅲ)表現(xiàn)得更為敏感。為了驗(yàn)證菌株SY在淹水土

4、壤中是否具有As(Ⅲ)氧化能力，我們將菌株SY接種到砷污染土壤中，結(jié)果表明土壤孔隙水和土壤底泥中的As(Ⅲ)比例下降，As(Ⅴ)比例上升，總砷含量均低于對(duì)照處理，可以推測(cè)菌株SY參與了淹水土壤中的厭氧As(Ⅲ)氧化過(guò)程。然后通過(guò)建立上虞砷污染水稻土aioA基因的克隆文庫(kù)，并構(gòu)建aioA基因系統(tǒng)發(fā)育樹進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)與SY類似的砷氧化菌在上虞土壤中廣泛存在，推測(cè)此類砷氧化菌在上虞砷污染水稻土中的砷氧化還原過(guò)程中扮演不可或缺的角色。
　

5、　(2)通過(guò)對(duì)不同砷污染土壤進(jìn)行砷氧化菌的篩選，共計(jì)分離出6株具有砷氧化能力的菌株，其中4株擴(kuò)增出砷氧化酶基因(aioA)，主要包括根瘤菌屬(Rhizobium)、包西氏菌屬(Bosea)和劍菌屬(Ensifer)等。然后對(duì)其生理生化特征和砷氧化特性進(jìn)行研究，挑選厭氧反硝化條件下具有As(Ⅲ)氧化能力的菌株進(jìn)一步進(jìn)行分析，強(qiáng)化厭氧反硝化條件下As(Ⅲ)氧化的微生物作用機(jī)制。
　　(3)進(jìn)行土壤淹水培養(yǎng)試驗(yàn)，將硝酸鹽加入到砷污染水稻

6、土中，觀察其對(duì)土壤砷形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響。硝酸鹽加入到淹水土壤后，土壤溶液中大部分的As(Ⅲ)被氧化成As(Ⅴ)，土壤孔隙水中總砷的含量也得到了降低。從砷氧化酶基因（aioA）定量的結(jié)果來(lái)看，aioA基因的豐度得到了提高，通過(guò)建立aioA基因克隆文庫(kù)，構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在3mM硝酸鹽添加的情況下，Acidovorax相關(guān)的OTU得到了大幅度增加，說(shuō)明硝酸鹽還原過(guò)程刺激了該類砷氧化菌的增殖。
　　在淹水土壤中，砷的轉(zhuǎn)化雖然以還原