重金属在土壤—微生物界面相互作用的分子机制

论文摘要

土壤微生物是土壤中的活性胶体，它们比表面大带电荷，代谢活动旺盛。受到重金属污染的土壤，往往富集多种耐重金属的真菌和细菌，微生物可通过多种作用方式影响土壤重金属的活性。本论文从受重金属污染的土壤中筛选到一株具有较高铜锌耐性的微生物，采用电镜、能谱、红外光谱和X-射线吸收光谱等现代分析技术并结合传统的物理化学方法，阐明了恶臭假单胞菌CZ1对Cu、Zn的吸附行为及其结合的分子形态，并初步探讨了微生物-矿物-重金属相互作用机制，旨在为重金属污染土壤的风险评价和生物修复提供理论依据。通过研究取得了以下主要结果：从浙江诸暨哩浦铜矿废弃矿区铜耐性植物海州香薷根际土壤中分离到一株具有较高铜锌耐性的微生物，编号为CZ1，根据形态学观察、生理生化特性和16S rDNA序列同源性比对，鉴定为Pseudomonas putida。CZ1可分别耐受3 mM Cu或5 mM Zn，对氨苄青霉素具有抗性，而对卡那霉素无抗性。重金属耐性实验发现固体培养基中最低抑制浓度小于液体培养基中最低抑制浓度，而且Cu的毒性要大于Zn的毒性。在含有27.7mg／L Cu或26.0mg／L Zn的无机盐液体培养基中，CZ1对Cu和Zn的去除能力可分别达到87.2％和99.8％。尽管较低浓度的重金属会对微生物细胞造成一定程度的损伤，但CZ1依然表现出了较高的铜锌富集能力。溶液pH对CZ1吸附Cu2+、Zn2+的能力影响较大，活菌体和死菌体吸附Cu2+的最佳pH分别为5.0和4.5，而吸附Zn2+的最佳pH均为5.0；在最佳吸附条件下，CZ1对Cu2+、Zn2+的吸附量随着起始浓度的增加而增加，但去除效率却随之下降；CZ1对Cu2+、Zn2+的吸附等温线均符合Langmuir等温吸附方程。活菌体对Cu2+、Zn2+的吸附能力远大于死菌体，并且包括主动吸收和被动吸附两个过程，其中活菌体通过主动吸收方式结合的Cu2+、Zn2+含量占整个吸附量的40～50％，而被动吸附则为50～60％。解吸实验表明，0.1M盐酸对死菌体中Cu2+、Zn2+的解吸效率分别为95.3％和83.8％，而活菌体仅为72.5％和45.6％，进一步说明活菌体对Cu2+、Zn2+的吸附存在着主动吸收的过程。在0.01 M KNO3溶液中，Cu2+、Zn2+吸附体系均表现出了明显的颗粒物浓度（Cp）效应，不同Cp下的所有吸附等温线可以用Freundlich型Cp效应等温式进行统一描述，分别为qeq=2.553·Cp-0.7106·Ceq0.8971和qeq=2.412·Cp-0.8305·Ceq0.6504。通过

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摘要

Abstract

第一章文献综述

1 土壤中重金属元素的来源和污染状况

2 微生物对重金属的抗性及解毒机理

2.1 重金属表面富集与金属晶体的形成

2.2 细胞膜成分与通透性改变的抗性适应

2.3 抗性基因抗重金属毒性机理研究

2.3.1 重金属抗性基因

2.3.2 重金属抗性基因的诱导

2.3.3 抗性基因抗重金属毒性机理研究

2.3.4 抗性基因的联合作用

2.4 其他离子对重金属抗性的影响

3 微生物对重金属环境化学行为的影响

3.1 微生物对重金属离子的生物吸附和富集

3.1.1 微生物吸附重金属的机理

3.1.2 影响重金属生物吸附的物理化学因素与生理条件

3.2 微生物对重金属的溶解

3.3 微生物对重金属的氧化还原

3.4 微生物对重金属-有机络合物的生物降解

3.5 菌根真菌对重金属生物有效性的影响

4 论文立题依据和研究内容

4.1 立题依据

4.2 研究内容

4.3 技术路线

参考文献

第二章铜锌耐性微生物的分离鉴定及富集能力研究

1 引言

2 材料与方法

2.1 铜锌耐性微生物的分离纯化

2.1.1 供试土壤基本性质

2.1.2 根际铜锌耐性微生物的分离纯化

2.2 分离菌株的鉴定和系统发育分析

2.3 重金属耐性和抗生素抗性试验

2.4 质粒检测

2.4.1 碱裂解法

2.4.2 快速提取法

2.5 重金属对微生物生长的影响

2.6 微生物对重金属的富集

2.7 透射电镜和X-射线能谱样品制备

3 结果与分析

3.1 铜锌耐性微生物的分离鉴定

3.2 菌株CZ1的重金属耐性和抗生素抗性

3.3 菌株CZ1的质粒检测

3.4 重金属对菌株CZ1生长的影响

3.5 菌株CZ1对重金属的富集能力

3.6 透射电镜和X-射线能谱分析

4 讨论

5 小结

参考文献

第三章恶臭假单胞菌CZ1对铜锌的吸附行为

1 引言

2 材料与方法

2.1 吸附菌体的准备

2.2 吸附解吸实验

2.2.1 吸附动力学实验

2.2.2 不同pH影响

2.2.3 等温吸附实验

2.2.4 解吸实验

2.3 颗粒物浓度（Cp）效应及其吸附可逆性

2.3.1 不同颗粒物浓度下的吸附解吸实验

2.3.2 颗粒物浓度（Cp）效应

2.4 亚稳平衡吸附（MEA）理论

2.4.1 基本假设

2.4.2 MEA不等式

2.4.3 MEA吸附等温式

2.4.4 MEA理论对Cp效应的解释

3 结果与分析

3.1 不同pH值对吸附行为的影响

3.2 吸附过程动力学研究

3.3 等温吸附模型

3.4 解吸行为

3.5 Cp效应吸附等温线

3.6 吸附滞后角与吸附不可逆性

3.7 吸附解吸等温线与分配系数

4 讨论

2+、Zn²⁺的吸附解吸行为'>4.1 恶臭假单胞菌CZ1对Cu²⁺、Zn²⁺的吸附解吸行为

4.2 颗粒物浓度（Cp）效应及其吸附可逆性

5 小结

参考文献

第四章恶臭假单胞菌CZ1结合铜锌的分子形态

1 引言

2 材料与方法

2.1 供试微生物

2.2 化学改性

2.3 吸附实验

2.4 傅立叶变换红外光谱（FTIR）测定

2.5 X-射线吸收光谱（XAS）测定与解析

3 结果与分析

3.1 红外光谱分析

3.1.1 化学改性前后红外光谱定性分析

3.1.2 吸附前后红外光谱半定量分析

3.2 化学改性对吸附能力的影响

3.3 X-射线吸收光谱分析

4 讨论

4.1 恶臭假单胞菌CZ1结合铜锌的主要官能团

4.2 恶臭假单胞菌CZ1结合铜锌的分子形态

5 小结

参考文献

第五章微生物-矿物复合体与铜锌的相互作用

1 引言

2 材料与方法

2.1 供试微生物和矿物

2.2 重金属和针铁矿对微生物存活能力的影响

2.3 吸附解吸实验

2.3.1 微生物与矿物混合比例对吸附能力的影响

2+、Zn²⁺的吸附解吸行为'>2.3.2 微生物、矿物及其复合体对Cu²⁺、Zn²⁺的吸附解吸行为

2.4 电镜和X-射线能谱样品制备

3 结果与分析

3.1 重金属和针铁矿对微生物存活能力的影响

3.2 微生物与矿物混合比例对吸附能力的影响

3.3 微生物、矿物及其复合体对重金属的吸附解吸行为

2+、Zn²⁺情况下微生物、矿物及其复合体的吸附解吸过程'>3.3.1 低浓度Cu²⁺、Zn²⁺情况下微生物、矿物及其复合体的吸附解吸过程

2+、Zn²⁺情况下微生物、矿物及其复合体的吸附解吸过程'>3.3.2 高浓度Cu²⁺、Zn²⁺情况下微生物、矿物及其复合体的吸附解吸过程

3.4 扫描电镜分析

3.5 透射电镜和X-射线能谱分析

4 讨论

4.1 微生物-矿物相互作用

4.2 微生物、矿物及其复合体对重金属的影响

5 小结

参考文献

第六章耐性微生物对污染土壤中重金属形态的影响

1 引言

2 材料与方法

2.1 接种微生物对土壤中Cu、Zn形态的影响

2.2 添加C、N、P对土壤中Cu、Zn形态的影响

2.3 微生物、螯合剂和有机酸对土壤中Cu、Zn形态的影响

3 结果与分析

3.1 接种微生物对土壤中Cu、Zn形态的影响

3.2 添加C、N、P对土壤中Cu、Zn形态的影响

3.3 微生物、螯合剂和有机酸对土壤中Cu、Zn形态的影响

4 讨论

5 小结

参考文献

第七章主要研究结论和研究展望

1 主要研究结论

2 本研究的创新点

3 研究展望

图表索引

Index of figures and tables

致谢

攻读博士期间发表及撰写的文章

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