基于鎘超累積植物內(nèi)生菌的重金屬污染復研究.pdf

1、隨著人類活動,尤其是工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,重金屬污染變得日益嚴重。重金屬是一類典型的環(huán)境污染物,具有致癌、致畸等危害,因而對人類健康和自然環(huán)境造成了極大威脅。近年來,利用物理化學方法治理重金屬污染的的方法取得了很大發(fā)展,主要有淋洗法、化學沉淀法、電化學法、氧化還原法、離子交換法、膜技術(shù)法、反向滲透法、蒸發(fā)治理等方法。但這些方法治理費用高、效率低下、需要大量勞動力、且處理過程缺乏選擇性。生物修復技術(shù)是指利用動植物和微生物等生物的某些特性來改良重

2、金屬污染的措施,相比于物理化學法,其具有有明顯的安全性和經(jīng)濟性的優(yōu)勢,因此成為重金屬污染修復的潛在技術(shù)之一。然而,現(xiàn)階段制約生物修復這一技術(shù)進行實際應用的關(guān)鍵在于如何高效、快速地從自然界中篩選得到具有潛在修復作用的重金屬抗性菌株。
　　 近期,關(guān)于內(nèi)生菌,特別是重金屬超累積植物內(nèi)生菌與其宿主植物協(xié)同處理重金屬污染的研究方面取得了明顯進展。內(nèi)生菌是指寄居在植物組織內(nèi)而不對宿主植物產(chǎn)生傷害的一類微生物,其與宿主植物可能存在共生、互生

3、等多種作用關(guān)系。大部分內(nèi)生菌是通過植物的根圍或葉部進入植物體內(nèi),部分可能一直存在于植物種子體內(nèi)。超累積植物是指能在重金屬污染土壤中生長良好并能累積大量重金屬在其體內(nèi)的一類特殊植物。重金屬超累積植物的另一個功能是作為“過濾器”,自土壤微生物中篩選有潛在修復作用的重金屬抗性菌株,讓其定殖于體內(nèi)以幫助其對抗重金屬毒性。基于這一理論,本研究首次提出了快速、高效地從重金屬超累積植物中篩選同時具有優(yōu)良環(huán)境適應性和重金屬修復能力的菌株用于實際重金屬污

4、染的生物修復。
　　 首先,本論文在傳統(tǒng)植物內(nèi)生菌分離方法的基礎上建立了一種高效、快速的植物內(nèi)生菌分離方法。與傳統(tǒng)方法相比本方法主要應用表面活性劑十二烷基磺酸鈉(SDS)和植物纖維素酶作為植物內(nèi)生菌的提取增溶劑。應用傳統(tǒng)方法和本方法從龍葵、齒果草、螞蝗七、水雞仔4種植物體內(nèi)分別提取分離植物內(nèi)生菌,結(jié)果表明SDS和植物纖維素酶能通過水解植物纖維組織有效地提高植物內(nèi)生菌分離效果。
　　 隨后,利用該方法從鎘超累積植物龍葵體內(nèi)

5、分離獲得了97株內(nèi)生菌,其中根內(nèi)生菌34株,莖內(nèi)生菌36株,葉內(nèi)生菌27株。除從莖中分離到的唯一一株內(nèi)生菌是真菌以外,其他所有內(nèi)生菌都是細菌。通過檢測所有龍葵植物體內(nèi)重金屬鎘含量和龍葵內(nèi)生菌對重金屬抗性發(fā)現(xiàn):不同部位分離得到的內(nèi)生菌對重金屬鎘的抗性程度不一,從鎘含量較高部位分離得到的內(nèi)生菌其相應的重金屬抗性要高于從鎘含量相對較低部位分離的內(nèi)生菌的重金屬抗性。這表明不同種類的內(nèi)生菌有可能寄居于植物的不同部位。
　　 內(nèi)生真菌LSE

6、10是從鎘超累積植物龍葵的莖中分離得到的唯一真菌。分子生物學鑒定表明它屬于Microsphaeropsis sp.。在體外培養(yǎng)條件下,LSE10的生物量是同等條件下培養(yǎng)的非內(nèi)生真菌Rhizopus cohnii.的2倍以上。利用LSE10作為生物吸附劑直接吸附廢水中的重金屬鎘,結(jié)果表明其理論最大吸附能力高達247.5mg/g(2.2 mmol/g),高于絕大多數(shù)已經(jīng)報道的生物吸附劑或者其他類型吸附劑。紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)LSE10表面存在的

7、羧基、氨基、巰基、羥基等化學基團在鎘的生物吸附中起關(guān)鍵作用。
　　 具有多種優(yōu)良重金屬抗性的內(nèi)生細菌EB L14是從鎘超累積植物龍葵葉部分離得到的內(nèi)生菌。生理生化鑒定以及16S rDNA的鑒定都表明它是桿菌屬(Bacillussp.)細菌。在相對較低二價重金屬離子存在條件下EB L14的生物量反而高于無重金屬存在條件下的生物量,即:表現(xiàn)出毒物興奮效應。研究發(fā)現(xiàn),該現(xiàn)象是ATP酶活性異常增高所帶來的副作用。EB L14在二價重金屬

8、離子存在條件下通過提高ATP酶的活性向胞外排出有毒的重金屬離子,而能量利用的異常增多導致了其生物量的過度增長。在24 h培養(yǎng)時間內(nèi),EB L14能特異性地從含濃度為10 mg/L,不同重金屬的培養(yǎng)基中分別去除75.78％的鎘,80.48％的鉛,以及21.25％的銅。在相同條件下EB L14對重金屬鉻幾乎沒有任何吸收和去除作用。對EB L14去除重金屬機理研究表明:能夠通過抑制其ATP酶的活力來提高它的重金屬修復效率。EB L14優(yōu)良的環(huán)

9、境適應性和其高效的重金屬去除能力,表明它在低濃度重金屬生物修復領域具有較好的應用前景。
　　 在工業(yè)代謝抑制劑N,N’-二環(huán)已基碳二亞胺(DCC)或2,4-二硝基酚(DNP)存在的條件下,內(nèi)生菌EB L14對鎘的生物修復效果研究表明:雖然,在DCC或DNP存在的條件下,EB L14的生物量受到很大的抑制。但是其對重金屬鎘的去除率卻分別從73.6％升高至93.7％和80.8％。在培養(yǎng)24小時后,通過分別分析其鎘的總吸收去除濃度和細

10、胞內(nèi)鎘濃度,發(fā)現(xiàn)DCC和DNP都是通過抑制EB L14的向胞外運輸鎘離子從而有效地增強了鎘去除率。EB L14的這一特性強有力地證明在工業(yè)代謝抑制劑存在的情況下,內(nèi)生菌EB L14具有實踐應用于鎘的生物修復的優(yōu)勢。
　　 本論文是首次嘗試利用重金屬超累積植物內(nèi)生菌這一不但具有良好環(huán)境適應能力而且具有多種重金屬去除機制的微生物直接用于重金屬生物修復的研究。本研究有助于生物修復這一更安全、更經(jīng)濟的重金屬污染處理方法能夠走出實驗室最終