几种土壤粘粒与锰氧化细菌的吸附及对细菌生长和氧化Mn（Ⅱ）的影响

论文摘要

锰氧化物是土壤演化和物质循环过程中的产物,作为土壤中最具反应活性的物质,广泛的参与土壤中物质的形成与转化,影响和决定着环境中多种元素以及有机物的地球化学循环和生物有效性。土壤中锰氧化物的形成是土壤微生物参与的结果,目前国际上用于生物锰氧化物形成研究的锰氧化菌株多来自于海洋,且是在游离状态下进行的。土壤是复杂的多组分动态体系,环境条件不同于海洋,土壤细菌生活在固相颗粒占统治地位的生态系统中,80～90%被土壤颗粒所吸附。目前,关于细菌与土壤的吸附虽已有一些研究,但就锰氧化细菌与不同土壤的吸附特性及影响因素还没有涉及,特别是锰氧化细菌被吸附后其代谢活性和对Mn（Ⅱ）的氧化特性还不清楚。为此,本文以我国几种地带性土壤—棕壤、黄褐土、黄棕壤和红壤以及锰氧化细菌HN79为材料,分离提取<2um的土壤粘粒,进行含有机质、去有机质和去铁三种处理,采用平衡吸附法,研究了不同土壤粘粒对锰氧化细菌的吸附特性,在此基础上进一步研究了吸附态细菌对Mn（Ⅱ）的氧化特性。获得的主要结果如下：1、白湖南桂阳铁锰结核样品筛选出1株锰氧化细菌,16S rDNA基因序列分析表明,此菌与蜡质芽孢杆菌（Bacillus cereus strain）同源性达100%,命名为HN79。2、含有机质、去有机质以及去铁土壤粘粒对细菌的吸附符合Langmuir方程。不同处理的棕壤、黄褐土和黄棕壤粘粒对细菌的吸附量大小顺序为：去铁粘粒>含有机质粘粒>去有机质粘粒,而红壤为：去铁粘粒>去有机质粘粒>含有机质粘粒；亲和力均为：含有机质粘粒>去有机质粘粒>去铁粘粒。总体上,土壤粘粒对细菌的吸附量主要由土壤粘粒的比表面积大小、氧化铁含量以及有机质的含量决定,亲和力则主要由土壤粘粒表面电荷特性决定。3、在不同的环境条件下,土壤粘粒对细菌的吸附呈现不同的变化趋势。几种含有机质土壤粘粒对细菌的吸附在60 min均达到吸附平衡,包括快速和慢速吸附两个阶段,用二级动力学方程对吸附过程进行拟合表明,由北到南,土壤粘粒对细菌的吸附速率常数依次增大,红壤最先达到吸附平衡。随着体系pH从2增大到9,四种含有机质粘粒对细菌的吸附量均表现为先增加,后降低,最后趋于稳定,其中棕壤和黄褐土对细菌的吸附在pH 4时达到最大值,而红壤和黄棕壤对细菌的吸附在pH 3时达到最大值。K+浓度在0～10mmol/L能够促进四种土壤对细菌的吸附,K+浓度大于10mmol/L时,对不同的土壤影响不一样,表现为仍能促进棕壤和黄褐土对细菌的吸附,抑制黄棕壤和红壤对细菌的吸附。四种土壤对细菌的吸附量均随Mg2+浓度的增加而增加。pH7.0、0.01 mol/L Tris-HCl缓冲液和0.01 mol/L KCl溶液对土壤粘粒表面吸附的细菌的解吸率为25.09%～60.73%,pH7.0、0.1 mol/L磷酸缓冲液解吸率为0.9～13.68%,其中总解吸量顺序为：去铁粘粒>去有机质粘粒>含有机质粘粒。以上结果表明,细菌可能主要通过疏水作用力和氢键以及其他化学作用力吸附在含有机质粘粒表面,而在去有机质粘粒和去铁粘粒表面,静电力和疏水作用可能是细菌吸附的主要作用力。4、细菌在土壤表面吸附的扫描电镜图像表明,细菌不仅吸附在土壤表面,还吸附到土壤粘粒之间,吸附态细菌的表面形态发生了变化,不再具有游离态细菌规则的短柱状形态。红外光谱结果表明,细菌表面的羧基、酰胺基是细菌发生吸附的活性基团。5、土壤粘粒的存在对细菌生长代谢和氧化能力产生不同的影响。一方面促使细菌提前进入对数期,并且可以增大细菌的生长速率和稳定期细菌数量,另一方面却抑制了细菌对Mn（Ⅱ）的氧化。细菌吸附到土壤表面后,大部分失去氧化能力,只有以范德华力和静电力吸附到土壤表面的细菌才具有氧化能力。6、酸性环境虽然有利于细菌的生长,但却不利于细菌对Mn（Ⅱ）的氧化。pH 5条件下细菌进入对数期的时间比pH 7和pH 9条件下提前10～20 h,但是在8天时Mn（Ⅱ）的氧化量却比pH7条件时降低30.75%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 土壤颗粒与微生物相互作用研究进展
• 1.1.1 影响微生物在土壤颗粒表面吸附的因素
• 1.1.1.1 土壤颗粒表面性质
• 1.1.1.2 土壤有机质
• 1.1.1.3 微生物组成及表面特性
• 1.1.1.4 环境因素
• 1.1.2 土壤颗粒与微生物相互作用对微生物的影响
• 1.1.3 土壤颗粒与微生物吸附中微生物定量方法的研究
• 1.2 生物氧化锰的研究进展
• 1.2.1 生物氧化锰的结构
• 1.2.2 生物氧化锰的氧化机制
• 1.2.3 生物氧化锰的表面特性
• 1.3 研究目的与意义
• 2 不同土壤粘粒与锰氧化细菌的吸附特性
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 主要试剂、培养基
• 2.1.2 供试土样的采集与处理
• 2.1.2.1 土壤胶体的提取与制备
• 2.1.2.2 去游离铁处理
• 2.1.3 供试菌株
• 2.1.3.1 细菌形态观察
• 2.1.3.2 锰氧化细菌16S rDNA基因序列分析
• 2.1.4 供试土壤粘粒和锰氧化细菌性质测定
• 2.1.5 细菌生长曲线测定
• 2.1.6 菌悬液制备
• 2.1.7 细菌蛋白质含量与细菌数量相关性测定
• 2.1.7.1 细菌蛋白质含量测定
• 2.1.7.2 细菌蛋白质与数量的关系
• 2.1.8 土壤粘粒对细菌的吸附
• 2.1.8.1 土壤粘粒与细菌的吸附实验
• 2.1.8.2 几种环境条件对土壤粘粒吸附细菌的影响
• 2.1.8.3 吸附态细菌的解吸
• 2.1.9 土壤-细菌复合体性质表征
• 2.1.9.1 扫描电镜（SEM）分析
• 2.1.9.2 红外光谱（FTIR）分析
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 土壤粘粒的基本性质
• 2.2.2 锰氧化细菌种属鉴定及基本性质
• 2.2.3 细菌生长曲线
• 2.2.4 土壤粘粒和细菌初始浓度对吸附的影响
• 2.2.5 土壤粘粒对细菌的等温吸附特点
• 2.2.6 几种环境条件对土壤粘粒吸附细菌的影响
• 2.2.6.1 时间对土壤粘粒吸附细菌的影响以及动力学特征
• 2.2.6.2 pH值对土壤粘粒吸附细菌的影响
• 2.2.6.3 离子种类及强度对土壤粘粒吸附细菌的影响
• 2.2.7 吸附态细菌的解吸
• 2.2.8 土壤-细菌复合体性质表征
• 2.2.8.1 扫描电镜分析
• 2.2.8.2 红外光谱分析
• 2.3 小结
• 3 吸附态细菌的生长代谢及对Mn（Ⅱ）的氧化特性
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 主要试剂
• 3.1.2 pH值对细菌生长及Mn（Ⅱ）氧化的影响
• 3.1.3 不同化合物对细菌氧化Mn（Ⅱ）的影响
• 3.1.4 土壤-细菌复合体的制备
• 3.1.4.1 土壤饱和吸附细菌实验
• 3.1.4.2 土壤未饱和（等量）吸附细菌实验
• 3.1.4.3 不同解吸剂解吸后土壤-细菌复合体的制备
• 3.1.5 复合态、游离态细菌的生长曲线及对Mn（Ⅱ）的氧化
• 3.1.5.1 土壤饱和吸附细菌时细菌的生长曲线及对Mn（Ⅱ）的氧化
• 3.1.5.2 土壤未饱和（等量）吸附细菌时细菌的生长曲线及对Mn（Ⅱ）的氧化
• 3.1.5.3 土壤与细菌共存时细菌的生长曲线及对Mn（Ⅱ）的氧化
• 3.1.5.4 土壤表面吸附的细菌经不同解吸剂解吸后对Mn（Ⅱ）的氧化
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 pH值对细菌生长及Mn（Ⅱ）氧化的影响
• 3.2.2 不同化合物对细菌氧化Mn（Ⅱ）的影响
• 3.2.3 不同吸附状态下复合态和游离态细菌的生长曲线及对Mn（Ⅱ）的氧化
• 3.2.3.1 土壤饱和吸附细菌时细菌的生长曲线及对Mn（Ⅱ）的氧化
• 3.2.3.2 土壤未饱和吸附细菌时细菌的生长曲线及对Mn（Ⅱ）的氧化
• 3.2.3.3 土壤和细菌共存时细菌的生长曲线及对Mn（Ⅱ）的氧化
• 3.2.3.4 土壤表面吸附的细菌经不同解吸剂解吸以后对Mn（Ⅱ）的氧化
• 3.3 讨论
• 3.4 小结
• 4 结论与展望
• 4.1 结论
• 4.2 问题与展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间撰写的文章