耐盐菌铁还原过程中胞外聚合物的特性及作用机制

【摘要】：由于盐度影响微生物的生理活性并抑制它们的生长和代谢,导致含盐废水的生物处理面临着巨大的挑战。因此,筛选耐盐性能更强的菌株是目前含盐废水处理过程中亟需突破的研究瓶颈。本研究基于一株从海洋沉积物中筛选获得的耐盐异化金属还原菌Shewanella aquimarina XMS-1,测定了菌株生长曲线以及不同外源电子传递物对菌株铁还原性能的影响以考察其铁还原特性,研究不同盐度条件下该菌株的Fe~(3+)还原能力、胞外聚合物(EPS)含量及组成等特性。并进一步结合光谱分析方法探究不同条件下希瓦氏菌EPS对Fe~(3+)还原过程的影响及其主要作用机制。最后研究了单独的希瓦氏菌XMS-1 EPS在不同氧化还原状态下对Fe~(3+)还原的作用。具体研究如下:(1)希瓦氏菌XMS-1对Na Cl的最高耐受浓度可达5 g/L,Fe~(3+)还原过程在盐度为1%～4%时得到促进,而在盐度高于5%时则受到抑制,过高盐度会抑制XMS-1的生长,导致Fe~(3+)还原率下降,其中3%盐度下Fe~(3+)还原率最高可达44.1%,相对于对照组增加了2.18倍;3%盐度条件下菌EPS产量增加,表明XMS-1在高盐环境中会分泌更多的EPS来保护细胞进行正常的生理活动。添加外源电子穿梭体可以显著提高希瓦氏菌的还原能力,其中蒽醌二磺酸钠(AQDS)可以最大程度上促进希瓦氏菌铁还原,AQDS浓度越高,Fe~(3+)的还原率越高。(2)多种光谱分析表明,EPS中色氨酸和酪氨酸类蛋白在Fe~(3+)还原过程中峰强减弱,与EPS中蛋白含量变化趋势相同,表明两种蛋白类物质参与了Fe~(3+)还原过程。结合二维相关光谱(2D-COS),发现色氨酸类蛋白先发生变化且变化显著,在Fe~(3+)还原过程中作用更强。EPS中含有羧基、羟基、氨基和羰基等金属离子氧化还原功能基团,主要是含O-和N-基团的类物质参与了Fe~(3+)还原的过程,其中蛋白类的酰胺基团起主要作用。添加AQDS后,EPS中蛋白的酰胺Ⅲ和色氨酸的含量增加,证实AQDS能促进XMS-1蛋白的合成来促进Fe~(3+)的还原。(3)EPS可以作为电子供体和电子转移介质影响铁的氧化还原状态。原始EPS仅有较弱的Fe~(3+)还原能力,而还原EPS Fe~(3+)还原能力是原始EPS的5.2倍,希瓦氏菌XMS-1 EPS中存在细胞色素c。在厌氧条件下还原EPS与Fe~(3+)反应后,紫外-可见光谱中显示c型细胞色素恢复到氧化状态,表明电子从还原的细胞色素c转移到Fe~(3+),表明EPS中细胞色素c在EPS与Fe~(3+)相互作用过程中促进了Fe~(3+)的还原。综上所述,本文探究了高盐条件下希瓦氏菌EPS对Fe~(3+)还原过程的影响及其主要作用机制,从而为高盐废水的生物处理机制的研究提供了理论基础和研究依据。