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水稻田中苄嘧磺隆的生物效应与厌氧去除研究

祝凡平  
【摘要】:苄嘧磺隆(Bensulfuron methyl,BSM)作为磺酰脲类除草剂的典型代表,主要用于水稻田中阔叶杂草的去除,它具有低毒、广谱、选择性强、使用频次低的优势,已成为我国普遍使用的除草剂之一。由于其卓越的控草、除草性能,BSM对我国水稻增产贡献巨大。随着人们对粮食需求量的进一步提高,BSM在我国的生产量、使用量可能进一步增加。但是BSM在发挥除草作用之余,能够长期存在于自然环境中,对浮游生物、藻类等微生物产生毒性作用。水稻田作为BSM的主要施用对象,既含有丰富的藻类微生物,也是重要的人工甲烷来源,探究BSM对水稻田中微生物的影响,对于维持良好的稻田生态系统具有重要意义。由于水稻田中同时含有好氧以及厌氧区域,根据BSM的化学性质以及在水稻田中的归趋分布,本论文以水稻田中存在的典型微生物为研究对象,分别研究了BSM 对铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)、甲烷八叠球菌(Methanosarcina acetivorans)的生物效应,并分析了 BSM在厌氧条件下的去除和转化机制。本论文的研究结果对于指导BSM的合理应用具有一定的现实意义,对于控制铜绿微囊藻水华有一定的指导价值,对于减少温室气体的排放,缓解气候变暖具有一定的理论意义,能够为控制、改善水稻田中的生态系统提供一定的理论指导。本论文的主要研究内容和结论如下:(1)解析了 BSM对铜绿微囊藻的影响机制及藻毒素的厌氧转化过程。通过对铜绿微囊藻的生物量的分析,发现BSM对铜绿微囊藻的生长具有浓度依赖性的影响,即低浓度(20μg/L)的BSM能够促进铜绿微囊藻的生长,高浓度(50 μg/L)的BSM则会表现出抑制作用;BSM能够对铜绿微囊藻产生一定的胁迫作用,引发铜绿微囊藻的氧化应激反应,造成藻细胞内丙二醛(MDA)含量显著增加,非酶性抗氧化物GSH含量和抗氧化酶POD活性显著提高;BSM能够促进铜绿微囊藻产生藻毒素,并通过增加藻细胞膜通透性,引起藻毒素的释放量增加;通过对与光合作用相关的三种基因rbcL、psaB和psbD表达量的分析,发现BSM能够显著下调它们的表达量,而与藻毒素合成的相关基因mcyB表达量没有发生显著改变,这说明BSM能从基因水平影响铜绿微囊藻的生长。铜绿微囊藻产生的藻毒素可能对水稻、稻田生态系统造成不良影响,分析了藻毒素-LR(Microcystin-LR,MC-LR)在厌氧条件下去除的可能性与降解效果,结果表明,稳定厌氧培养系对MC-LR的降解率达到80%以上;通过液相色谱串联质谱技术,结合二级质谱信息,鉴定了 4种MC-LR在厌氧条件下的转化产物,推测MC-LR在厌氧条件下的转化机制;MC-LR在厌氧条件下能够发生与已知好氧条件下相同的降解过程,即经Adda-Arg的裂解形成MC-LR的线性水解产物;此外,首次发现在厌氧条件下,MC-LR可以通过Ala-Mdha键的水解,生成新型水解中间产物,进而介导MC-LR的转化过程;结合MC-LR降解效率和稳定厌氧培养系中所含微生物多样性分析,在厌氧条件下Candidatus Closidamon Cloacaamonas acidaaminovorans str.可能对MC-LR的生物转化起重要作用。(2)揭示了 BSM对甲烷八叠球菌的影响机制。通过对甲烷八叠球菌的生物量的分析,发现短期暴露BSM后,BSM能够通过促进甲烷八叠球菌对底物的消耗,进而促进甲烷八叠球菌的生长,同时甲烷八叠球菌的产甲烷活性发生显著上调;通过原子力显微镜技术分析BSM作用前后甲烷八叠球菌菌体表面的力学性质发现,BSM能够降低细胞的刚性,这可能加快甲烷八叠球菌细胞内外的物质交换;对调控甲烷八叠球菌与甲烷产生的重要基因进行定量分析发现,BSM能够显著上调基因mcrA,这可能是BSM提高甲烷八叠球菌产甲烷活性的分子机制;非靶向代谢组学分析显示,BSM能够促进甲烷八叠球菌的多种代谢活动其中包括:三羧酸循环、尿素循环、糖异生、氨基酸合成等,代谢活动的增强可能是BSM促进甲烷八叠球菌生长、提高产甲烷活性的原因之一。(3)阐明了 BSM的厌氧去除及转化机制。厌氧环境中的BSM能够被稳定厌氧培养系有效去除,去除的过程包括水解、吸附、降解;在吸附过程中,稳定厌氧培养系的EPS可能发挥重要作用;BSM的水解过程、降解过程均随着温度的升高而加快;采用液相色谱串联高分辨质谱法,鉴定了 BSM在厌氧条件的水解、降解产物,根据降解产物的结构,推测BSM在厌氧条件的降解,主要是通过磺酰脲桥和酰胺键的断裂进行的,生成的降解产物会在稳定厌氧培养系的作用下,进一步转化为甲烷。


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