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珠江水体硫氧化细菌多样性及其硫代谢途径研究

谭小琴  
【摘要】:硫氧化细菌在碳硫循环中扮演着重要的角色,而珠江作为我国第二大河流生态系统对我国南部的社会和经济有着重要的影响,本文研究了硫氧化细菌在珠江广州段水域中的组成、群落多样性、以及种群丰度。以珠江水体广州段的水域上中下游坦尾、白蚬壳、穗石、南沙四个位点为研究对象,以CO_2固定反应关键酶-1,5-二磷酸核酮糖羧化酶(RubisCO)Ⅰ型和Ⅱ型大亚基编码基因cbbL、cbbM以及硫代谢途径关键酶编码基因Sqr、soxB、dsrA为靶标,采用高通量测序和绝对荧光定量技术分析珠江水体中自养细菌与硫氧化细菌的群落结构和丰度,并通过三种培养基定向富集筛选硫氧化细菌,对筛选到的硫氧化细菌LS2进行生理生化鉴定和全基因组测序。结果表明,在珠江水体广州段上层水样中分布着广泛的CO_2固定与硫氧化细菌,在已知细菌中,绝大多数细菌均属于Betaproteobacteria,其中在四个位点整体相对丰度大于0.1的Cupriavidus、Rubrivivax、Azoarcus、Thiobacillus、Methylibium、Hydrogenophaga、Leptothrix、Polaromonas、Thiobacillus和Sulfuritalea为固定CO_2的主要细菌;Sulfuritalea、Sulfurisoma、Thiobacillus、Sulfuricella、Comamonas、Dechloromonas、Sulfuritalea、Thiobacillus、Leptothrix、Polynucleobacter、Acinetobacter、Janthinobacterium、Hydrogenophaga、Sulfuricella和Sideroxydans为参与硫代谢的主要细菌;其次为Alphaproteobacteria,在四个位点整体相对丰度大于0.05的属Rhodopseudomonas、Magnetospira和Magnetospirillum为固定CO_2的主要细菌;Paracoccus为参与硫代谢的主要细菌;Gammaproteobacteria在四个位点整体相对丰度大于0.05的Halothiobacillus、Halochromatium和Thioalkalicoccus为固定CO_2主要菌群,Aeromonas和Acinetobacter为参与硫代谢的主要细菌;Deltaproteobacteria在四个位点整体丰度大于0.05的Desulfurivibrio参与硫的代谢;基于cbbL基因数据分析表明,属于蓝细菌(Cyanobacteria)的Synechococcus也参与了CO_2的固定,在四个位点的整体相对丰度占到了6.07%。对各个位点的物种多样性分析表明,南沙位点的各个物种相对丰度与其他几个位点相比显著不同,硫氧化功能基因dsrA在微生物中的分布不如soxB与Sqr广泛,Ⅱ型羧化酶基因cbbM在微生物中分布显著低于Ⅰ型羧化酶基因cbbL。大多数硫氧化细菌为化能自养型或兼性自养型细菌,在本研究中也发现具有CO_2固定能力的优势细菌绝大多数都具有硫氧化功能基因,表明硫氧化细菌在珠江水体中的碳硫生物化学循环中发挥着重要作用。通过三种培养基的富集筛选,我们共分离到8株硫氧化细菌,其中5株与Halothiobacillus同源性较高;其他三株分别与Thiomonas,Azospirillum,Halomonas存在同源性。LS2与其他四株Halothiobacillus序列间相似性低于96%。与系统中已获得基因组序列的Halothiobacillus neapolitanus c2相似性较低为97%,且具有一定的耐盐能力,能在其基因组中扩增出cbbL、cbbM、Sqr和soxB基因,推测其具有潜在的应用价值,因此对其进行进一步的生理生化鉴定和全基因组测序,以获得更为详细的信息。对菌株LS2生理生化鉴定实验表明其最高能耐受60g/L的NaCl,能利用硝酸盐和铵盐作为氮源生长,在外加有机碳源时生长情况较无外加碳源稍差,在利用硫代硫酸钠和单质S进行能量代谢时生长最好。基于全基因组序列的硫代谢途径预测表明,在其基因组内存在完整Sox酶系和Sqr和SOR酶,能将S~0、S~(2-)、S_2O_3~(2-)、SO_3~(2-)最终氧化成SO_4~(2-);在碳代谢途径预测中我们发现菌株LS2通过糖酵解途径产生3-磷酸甘油酸和丙酮酸为其他代谢途径提供代谢中间产物,其中丙酮酸还能进一步氧化为乙酰辅酶A和醋酸;在其体内存在完整的卡尔文循环酶系来固定CO_2。菌株LS2可以通过氮气固定、尿素降解以及异化硝酸盐还原三种方式获得N源;同时可以通过不同的机制来抵御不良环境,如不同的离子通道,特定的酶进行催化反应等。


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