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海洋沉积物中异化Fe(Ⅲ)还原特征及铁还原菌的分离鉴定

赵佳佳  
【摘要】: 异化铁还原是发生在厌氧环境(包括海底,淡水沉积物和淹水水稻土)中的Fe(III)氧化物生物转化的主要形式,是一种以Fe(III)作为终端电子受体的微生物代谢过程。海洋沉积物作为一种氧化还原过程的模式系统,对于研究我国海洋生态环境有着重要作用。因而系统开展Fe(III)还原微生物特性的研究,有利于阐明海洋沉积物中氧化铁的微生物还原机理、认识铁还原过程在海洋生态系统中的重要作用,对促进海洋中污染物的转化与修复具有重要的理论和实际意义。 本文以我国渤海湾海底沉积物为供试材料。通过泥浆试验,混合培养及纯培养试验,系统地分析来源于不同水质海区的沉积物中的铁还原微生物的铁还原特征差异。在泥浆试验中,对采自不同位置的海底沉积物进行厌氧泥浆培养,研究不同水环境质量海区的沉积物中Fe(III)还原随着培养时间变化的规律。混合培养试验以不同淹水恢复时期的沉积物浸提液作为接种菌液,接种到以不同碳源(葡萄糖、丙酮酸盐、乳酸盐、乙酸盐)作为底物的Fe(OH)3培养基中,通过测定培养过程中Fe(II)浓度变化及培养体系的pH值,探明具有铁(III)还原能力的微生物群落的活性变化特征,比较铁还原微生物种群对各种碳源的利用差异,为利用异化铁还原过程进行海洋沉积物中有机污染物的净化的可行性提供必要的理论依据,同时为铁还原微生物的筛选提供必要的信息。从海底沉积物中分离纯化得到具有铁还原能力的菌株,初步对其进行分类鉴定和系统发育学分析。研究主要得到以下结论: (1)不同采样位置的沉积物中Fe(III)的还原潜势存在一定差异,除S17及S7样点外其他样品的Fe(II)生成量都在3~5 mg·g-1之间,说明来自于不同位置的沉积物本身所含的可还原氧化铁数量及水环境对铁还原的影响不同。海河及大沽排污河河口的IV类水质海区沉积物中Fe(III)还原能力最为强烈,在大港北排河及子牙新河的排海口Fe(III)还原亦较高。距离海岸较远的I类水质海区沉积物中Fe(III)还原能力较弱。Fe(II)的最大累积量与NO3-—N浓度呈显著的负相关关系,表明NO3-与Fe(III)是沉积物中相互竞争的电子受体。 (2)混合培养模式下,通过比较Fe(II)的最大积累量、Fe(III)的最大还原速率、最大还原速率所对应的时间和Fe(III)还原率等指标,得出不同恢复培养时间处理之间的铁还原能力表现为:15 d 5 d 1 d;不同碳源处理之间的铁还原能力表现为:葡萄糖丙酮酸盐乳酸盐乙酸盐。I、II类水质海区沉积物中的微生物群落利用不同碳源对Fe(OH)3还原能力高于III、IV类海区;其中S2采样点沉积物的微生物群落在Fe(OH)3还原过程中对乳酸盐表现出最高的利用活性,距海岸最远的S14采样点沉积物微生物对四种碳源的响应最低。 (3)从6个不同位置的沉积物中分离得到21株铁还原菌。这21株菌在菌体菌落形态和生理特征上表现出一定的共性。其菌落特征为:菌落较小呈白色,粘滑,隆起,透光性差,边缘光滑,在培养过程中会产生酸味气体。菌株S3-1、S6-2、S7-4、S8-2、S14-2及S17HQ为革兰氏阳性细菌,杆状,培养10~25 h即达到对数生长期。来自S17点位的沉积物的铁还原菌株S17HQ具有高效的铁还原能力,在柠檬酸铁培养液中培养12 h后,培养液颜色变白,柠檬酸铁完全被还原;于氢氧化铁培养液中培养40 h的Fe(III)还原率达到95%。 (4)6株铁还原菌对利用不同碳源的结果表明,葡萄糖和丙酮酸钠可作为这6个菌株的优势碳源。这6个菌株利用葡萄糖时的Fe(III)还原累积量最大,反应速率最高。不同菌株利用葡萄糖的Fe(III)还原潜势顺序为:菌株S17HQS6-2S7-4S14-2S8-2S3-1。 (5)通过16S rDNA序列分析及同源性比对发现,菌株S3-1与蜡状芽孢杆菌(Bacillus anthracis strain)的相似度达到了99%,菌株S7-4和S17HQ都与多粘类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)的相似度达到了99%,菌株S14-1与蕈状芽孢杆菌(Bacillus mycoides)的相似度达到了100%,菌株S6-1与巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium)的相似度达到了99%,系统进化树表明与芽孢杆菌属(Bacillus)聚为一族。菌株S8-2与丁酸梭菌(Clostridium butyricum)的相似度达到了95%,菌株S14-3与巴斯德梭菌(Clostridium pasteurianum)的相似度达到了99%,菌株S14-2与Clostridium sp. Fanp3的相似度达到了99%,系统进化树表明与梭菌属(Clostridium)聚为一族。


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