重金屬在土壤-微生物界面相互作用的分子機制.pdf

1、土壤微生物是土壤中的活性膠體，它們比表面大帶電荷，代謝活動旺盛。受到重金屬污染的土壤，往往富集多種耐重金屬的真菌和細菌，微生物可通過多種作用方式影響土壤重金屬的活性。本論文從受重金屬污染的土壤中篩選到一株具有較高銅鋅耐性的微生物，采用電鏡、能譜、紅外光譜和X-射線吸收光譜等現(xiàn)代分析技術(shù)并結(jié)合傳統(tǒng)的物理化學(xué)方法，闡明了惡臭假單胞菌CZ1對Cu、Zn的吸附行為及其結(jié)合的分子形態(tài)，并初步探討了微生物-礦物-重金屬相互作用機制，旨在為重金屬污染

2、土壤的風(fēng)險評價和生物修復(fù)提供理論依據(jù)。通過研究取得了以下主要結(jié)果： 從浙江諸暨哩浦銅礦廢棄礦區(qū)銅耐性植物海州香薷根際土壤中分離到一株具有較高銅鋅耐性的微生物，編號為CZ1，根據(jù)形態(tài)學(xué)觀察、生理生化特性和16SrDNA序列同源性比對，鑒定為Pseudomonasputida。CZ1可分別耐受3mMCu或5mMZn，對氨芐青霉素具有抗性，而對卡那霉素?zé)o抗性。重金屬耐性實驗發(fā)現(xiàn)固體培養(yǎng)基中最低抑制濃度小于液體培養(yǎng)基中最低抑制濃度，而

3、且Cu的毒性要大于Zn的毒性。在含有27.7mg/LCu或26.0mg/LZn的無機鹽液體培養(yǎng)基中，CZ1對Cu和Zn的去除能力可分別達到87.2﹪和99.8﹪。盡管較低濃度的重金屬會對微生物細胞造成一定程度的損傷，但CZ1依然表現(xiàn)出了較高的銅鋅富集能力。 溶液pH對CZ1吸附Cu2+、Zn2+的能力影響較大，活菌體和死菌體吸附Cu2+的最佳pH分別為5.0和4.5，而吸附Zn2+的最佳pH均為5.0；在最佳吸附條件下，CZ1

4、對Cu2+、Zn2+的吸附量隨著起始濃度的增加而增加，但去除效率卻隨之下降；CZ1對Cu2+、Zn2+的吸附等溫線均符合Langmuir等溫吸附方程?；罹w對Cu2+、Zn2+的吸附能力遠大于死菌體，并且包括主動吸收和被動吸附兩個過程，其中活菌體通過主動吸收方式結(jié)合的Cu2+、Zn2+含量占整個吸附量的40～50﹪，而被動吸附則為50～60﹪。解吸實驗表明，0.1M鹽酸對死菌體中Cu2+、Zn2+的解吸效率分別為95.3﹪和83.8﹪，

5、而活菌體僅為72.5﹪和45.6﹪，進一步說明活菌體對Cu2+、Zn2+的吸附存在著主動吸收的過程。在0.01MKNO3溶液中，Cu2+、Zn2+吸附體系均表現(xiàn)出了明顯的顆粒物濃度(Cp)效應(yīng)，不同Cp下的所有吸附等溫線可以用Freundlich型Cp效應(yīng)等溫式進行統(tǒng)一描述，分別為qeq=2.553.C-0.7106p.C0.8971eq和qeq=2.412.C-0.8305p·C0.6504eq。通過實驗設(shè)計盡可能降低實驗誤差的影響，

6、發(fā)現(xiàn)CZ1對Cu2+、Zn2+的吸附符合亞穩(wěn)態(tài)平衡吸附理論。解吸實驗結(jié)果表明菌體CZ1吸附的Cu2+、Zn2+包括可逆吸附和不可逆吸附兩部分，并用數(shù)學(xué)方法進行了估算，該方法可以利用簡單的吸附-解吸數(shù)據(jù)對可逆吸附和不可逆吸附部分的分配系數(shù)進行定量描述。 紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)，酯化和酸預(yù)處理后的死菌體對Cu2+、Zn2+的吸附能力顯著降低，表明羧基官能團在結(jié)合重金屬的過程中發(fā)揮著重要作用。X-射線近邊結(jié)構(gòu)譜(XANES)表明CZ1中結(jié)

7、合的Cu主要以Cu(Ⅱ)為主，Cu-草酸類似絡(luò)合物為其主要的結(jié)合形態(tài)，分別為59.0﹪和68.8﹪。Cu-組氨酸和CuCl類似絡(luò)合物也占有一定比例，而且活菌體中CuCl類似絡(luò)合物含量明顯高于死菌體，表明活菌體可能存在將Cu2+還原為Cu+的過程。Cu的K邊EXAFS擬合結(jié)果表明CZ1活菌體和死菌體中Cu配位以Cu-N/O鍵為主，配位數(shù)分別為4.0和3.8，鍵長均為1.94(A)。結(jié)合物理化學(xué)方法，從分子水平上闡明了羧基是惡臭假單胞菌CZ

8、1結(jié)合重金屬的主要官能團。 重金屬和針鐵礦都會影響微生物的存活能力，但是當(dāng)微生物與針鐵礦共同培養(yǎng)時，降低了重金屬對微生物的毒害作用，而且吸附態(tài)的金屬離子具有相對較低的毒性。當(dāng)微生物與礦物的混合比例為1∶1時，復(fù)合體可較大提高對金屬離子的吸附能力。在較低Cu2+、Zn2+濃度下，針鐵礦和鈉基蒙脫石含有較多與Cu2+結(jié)合的高親和力位點，但與Zn2+結(jié)合的較少；水鈉錳礦中與Cu2+、Zn2+結(jié)合的高親和力位點均多于微生物，而高嶺石則

9、相反。在較高Cu2+、Zn2+濃度下，微生物含有較多與Cu2+、Zn2+結(jié)合的低親和力位點，在礦物-微生物復(fù)合體吸附金屬離子的過程中，微生物的貢獻率普遍較高，甚至超過90﹪。通過透射電鏡和X-射線能譜分析也發(fā)現(xiàn)，微生物細胞是礦物-微生物復(fù)合體結(jié)合Cu2+、Zn2+的主要部位。在較高濃度情況下，CH3COOK對有機組分吸附態(tài)的Cu2+、Zn2+解吸更有效，但活菌體和死菌體之間并無顯著差異。不同礦物、微生物-礦物復(fù)合體之間的解吸行為也不盡相

10、同，惡臭假單胞菌CZ1的加入降低了復(fù)合體系中吸附態(tài)Cu2+、Zn2+的解吸效率。 接種CZ1后，提高了土壤中水溶態(tài)和可交換態(tài)Cu、Zn含量，而有機結(jié)合態(tài)Cu、Zn含量則顯著降低，說明CZ1對污染土壤中的Cu、Zn具有較強的活化能力。經(jīng)過2周的培養(yǎng)，土壤中的碳源和氮源基本上可以維持微生物的正常生長，外源物質(zhì)的加入反而會降低土壤中水溶態(tài)Cu、Zn含量。檸檬酸、草酸和硫磺對土壤中水溶態(tài)Cu、Zn沒有較明顯的影響，而EDTA和NTA可