题名 | 导电材料对产甲烷菌与地杆菌生理活性的影响及机制 |
作者 | 李佳佳 |
答辩日期 | 2019-11-25 |
文献子类 | 博士 |
授予单位 | 中国科学院研究生院 |
授予地点 | 北京 |
关键词 | 导电碳布,微塑料,产甲烷菌,地杆菌属,电子传递 |
学位名称 | 博士研究生 |
英文摘要 | 铁还原菌和产甲烷古菌分布于湿地生态系统中,在其生物地球化学碳、铁循环过程中发挥着重要作用。研究发现,导电材料(如磁铁矿,活性炭和碳布等)可以促进地杆菌与产甲烷古菌之间直接的电子传递,从而在一定程度上提高甲烷产生效率。目前关于“导电材料促进微生物产甲烷机制”的发现主要基于实验室纯培养体系,然而该机制在自然环境体系中是否存在及其对生物地球化学循环的影响尚不明确。本研究以黄河三角洲滨海湿地土壤为研究对象,综合利用土壤学、微生物学、电化学等学科的研究手段,阐明了导电材料碳布对湿地铁还原菌和产甲烷古菌群落代谢活性的影响及机制;探究了新型污染物非导电材料微塑料对铁还原菌铁还原能力和电活性的影响;揭示了导电材料碳布对铁还原菌还原氯霉素的影响及机制。解析导电材料对产甲烷古菌与地杆菌生理活性的影响及机制,有助于深入认知黄河三角洲滨海湿地环境中微生物驱动的碳、铁生物地球化学循环,以及新型污染物微塑料和抗生素(氯霉素)对该过程的影响及电子传递机制,为黄河三角洲滨海湿地生态系统的保护和可持续发展提供理论支持。本研究的主要内容和结论如下: (1)导电碳布对湿地铁还原菌和产甲烷古菌群落代谢活性的影响及机制。研究发现,导电碳布的添加,可以显著提高甲烷产量。电化学方法分析结果显示,添加碳布的实验组中电子转移速率是对照组的3倍,分别为0.0056±0.0015 s-1和0.0017±0.0003 s-1,表明碳布显著促进了湿地样品的电子转移速率;通过添加乙酸型产甲烷抑制剂并结合稳定同位素分析发现,碳布主要是通过促进乙酸型产甲烷途径促进甲烷产生;培养结束后,高通量测序表明,碳布的添加对菌群结构没有显著的影响,其优势细菌为Mobilitalea spp.和假单胞菌Pseudomonas spp.;古菌群落中优势菌种为甲烷八叠球菌Methanosarcina spp.。 (2)非导电材料——微塑料PBAT和PVC对地杆菌驱动的生物地球铁循环的影响。当无定形铁作为电子受体时,没有添加微塑料的对照组与添加PBAT实验组中,Fe(II)的生成量分别为16.82和16.79 mM,没有显著差异;然而在添加PVC的实验组中,Fe(II)含量仅为6.81 mM,表明PVC可以显著抑制地杆菌G. metallireducens GS15对不溶性铁的利用;而微塑料的添加对该菌还原可溶性柠檬酸铁的能力没有显著影响。此外,产电活性实验表明,PBAT和PVC的添加可以使G. metallireducens GS15产电滞后。SEM,EDS和XRD对微塑料表面形貌的表征结果发现,与添加PBAT的实验组相比,仅有少量的含铁矿物附着在PVC表面。地杆菌还原不同形态的铁时电子传递方式不同,与游离态的三价铁相比,不溶性铁氧化物不易于被微生物利用,因此PVC的添加对无定形铁的影响更为显著。 (3)导电碳布对地杆菌降解氯霉素(Chloramphenicol, CAP)的影响。循环伏安法和计时安培法证实,G. sulfurreducens PCA降解氯霉素的能力受氯霉素初始浓度、温度、导电材料、电场作用的影响。微生物活性随着氯霉素浓度升高而逐渐降低,当初始浓度大于20 mg/L时,氯霉素对G. sulfurreducens PCA的脱氯能力和生长情况具有明显的抑制作用;温度为37℃时,其对G. sulfurreducens PCA的抑制作用减弱,氯霉素的降解效率得到显著提高;同时,导电碳布具有比表面积高,导电性好等优点,其添加有助于氯霉素的去除;此外,G. sulfurreducens PCA作为电活性微生物,可利用阴极作为电子供体实现氯霉素的还原,并且阴极电压越负,氯霉素的还原效率越高;当乙酸钠和电极(-0.6 V vs SHE)同时作为电子供体时,氯霉素的还原速率进一步提高。 |
语种 | 中文 |
目次 |
第2章 导电材料对黄河三角洲湿地土壤产甲烷古菌甲烷产生途径的影响及机理.... 21 2.2.8 DNA提取和16S rRNA基因测序... 26 2.3.3 碳布对13C/12C-CH4同位素分馏的影响... 29 第3章 非导电材料微塑料对地杆菌介导的生物地球铁循环的影响.... 37 3.2.4 G. metallireducens GS15电化学活性的测定... 42 3.3.1 微塑料对G. metallireducens GS15铁还原能力的影响... 43 3.3.2 微塑料PBAT和PVC对G. metallireducens GS15电活性的影响... 45 4.2.3 G. sulfurreducens PCA电化学表征... 56 4.2.4 G. sulfurreducens PCA OD600的测定... 57 4.3.1 地杆菌G. sulfurreducens PCA降解氯霉素的电化学性质... 59 4.3.2 初始浓度对G. sulfurreducens PCA还原氯霉素的影响... 60 4.3.4 导电材料碳布对G. sulfurreducens PCA降解氯霉素的影响... 67 |
页码 | 106 |
内容类型 | 学位论文 |
源URL | [http://ir.yic.ac.cn/handle/133337/30830] |
专题 | 烟台海岸带研究所_海岸带生物学与生物资源利用所重点实验室 |
推荐引用方式 GB/T 7714 | 李佳佳. 导电材料对产甲烷菌与地杆菌生理活性的影响及机制[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2019. |
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