高产铁载体菌对土壤镉的配位活化研究

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镉(Cd)是一种毒性高、生物半衰期长的重金属,土壤中的Cd可通过食物链的传递过程,对农产品安全和人类健康造成严重威胁。稳定化修复是治理土壤Cd污染切实可行的方法之一。然而土壤中广泛存在的微生物的代谢产物(如有机酸和铁载体等)可能会对已被稳定化的Cd造成二次释放,从而降低钝化剂的稳定化修复效果。本文利用CAS检测法选取了一株具有高产铁载体功能的菌株——荧光假单胞菌,对其进行了Fe3+与菌株生成铁载体之间的关系和菌株的耐Cd性实验,并对该菌株进行土壤Cd(碳酸镉,磷酸镉,针铁矿结合态镉,风化煤结合态镉,蒙脱石结合态镉和坡缕石结合态镉)的摇瓶活化实验,进而对荧光假单胞菌活化不同土壤Cd的能力大小进行评价。随后,选择菌株生成铁载体活化坡缕石结合态镉的胞外溶液进行基于超高效液相色谱质谱联用分析的非靶向代谢组学研究,以期从代谢组学的角度揭示Cd影响荧光假单胞菌生成铁载体的机理,从而进一步明确荧光假单胞菌生成铁载体行为与坡缕石结合态镉活化之间的响应机制。本研究的主要结果与分析如下:(1)从Fe3+与荧光假单胞菌生成铁载体关系的实验中,可以发现菌株在缺铁的环境中能分泌大量的铁载体,以满足其自身正常的生命活动;且当溶液环境中存在20μmol/L的Fe3+时可完全抑制菌株生成铁载故体,结合土壤镉的吸附特性,故外源加入200μmol/L的Fe3+作为菌株不生成铁载体的对照实验组。从菌株的耐Cd性实验的结果中,发现当溶液中有较高浓度的Cd2+存在时,会显著降低荧光假单胞菌生成铁载体的能力。(p<0.05)(2)荧光假单胞菌活化土壤Cd的实验结果均表明,菌株生成铁载体与不生成铁载体的胞外溶液pH无显著性差异。在菌株生成铁载体活化碳酸镉、磷酸镉、风化煤结合态镉、蒙脱石结合态镉和坡缕石结合态镉的实验中,胞外溶液的pH分别为4.24、3.77、4.78、8.76、5.86;Cd的活化量分别为31.12、30.53、0.91、0.52、20.41 mg/L。而在相对应的菌株不生成铁载体活化土壤镉的对照实验组中,胞外溶液的pH分别4.07、3.70、4.95、8.66、6.04;Cd的活化量分别为32.36、29.99、0.77、0.27、16.32 mg/L。因此,由荧光假单胞菌生成的铁载体对碳酸镉和磷酸镉无显著的活化作用,且有机酸的酸溶作用是重要的活化作用;由菌株生成的铁载体对风化煤结合态镉同样无显著的活化影响;而由菌株生成的铁载体对蒙脱石结合态镉和坡缕石结合态镉却具有显著的活化作用(p<0.05),且铁载体活化Cd的贡献率分别为48.3%和22.0%。(3)综合风化煤、蒙脱石和坡缕石的Cd吸附性能和菌株活化风化煤结合态镉、蒙脱石结合态镉和坡缕石结合态镉的摇瓶实验结果,可初步得出:在添加钝化剂修复Cd污染的土壤中,添加风化煤作为钝化剂,可以起到更长期的稳定性修复效果,但不能提高土壤的pH;可能最适合的钝化剂是蒙脱石,因为其不仅具有良好的吸附性能,而且产铁载体菌株——荧光假单胞菌,对蒙脱石结合态镉的活化影响很小,又能显著提高环境的pH,从而具有较长期的修复效果,但需最好通过改性的方式提高蒙脱石吸附稳定Cd的能力,进一步提升蒙脱石的稳定化修复能力。(4)荧光假单胞菌活化坡缕石结合态镉的实验结果表明:菌株生成铁载体实验组比无铁载体生成的实验组对坡缕石结合态镉的活化量高22.0%(p<0.05)。同时,活化的镉又反过来使得菌株的铁载体生成量显著减少了25.1%(p<0.05)。与未加坡缕石结合态镉的处理相比,添加坡缕石结合态镉导致了菌株生成铁载体的胞外分泌物中的显著性差异代谢物发生9种显著性上调和22种显著性下调。KEGG通路分析表明在荧光假单胞菌生成铁载体活化坡缕石结合态镉的过程中,活化的Cd影响了菌株的信号转导通路和初级代谢过程,降低了戊糖磷酸途径、糖酵解和TCA通路的代谢能力,进而减弱了菌株生物合成氨基酸的能力,从而反向降低了荧光假单胞菌生成铁载体的能力。本研究对于如何有针对性地选取土壤Cd稳定化材料,避免土壤微生物生成铁载体对稳定化Cd的再活化,提供了有益的信息。
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