高效矿物风化细菌Rhizobium massiliae S41风化黑云母生理特性及分子机制研究

摘要

矿物风化是指地表或接近地表的坚硬岩石、矿物与大气、水及生物接触过程中产生物理、化学变化而在原地形成松散堆积物的过程，是土壤的形成基础，在自然界广泛发生，是影响地球矿质元素的化学循环及环境的重要因素。研究表明，细菌在矿物风化过程中起着重要作用，不同细菌风化矿物机制之间存在显著差异，研究这些矿物风化细菌的风化特性及分子机制对全面了解细菌在硅酸盐矿物风化过程中的作用具有重要意义。 本文以一株本实验室保藏的高效矿物风化细菌Rhizobium massiliae S41为研究对象，以黑云母为供试矿物，将发酵液中的矿质元素Fe、Al、Si的浓度作为表征细菌风化能力的指标，研究了细菌S41在不同碳源和氮源条件下风化黑云母的生理特性;筛选并研究了该细菌在风化黑云母过程中的功能基因，通过同源重组的方法构建五株不同基因的单基因缺失突变株，比较了各突变株与野生株对黑云母的风化作用，并对能够有效提高菌株S41风化能力的基因FhuD进行了进一步研究，比较了该基因突变株与野生株对含铁量不同的两种矿物钾长石和黑云母的风化作用，以及两菌株的产铁载体能力和对环境中Fe元素的吸收效率，并对该基因突变株进行了功能回补。 试验结果表明，当培养基中只含葡萄糖或甘露糖时，菌株S41的风化能力显著高于其他碳源试验组，且在高浓度碳源条件下菌株的风化能力高于低浓度碳源;细菌S41以(NH4)2SO4为唯一氮源时，发酵液细胞数量、pH和风化能力均显著低于其他实验组。比较各突变株与野生株对黑云母的风化作用，发现突变株S41ΔFhuD对黑云母中Fe和Si的溶出效率显著高于野生株。突变株S41ΔFhuD对含铁量较高的黑云母的风化作用显著高于野生株，而对含铁量极低的钾长石的风化作用与野生株无明显差异，说明突变株对矿物的风化作用可能受矿物中铁含量的影响。突变株细胞内铁含量在24h和48h时显著低于野生株，表明基因FhuD的缺失可能影响了细菌对铁的吸收效率;突变株的铁载体产量在24h和48h显著高于野生株，而铁载体的产生受环境中铁元素浓度调控，说明基因FhuD的缺失可能能够促进细菌产生较多铁载体;对突变株S41ΔFhuD进行了功能回补，发现回补株S41ΔFhuDH对黑云母的风化能力与野生株相同。研究发现在葡萄糖和甘露糖条件下菌株Rhizobium massiliae S41生长势最好，产多糖能力最强。基因FhuD的缺失能够降低细菌Rhizobium massiliae S41对铁的吸收效率，提高菌株产铁载体能力，从而加速菌株对黑云母的风化作用。

目录

声明

摘要

符号说明

绪论

文献综述

第一节细菌风化硅酸盐矿物的研究意义和机制

1细菌风化硅酸盐矿物的研究意义

2细菌风化硅酸盐矿物的机制

第二节细菌铁吸收机制

1铁载体介导的铁吸收

2微生物吸收铁的其他机制

3铁载体对矿物风化的影响

第三节本课题的研究目的和意义

第一章Rhizobium massiliae S41矿物风化生理特性

第一节不同碳源及碳源量条件下菌株对黑云母的风化

1材料

2方法

3结果与分析

第二节菌株在不同碳源条件下的风化特性

1材料

2．方法

3结果与分析

第三节菌株在不同氮源条件下的风化特性

1材料

2方法

3结果与分析

讨论

第二章Rhizobium massiliae S41风化基因的筛选

第一节单基因突变株的构建

1材料

2方法

3结果

第二节单基因缺失突变株对黑云母的风化作用

1材料

2 方法

3结果与分析

讨论

第三章FhuD基因功能验证及回补试验

第一节FhuD基因突变株的矿物风化特性

1材料

2方法

3结果与分析

第二节FhuD基因功能验证

1材料

2方法

3结果与分析

第三节FhuD基因功能回补

1材料

2方法

3结果与分析

讨论

结论

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文