亚抑菌浓度抗生素对蓝细菌聚集及生物膜形成的影响机制研究

摘要

抗生素的广泛、大量使用，导致其进入生态环境。近年来，由于抗生素的生物学效应，对其研究已不止局限于作为一种污染物。抗生素如何影响微生物的生理机能，以及微生物对抗生素的耐受机制受到了广泛关注。据报道，在环境中检出的抗生素多为亚抑菌浓度。与高浓度抗生素的效能相比，亚抑菌浓度抗生素对微生物生理活动的影响不仅为抑菌性，还将作为信号分子改变微生物的群居性、运动性、抗压性和生物膜形成，并促进微生物之间的协作或竞争关系。目前，国内外研究主要集中在致病菌及模式微生物与抗生素的相互作用，而很少有研究考察环境中亚抑菌浓度抗生素对具有生态效应的微生物的影响。蓝细菌作为一种典型的，具有重要生态环境效应的功能微生物，既是全球碳循环的主要承担者;同时可能在富营养化水体中过度增殖导致水华或赤潮。鉴于蓝细菌在生态环境中的重要作用，结合亚抑菌浓度抗生素在自然环境中广泛存在的现状，亚抑菌浓度抗生素与蓝细菌之间的相互作用机制具有重要的研究意义。
　　本研究主要内容与结果如下:
　　(1)本章研究选用两种典型的抗生素（卡那霉素和妥布霉素）作为研究对象，考察了对细长聚球藻聚集的影响。结果表明，当培养体系中存在亚抑菌浓度抗生素时，细长聚球藻聚集率有所提高。当抗生素浓度为0.1μg/mL时，聚集率明显提高30％～40％。相似的现象在短时接触(24 h)实验中也有存在。通过分析表面性质发现，在亚抑菌抗生素存在情况下，细长聚球藻的表面电荷、亲疏水性及形态均发生改变，而这些变化导致聚集的增加。研究进一步分析了胞外聚合物中胞外蛋白和多糖的相对含量，发现抗生素的存在改变胞外蛋白的分泌量，导致细长聚球藻表面性质的变化，进而影响聚集。为了进一步模拟在自然水体中亚抑菌浓度抗生素对细长聚球藻的作用，本研究考察了pH和离子强度的影响。结果表明，在较低pH和离子强度下，细长聚球藻的聚集能力更易受抗生素的影响。
　　(2)铜绿微囊藻过量生长是导致水华的重要原因。因此，本研究进一步考察了亚抑菌浓度抗生素对铜绿微囊藻聚集的影响。结果表明，在0.02μg/mL卡那霉素或0.01μg/mL妥布霉素浓度下，铜绿微囊藻聚集率分别增加约14.9％和25.4％。经表面性质分析发现，表面电荷和亲疏水性只发生了微弱的变化。在短时接触实验中，铜绿微囊藻与抗生素作用后聚集率和表面性质均未发生明显变化。这一方面说明了表面性质在聚集中的重要作用;另一方面表明，在亚抑菌浓度抗生素存在条件下，不同蓝细菌菌株有着不同的生理变化。
　　(3)微生物的聚集是生物膜形成的第一步，结合第二章研究结果，本章研究以细长聚球藻为研究对象，考察了亚抑菌浓度卡那霉素对其生物膜形成的影响，并通过转录分析考察其生态效应。结果表明，0.05～0.1μg/mL卡那霉素能够促进蓝细菌生物膜的形成。通过对细长聚球藻的表面性质及形态分析发现，胞外蛋白对于调节生物膜形成起重要作用，且蓝细菌形态的变化也对生物膜形成产生影响。同时，通过对抗生素存在条件下蓝细菌的1,5-二磷酸核酮糖羧化/加氧酶及碳酸酐酶的转录分析，发现两种酶的表达均发生了变化。综合细长聚球藻生物膜及酶表达量的变化，我们推断在亚抑菌抗生素存在情况下，由蓝细菌介导的生物钙化作用可能提高，而钙化过程的提高可能间接引起大气中二氧化碳浓度的提高，产生较大的生态效应。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 抗生素概述

1．1．1 环境中的抗生素

1．1．2 亚抑菌浓度抗生素

1．2 微生物的聚集与生物膜

1．2．1 微生物的聚集

1．2．2 生物膜

1．3 蓝细菌

1．3．1 蓝细菌的生态效应

1．3．2 铜绿微囊藻水华

1．3．3 蓝细菌的聚集研究

1．3．4 蓝细菌生物膜形成研究

1．4 本课题主要研究目的、意义及内容

1．4．1 研究目的和意义

1．4．2 研究主要内容

1．4．3 研究主要创新点

第二章 亚抑菌浓度抗生素对细长聚球藻聚集的影响

2．1 引言

2．2 实验材料与方法

2．2．1 主要实验试剂、材料与仪器

2．2．2 生长曲线的测定

2．2．3 细长聚球藻聚集实验

2．2．4 蓝细菌表征分析

2．2．5 不同pH及离子强度下蓝细菌聚集实验

2．2．6 数据分析

2．3 结果与讨论

2．3．1 抗生素浓度的确定

2．3．2 抗生素对细长聚球藻聚集的影响

2．3．3 Zeta电位及亲琉水性的变化

2．3．4 EPS的变化及作用

2．3．5 表面形态的变化

2．3．6 pH及离子强度的影响

2．4 本章小结

第三章 亚抑菌浓度抗生素对铜绿微囊藻的聚集影响

3．1 引言

3．2 实验材料与方法

3．2．1 主要实验试剂、材料与仪器

3．2．2 生长曲线的测定

3．2．3 聚集实验

3．2．4 蓝细菌表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 抗生素浓度的确定

3．3．2 抗生素存在下的铜绿微囊藻的聚集

3．3．3 铜绿微囊藻表面电荷的变化

3．3．4 铜绿徽囊藻的亲疏水性的变化

3．3．5 铜绿微囊藻分泌的EPS的变化

3．4 本章小结

第四章 亚抑菌浓度抗生素对蓝细菌生物膜的影响

4．1 引言

4．2 实验材料与方法

4．2．1 主要实验试剂、材料与仪毒

4．2．2 生长曲线的测定

4．2．3 生物膜实验

4．2．4 生物膜的测定

4．2．5 蓝细菌性质及结构表征

4．2．6 分子生物学研究

4．3 结果与讨论

4．3．1 卡那霉素浓度的确定

4．3．2 蓝细菌生物膜形成情况

4．3．3 蓝细菌形态变化

4．3．4 EPS的测定并分析其作用

4．3．5 改性细菌对二氯化碳固定影响

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表学术论文情况