草酸青霉Penicillium oxalicum SL2去除Cr(Ⅵ)的特性和机制研究

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Cr(Ⅵ)污染是一个全球性的环境问题。环境中的Cr(Ⅵ)污染物具有很强的生物毒性,威胁人民身体健康和生态系统稳定,因此引起了各国的重视。微生物修复Cr(Ⅵ)污染技术具有修复彻底、成本低以及环境友好等优点,可以和传统的物理化学方法形成互补,是当前研究的热点。本文针对研究中出现的优质功能菌株缺乏、修复机制不明的状况,从室内空气中分离高效功能真菌,并利用Gompertz模型分析了其耐盐、耐铬的特性,采用响应曲面模型优化了其去除Cr(Ⅵ)的条件,利用离子色谱、傅里叶红外、同步辐射X射线荧光光谱、软X射线显微光束线等现代技术手段阐明了其去除Cr(Ⅵ)的机制,通过高通量转录组测序研究了其对Cr(Ⅵ)的响应并首次证实真菌中存在Cr(Ⅵ)还原基因,为Cr(Ⅵ)污染的微生物修复提供理论依据和技术支撑。主要结果如下:(1)从室内空气中分离获得Cr(Ⅵ)耐性和还原菌并证实了其潜力。所分离得到的丝状真菌SL2从形貌特征、生理生化特性和核糖体基因(18SrDNA、26S rDNA 和 ITS)序列判断属于草酸青霉(Penicillium oxalicum),命名为Penicillium oxalicum SL2。P oxalicum SL2 是耐盐、耐 Cr(Ⅵ)微生物,其在含盐、含 Cr(Ⅵ)环境中的生长规律可以用Gompertz模型模拟。在实际电镀废水中,P.oxalicum SL2通过菌丝体的吸附累积和还原作用在6 d内将102.2 mg/L的Cr(Ⅵ)完全清除,表现出良好的应用潜力。(2)优化了P.oxalicum SL2 去除 Cr(Ⅵ)的条件.P oxalicum SL2 的 Cr(Ⅵ)去除过程受培养方式和环境因子影响。初始Cr(Ⅵ)浓度、pH、盐度对P.oxalicum SL2去除Cr(Ⅵ)速度的影响可以用二次多项回归方程表示。当pH为8.11,初始Cr(Ⅵ)浓度为 376.21 mg/L,添加 NaCl 浓度为 25.00g/L 时,P.oxalicum SL2 去除Cr(Ⅵ)速率最快,达到2.28gL-1h-1。(3)初步揭示了P.oxalicum SL2去除Cr(Ⅵ)的机制.草酸青霉SL2能通过产生草酸间接还原去除Cr(Ⅵ),且Cr(Ⅵ)的存在促进了草酸的分泌。此外,草酸青霉SL2也可以通过菌丝体吸附累积去除Cr(Ⅵ),羟基、氨基、羧基和磷酸基等官能团参与了P.oxalic m SL2与Cr(Ⅵ)的相互作用。铬元素在草酸青霉SL2菌丝体表面和内部都有分布,其分子形态与培养时间有关。在培养的前期,铬元素主要以Cr-Cys和CrPO4形态存在,随着培养的进行,其向[Cr(C2O4)3]3-络合离子转化。(4)初步阐述了P.oxalicum SL2在基因表达水平上对Cr(Ⅵ)胁迫的响应。细胞壁成分和磷酸盐运输通道等与草酸青霉菌株的Cr(Ⅵ)耐受能力相关,其基因在耐性菌株草酸青霉SL2和无耐性菌株草酸青霉CFCC中表达差异明显。有机酸代谢、能量代谢、应激反应和DNA修复等基因在有无Cr(Ⅵ)胁迫条件下表达差异明显,是草酸青霉SL2响应Cr(Ⅵ)胁迫的方式。差异表达基因的富集通路受到Cr(Ⅵ)胁迫时间、浓度等因素影响。(5)证实了真菌中存在并表达了 Cr(Ⅵ)还原酶基因。在草酸青霉基因组中发现 Cr(Ⅵ)还原酶基因,其中 PDE05019、PDE07956、PDE01864 在无 Cr(Ⅵ)耐受能力的草酸青霉CFCC和具有Cr(Ⅵ)耐受能力的草酸青霉SL2中都有表达,而PDE03621仅在草酸青霉SL2中表达。菌株的培养时间、Cr(Ⅵ)胁迫等因素影响Cr(Ⅵ)还原酶基因的表达。
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