三种植物内生真菌多样性分析及三苯甲烷染料的脱色研究

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三苯甲烷类染料(Triphenylmethane)是以三苯甲烷为母体结构的一类合成染料。因其复杂的芳香结构而难以被降解,它们存在环境中对人类和生态环境造成严重的威胁。近年来,对染料移除的研究大多集中在从染料污染的环境中分到的白腐真菌最为典型,然而未受染料污染的其它来源真菌,如内生真菌的报道少之又少。据以往报道,内生真菌可以代谢有机污染物,辅助植物生长,从而促进污染环境的植物修复。此外,在极端环境下(如金属胁迫)的植物内生真菌被报道有更强的抗逆性。因此,本研究以被金属污染的三种植物苦苣(Sonchus oleraceus)、蒲儿根(Sinosenecio oldhamianus)和肾蕨(Nephrolepis auriculata)为研究对象,进行内生真菌的分离、纯化和鉴定,并分析其多样性,以及筛选出能够对三苯甲烷染料高效脱色的菌株,并对脱色机制进行初步研究以及对脱色条件进行优化以提高菌株对三苯甲烷染料的脱色能力。(1)采用表面消毒法,从三种植物的180个组织块中共分离得到109株内生真菌。结合形态学和分子生物学方法鉴定,将获得的109株菌划分为23个分类单元。分离得到的菌株主要以子囊菌门(Ascomycota)为主共78株,依次为担子菌门(Basidiomycota)和半知菌门(Deuteromycota),共有28株和3株。此外,广泛分布于三种植物的优势菌群只有两个属即:互隔交链孢属(Alternaria sp.)和蜡孔菌属(Ceriporia sp.),其分离频率分别为46.8%(共有51株)和19.3%(共有21株)。α-多样性指数进行分析,结果表明:肾蕨具有最丰富的物种多样性(H’=1.89,D=0.75);此外,β-多样性指数表明:植物内生真菌的定殖具有宿主特异性和组织特异性。(2)用分离得到的109株内生真菌对四种三苯甲烷类染料进行初步的脱色筛选,结果表明:有22株菌(分别隶属于9个属)在平板上能够对四种测试染料有不同程度的脱色。液体筛选显示,脱色效率最好的菌株是SWUSI4,它对染料结晶紫、甲基紫、孔雀绿和棉蓝的脱色效率分别为70%、89%、75%和90%。通过单因素方差分析比较SWUSI4对四种三苯甲烷染料的脱色效率显著高于其它测试菌株(p<0.05)。此外,两种优势种属同样表现出了较好的脱色效率,且同一属的不同菌株之间对四种染料的脱色效率没有显著性差异(p>0.05)。因此,选择不同属的四株菌(SWUSI4、SWUNF9、SWUSI26和SWUSO21)进一步在振荡培养下研究对四种染料的脱色能力。结果表明,对四种染料表现出最高脱色效率的是菌株SWUSI4(烟管菌Bjerkandera adusta),其对染料结晶紫、甲基紫、孔雀绿和棉蓝的脱色效率分别为74%、95%、80%和92%。通过单因素方差分析比较,菌株SWUSI4和其它三种菌株(SWUNF9、SWUSI26和SWUSO21)对四种三苯甲烷染料的脱色效率之间均存在显著差异(p<0.05)。因此,接下来对菌株SWUSI4的脱色机制进行了初步的研究。(3)为了研究菌株SWUSI4对三苯甲烷染料脱色的简单机制,分别使用菌株SWUSI4的活细胞和死细胞生物量在缺乏营养物质的培养体系中进行脱色研究。结果表明:菌株SWUSI4的活细胞对染料的脱色效率明显高于死细胞的。脱色结束后发现菌株SWUSI4的死细胞颜色分别与四种相对应的染料的颜色相同。通过红外光谱分析发现,染料与菌株SWUSI4细胞壁中的羟基、氨基、磷酸基和酯类脂基团相互作用;紫外-可见吸收光谱分析显示:经菌株SWUSI4活细胞处理的甲基紫和孔雀绿,脱色后紫外吸收峰完全消失;而被菌株SWUSI4活细胞处理的结晶紫和棉蓝,只观察到染料强度的降低。然而被菌株SWUSI4死细胞处理的四种三苯甲烷染料,在14天后仍然可以检测到最大峰值。以上结果说明菌株SWUSI4的活细胞通过生物吸附和生物降解两种机制共同来脱色,而死细胞只通过生物吸附机制来对染料进行脱色。(4)通过几个常见影响脱色的因素(包括:染料的初始浓度、菌株的生物量剂量、温度、p H)来研究真菌SWUSI4对三苯甲烷类染料的最适脱色条件。结果表明:当菌株生物量为40 g/L,染料浓度为100 mg/L,温度为30℃,p H为7时,菌株SWUSI4对四种三苯甲烷染料的脱色效率在24 h后都可以达到90%以上。在优化条件下脱色24 h后分别检测了漆酶(Lac)、木质素过氧化物酶(Li P)和锰过氧化物酶(Mn P)三种酶的活性。结果与对照组相比,锰过氧化物酶和木质素过氧化物酶的水平被显著诱导。最后进行植物毒理实验,以植物种子的发芽率,以及发芽种子的根长和茎长为生物指标进行分析。结果表明:与未被菌株SWUSI4处理的染料相比,经菌株SWUSI4处理后的四种三苯甲烷染料培养的种子萌发率有了显著提高,且种子的根长与茎长与未处理的相比较有显著性的变化(p<0.05)。因此菌株SWUSI4在三苯甲烷染料的生物降解和生物脱色方面有一定的应用潜力,可以使染料的毒性降低。综上所述,重庆某污染工厂的三种植物组织中存在大量的内生真菌,与其它非污染环境中生长的植物内生真菌多样性指数相似,具有丰富的物种多样性,因此可以判断在污染地区生长的植物仍然有大量内生真菌定殖。经过筛选,其中菌株SWUSI4无论在固体脱色还是液体脱色下,对四种测试染料的脱色效果都是最好的,菌株SWUSI4主要是通过生物降解和生物吸附两种脱色机制共同移除和解毒环境中三苯甲烷染料的毒性。同时本文是首次对内生菌株烟管菌(Bjerkandera adusta)SWUSI4进行三苯甲烷类染料的脱色研究。本研究的结果旨在为植物内生真菌在染料污染修复技术中的应用和推广提供科学依据和技术支持。
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