定殖复合功能内生细菌削减叶菜类蔬菜中PAHs的效能及机制

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多环芳烃(Polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)是广泛存在于土壤中的一类持久性有机污染物。作物可以通过主动或被动方式吸收土壤中PAHs,进而造成作物污染、影响农产品安全和人群健康。叶菜类蔬菜为人们日常生活所食用,如何去除污染区叶菜类蔬菜中PAHs备受各界关注。近年来已有研究表明,通过定殖具有PAHs降解功能的内生细菌可降低植物中PAHs含量。然而,以往研究多是使用单一功能菌株,其降解谱窄,仅能降解植物体内特定种类PAHs,难以有效地应对多种PAHs复合污染问题。显然,筛选、驯化获得具有多种PAHs降解功能的复合内生细菌菌群,并将其定殖到叶菜类蔬菜体内,有望有效地削减蔬菜PAHs污染风险;然而,相关研究仍很缺乏。本文首先采用水培试验,尝试通过定殖两株功能内生菌来去除空心菜(Ipomoea aquatica Forsk.)中菲和芘,以分析定殖复合功能菌削减植物体内复合PAHs的可能性;进一步构建了能够降解16种EPA优控PAHs的复合功能内生细菌菌群,在纯培养和土培条件下揭示了其对PAHs的降解效能;在此基础上,通过土培试验,剖析了定殖复合功能菌群对空心菜、上海青(Brassica chinensis L.)、小白菜(Brassicacampestris L.)体内PAHs的去除作用,通过分析植物体内PAHs降解相关酶活性、降解基因丰度变化,揭示了复合功能菌群削减叶菜类蔬菜中PAHs的可能机制。主要研究结果如下:(1)发现同时定殖Sphingobium sp.RS2和Mycobacterium sp.Pyr9,可以有效地降低空心菜中菲和芘含量,这为利用复合功能内生菌削减叶菜类蔬菜中16种EPA优控PAHs提供了前提和可能。利用水培试验,通过浸根方式将Sphingobium sp.RS2和Mycobacterium sp.Pyr9定殖到菲和芘污染的空心菜体内,空心菜各部位功能菌数量总体表现为根表>根内>茎叶。定殖功能菌12d后,空心菜茎叶和根中∑PAHs(菲+芘)含量分别比未接菌对照减少35.27%与73.46%。定殖功能菌后空心菜体内检出了 PAHs降解基因nidA与bphA1f,且两种基因的拷贝数与功能菌数量显著正相关(p<0.05),而未接菌对照蔬菜中未检出该两基因。表明,定殖携带有PAHs降解基因的两株功能内生菌可以削减空心菜中不同PAHs(菲和芘),这为应用复合功能菌群削减叶菜类蔬菜中16种PAHs提供了可能。(2)构建了具有降解16种EPA优控PAHs能力的复合功能内生菌群,该功能菌群在纯培养和土培条件下可高效降解复合PAHs。通过对实验室前期筛选的6株具有PAHs降解能力的内生细菌菌株进行驯化、配伍、组合,构建出一组具有降解16种EPA优控PAHs能力的复合功能内生菌群。将复合功能菌群接种于含有16种PAHs的无机盐培养基中(菌液/培养液:v/v=1/20),336 h后培养液中∑PAHs的降解率达80.87%。土培体系下,采用不同定殖方式将复合功能菌群(OD600nm=0.5或1.0)定殖到上海青体内,可以有效地降低植物体内∑PAHs含量,50d后植物茎叶与根中∑PAHs含量分别降低4.69%~30.06%和8.04%~58.23%,其中采用浸种联合喷灌的方式定殖菌液OD600nm=1.0的复合功能菌群效果最佳。这些结果表明,应用复合功能内生菌群削减植物复合PAHs污染具有可行性。(3)发现定殖复合功能内生菌群可以高效降解不同植物中复合PAHs,定殖功能菌群后植物体内PAHs降解酶活性、降解基因丰度显著提高,植物体内降解基因丰度与PAHs残留量显著负相关。采用温室土培盆栽试验,利用浸种联合喷灌的方式将复合功能菌群定殖到空心菜、上海青、小白菜体内,30 d后三种蔬菜茎叶中∑PAHs含量分别比未接菌对照减少 76.16%、87.25%、66.48%,根中减少 68.84%、77.02%、60.95%。定殖复合功能菌群后,小白菜茎叶中过氧化物酶活性显著提高,且三种蔬菜茎叶与根内多酚氧化酶活性均有所提高。定殖复合功能菌显著提高了三种蔬菜体内PAHs降解基因nidA、bphA1f的拷贝数与相对丰度,同时也提高了phe基因的拷贝数。相关性分析表明,植物体内PAHs降解基因丰度与PAHs残留量显著负相关(p<0.05)。这些结果揭示了复合功能内生菌群削减不同植物中复合PAHs污染的有效性。
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