林杆菌属模式菌Alsobacter metallidurans SK200a-9在微氧条件下Fe(II)介导的脱氮产N2O特性研究

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氮循环与铁循环是重要的生物地球化学循环。理论研究表明,缺氧条件下,硝酸盐可作为氧化剂将还原态的Fe氧化,其产生的能量可维持微生物生长,因此,硝酸盐型铁氧化菌介导的新型生物脱氮技术得到广泛关注。然而,对厌氧铁氧化脱氮过程中产生温室气体N2O产生研究甚少。此外,N2O作为一种重要的温室气体,对全球气候变化有着重要的影响,而对由微生物介导的Fe-N耦合产N2O的研究尚属起步阶段。  本研究拟对林杆菌属模式菌Alsobacter metalliduransSK200a-9有亚铁离子参与产物为N2O的反硝化生理活性进行研究。首先,对菌株SK200a-9的脱氮功能基因进行了PCR扩增和系统发育分析,确认其脱氮功能基因并预测脱氮活性。其次,在不同氧含量条件下对SK200a-9利用不同碳源(葡萄糖、琥珀酸及乙酸)的亚铁参与的脱氮过程中硝酸盐、产N2O量及生物量进行了测定。再次,研究Fe(Ⅱ)浓度对SK200a-9利用不同碳源铁参与的脱氮效率,生物量及产N2O的影响。最后,研究碳源浓度对Fe(Ⅱ)参与的脱氮效率,生物量及产N2O的影响。主要结果如下:  (1)SK200a-9的脱氮基因检测与系统发育分析结果表明其具有编码亚硝酸盐还原酶的脱氮功能基因nirK,但未检测到编码氧化亚氮还原酶的功能基因nosZ。其nirK序列与日本稻田土和辽宁省农田土壤中检测到的nirK克隆序列相似度94%以上,形成一个独立的cluster,而与Afipia属(相似度90%)以外的Rhizobiales目其他已知菌的nirK相似度较低(<85%),是一条目前未知的nirK基因序列。从中未检测到nosZ基因初步判断该菌株脱氮终产物可能是N2O。  (2)对SK200a-9在有Fe(Ⅱ)参与利用葡萄糖、琥珀酸及乙酸的脱氮产N2O活性测定结果显示,只有在2%左右的微氧环境中添加Fe(Ⅱ)能使菌株SK200a-9进行脱氮反应,且产生N2O约达1000μg/m3;而无Fe(Ⅱ)添加的对照组不产N2O。  (3)微氧条件下对SK200a-9在不同浓度Fe(Ⅱ)参与的脱氮产N2O活性测定结果显示,以葡萄糖、乙酸钠及琥珀酸为碳源,体系中添加0.89mM的Fe(Ⅱ),菌株SK200a-9的生长和对硝态氮去除效果最佳,脱氮效率分别为46.82%、34.19%和29.01%;同时N2O产量也达最大,分别达1043.39μg/m3、1045.81μg/m3和747.15μg/m3。  (4)微氧条件下不同碳源浓度对SK200a-9在0.89mM Fe(Ⅱ)参与的脱氮产N2O活性测定结果表明,葡萄糖、乙酸钠及琥珀酸浓度为83.4mM时体系中菌株SK200a-9生长和脱氮效果最佳,脱氮效率分别为47.1%、34.3%和26.09%。  本论文通过微生物介导的Fe-N耦合产N2O的研究对了解和控制温室效应气体N2O排放新途径提供科学依据,对揭示自然环境中的微生物介导的Fe-N耦合产N2O排放机制具有理论意义。
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