酸性矿山废水中嗜酸菌生理性质及比较基因组学研究

• 作 者: 葛梦洁
• 出 处: 中国地质大学(北京)
• 发表日期: 2020年10期
• 关键词: 酸性矿山废水 嗜酸菌 比较基因组 酸胞菌属(Acidocella) 青枯菌属(Ralstonia)

酸性矿山废水（acid mine drainage,AMD）是由硫化物矿物长期暴露于地表,在水、大气和微生物共同作用下产生的,具有酸性强（pH 3.0左右）、金属含量高等特点。在酸性矿山废水的形成过程中,嗜酸菌发挥着重要的催化作用。因此,要理解酸性矿山废水的形成机制,就必须了解嗜酸菌的代谢机制和适应性能。本研究从安徽某铁矿酸性废水中分离纯化出了4株嗜酸菌,并分别对其进行了生理生化性质及重金属耐受性质测定,进而利用比较基因组学的方法解析了其代谢机制和抗逆性能。具体研究结果如下:（1）对分离纯化出的4株嗜酸菌进行16S rRNA基因测序和系统发育分析,初步命名为Acidocella sp.SW、Acidocella sp.BW2、Ralstonia sp.BP、Ralstonia sp.BW。（2）4株细菌都是常见的中温嗜酸菌,但生理生化性质有所不同。Acidocella sp.SW的最适生长pH为3.0,最适生长温度是35℃,可在0³%的NaCl浓度下生长;Acidocella sp.BW2最适生长pH为3.0,最适生长温度是35℃,可在0²%的NaCl浓度下生长;Ralstonia sp.BP最适生长pH为3.0,最适生长温度是35℃,可在0⁵%的NaCl浓度下生长;Ralstonia sp.BW最适生长pH为4.5,最适生长温度是30℃,可在0⁵%的NaCl浓度下生长。（3）4株细菌都能耐受多种重金属,但耐受程度有一定的差异。Acidocella sp.SW分别可以耐受20000 mg/L Zn²⁺、1000 mg/L Cu²⁺、500 mg/L Ni²⁺、2500mg/L Cd²⁺。Acidocella sp.BW2可以耐受16000 mg/L Zn²⁺、70 mg/L Cu²⁺、500mg/L Ni²⁺、1000 mg/L Cd²⁺。Ralstonia sp.BP分别可以耐受200 mg/L Zn²⁺、40mg/L Cu²⁺、20 mg/L Ni²⁺、2500 mg/L Cd²⁺。Ralstonia sp.BW分别可以耐受10000mg/L Zn²⁺、1000 mg/L Cu²⁺、200 mg/L Ni²⁺、1000 mg/L Cd²⁺。（4）Acidocella sp.SW基因组中含有尿素转运体（urtABCDE）、尿素酶亚基（ureABC）及部分尿素酶辅助蛋白（ureDEG）编码基因,表明其可以利用尿素水解产生的氨应对极端酸性环境。Acidocella sp.SW可以利用arsC基因编码的砷酸盐还原酶将砷酸盐还原为亚砷酸盐,然后通过亚砷酸盐转运体（ARC3）将亚砷酸盐泵出细胞外,从而降低砷酸盐毒性。Acidocella sp.SW还可以利用cusA基因编码的阳离子外排系统蛋白及czcA基因编码的Co-Zn-Cd抗性蛋白促进重金属的外排和转运。此外,Acidocella sp.SW基因组中含有核酸外切酶（uvrABC）、DNA错配修复蛋白（mutL、mutS）、伴侣蛋白（dnaK-dnaJ、clpB、htpG、cpbA、grpE）等编码基因,表明其可以利用这些修复机制消除极端环境带来的生物大分子损伤。（5）Ralstonia sp.BP含有Na⁺-K⁺转运体ATP酶（CATP-1）、K⁺转运体（TRK1）、K⁺通道蛋白（KCNKF）及H⁺转运ATP酶（PMA1）,表明其能够吸收和转运K⁺,形成化学渗透屏障,从而阻止质子大量内流。Ralstonia sp.BP可以利用铜氧化酶（FET3₅）降低铜的毒性。此外,Ralstonia sp.BP含有czcAD基因编码的Co/Zn/Cd外排蛋白、arsB基因编码的砷外排转运体及ctr基因编码的铜转运体,表明其可以利用这些蛋白促进重金属的外排和转运。Ralstonia sp.BP由于缺乏nasA依赖型硝酸盐还原酶,且缺少三型分泌系统（typeⅢsecretion system,TTSS）和鞭毛合成酶,推断其不具有植物病原性。