赣南稀土矿山废弃地微生物群落分析与氨氮降解菌的全基因组学研究

赣南稀土矿山废弃地微生物群落分析与氨氮降解菌的全基因组
学研究
稀土是重要的战略资源,是电子设备、航空航天和新材料等工业领域必不可少的原料。

赣南是我国重要的稀土生产基地之一,享有“稀土王国”之美誉,是我国离子吸附型稀土资源的主要产区。

自1969年在赣南发现稀土矿并进行开采以来,累计开采稀土约30万吨,占全国离子吸附型稀土开采总量的70%以上。

开采稀土矿一方面能带来可观的经济收益,另一方面也会造成土壤和水体的严重氨氮污染。

当今采用的稀土矿山开采工艺均会造成浸矿液(硫酸铵)对土壤和水体的污染。

过高的氨氮会导致土壤板结、植物呼吸和水利用受阻及生态环境恶化,特别是当水体中的氨氮转化为亚硝氮时,会引发饮用水中毒甚至诱发癌症发生。

故对稀土矿山废弃地开展氨氮污染修复迫在眉睫。

然而,传统的物理和化学修复技术存在污染物去除不彻底和容易导致二次污染等弊端。

微生物修复作为一种修复污染环境行之有效的手段已越来越被人们所关注。

本文对赣南稀土矿山废弃地进行了野外调查和系统采样;采用变形凝胶电泳(DGGE)技术对矿山废弃地的土壤/沉积物中微生物多样性进行了分析;从被高氨氮污染的废弃地筛选出具有高效降解氨氮的微生物菌株Gan-35,并对其进行了
系统的表征和氨氮降解条件的优化;采用高通量测序技术对菌株Gan-35进行了全基因组测序,并从基因水平对其降解氨氮和强耐盐等功能进行了剖析。

本文研究成果为后续构建高效降解氨氮的工程菌株和实施微生物修复工程提供了科学依据和技术支持。

本文取得的创新性认识如下:1.赣南离子吸附型稀土矿山废弃地的氨氮污染非常严重,地表水中氨氮含量高达1835.7 mg/L;土壤/沉积物中氨氮含量最高达899.4 mg/L,均值为724.6 mg/L;土壤/沉积物中的微生物多样性研究发现,其细菌种类单调但具有一定的多样性;而真菌种类和多样性均优于细菌。

2.从氨氮污染的稀土矿山废弃地筛选出1株对高浓度氨氮(1000 mg/L)具有强降解能力的细菌Gan-35;经理化和分子生物学鉴定,确定其为伯克霍尔德菌属(Burkholderia sp.)。

迄今为止未见有关从此类高氨氮污染区筛选出具有高效降解氨氮能力的微生物的研究报道。

通过测定Gan-35发酵液中的硝氮和亚硝氮的生成量,发现该菌可将氨氮转化成其自身所需或对环境有益的物质,而仅生成微
量的硝酸盐和亚硝酸盐。

3.伯克霍尔德菌Gan-35降解氨氮条件的优化研究表明,其最佳碳源为葡萄糖;最佳降解条件为:pH7.0、接种量10%、发酵时间48 h、温度30?C、C/N比值为10:1;在转速150 rpm时氨氮降解率最高可达68.6%;在为期12天的氨氮降解实验中发现,在1000 mg/L的高浓度氨氮环境中,Gan-35菌不仅具有高效的氨氮降解能力,而且还可促进植物的生长。

故Gan-35菌是赣南稀土矿山废弃地高氨氮污染修复的潜在菌种,具有重要的应用价值。

4.对伯克霍尔德菌Gan-35进行了全基因组测序,从其序列中拼接并组装成47个染色体Scaffold序列、2个质粒序列和预测出7519个基因,其中有5596个蛋白具有COG编号,在一级分类中参与基本代谢的蛋白数目最多;Gene Ontology注释显示共有5078个蛋白具有GO预测信息;基因预测发现,在Gan-35中存在硒代半胱氨酸(SeC)的tRNA。

在基因组中找到完整的反硝化途径的酶系,包括硝酸还原酶、周质硝酸还原酶、亚硝酸还原酶、一氧化氮还原酶,但缺失经典硝化途径的酶系。

上述功能基因的揭示为后续开展伯克霍尔德菌Gan-35降解氨氮的分子机理和构建具有高效降解氨氮能力的工程菌株奠定了基础。