土壤活性顆粒對(duì)細(xì)菌吸附及活性影響的機(jī)制.pdf

1、土壤礦物與膠體對(duì)細(xì)菌吸附及活性的調(diào)控作用深刻影響著土壤中生物膜形成、礦物風(fēng)化、元素循環(huán)、有機(jī)質(zhì)分解、團(tuán)聚體穩(wěn)定性、污染物歸趨等諸多關(guān)鍵生物地球化學(xué)過(guò)程。時(shí)至今日，土壤活性顆粒與細(xì)菌界面相互作用的分子機(jī)制還很不清楚。本研究選取革蘭氏陰性細(xì)菌大腸桿菌（Escherichia coli）、惡臭假單胞菌（Pseudomonas putida）、根癌農(nóng)桿菌（Agrobacterium tumefaciens）及副球菌（Paracoccus sp.

2、）和革蘭氏陽(yáng)性的枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）作為供試菌株，以葡聚糖、牛血清白蛋白與多聚-L-賴(lài)氨酸作為細(xì)胞表面大分子的相似物，以高嶺石、蒙脫石、針鐵礦、白云母、紅壤與棕壤膠體作為供試的土壤顆粒。采用傳統(tǒng)物理化學(xué)及微生物學(xué)方法，借助原子力顯微鏡、等溫微量熱、衰減全反射傅里葉變換紅外光譜、熒光顯微鏡與細(xì)胞染色等現(xiàn)代儀器分析技術(shù)，綜合運(yùn)用表面性質(zhì)表征技術(shù)、經(jīng)典膠體穩(wěn)定性理論(DLVO)計(jì)算與準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合等，旨在探

3、究在流動(dòng)系統(tǒng)中細(xì)菌與土壤膠體表面的吸附行為，生長(zhǎng)期對(duì)細(xì)菌在粘粒礦物表面吸附的影響，細(xì)菌與粘粒礦物間的復(fù)合形式和吸附力，粘粒礦物表面生物膜形成過(guò)程的納米尺度的表面形貌，細(xì)菌表面生物聚合物與礦物間的吸附力，細(xì)菌代謝活性對(duì)土壤活性顆粒的響應(yīng)特征。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴證實(shí)衰減全反射傅里葉變換紅外光譜技術(shù)可用于研究細(xì)菌在土壤膠體表面吸附的動(dòng)態(tài)過(guò)程。細(xì)菌與土壤膠體間的吸附符合準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。細(xì)菌細(xì)胞表面的蛋白質(zhì)參與了細(xì)菌與土壤膠體間

4、的吸附過(guò)程。在流動(dòng)系統(tǒng)中，細(xì)菌與土壤膠體可發(fā)生不可逆吸附。吸附的發(fā)生的驅(qū)動(dòng)力包括DLVO理論預(yù)測(cè)的一級(jí)能量最低點(diǎn)吸附能，及聚合物橋接、局部電荷異質(zhì)性、表面粗糙度與疏水性等非DLVO因素產(chǎn)生的作用能。⑵明確了生長(zhǎng)期不同導(dǎo)致細(xì)菌在粘粒礦物表面吸附的差異。建立了細(xì)菌在靜態(tài)與流動(dòng)系統(tǒng)中土壤粘粒礦物表面吸附的實(shí)驗(yàn)方法。在兩種水流狀態(tài)下，穩(wěn)定期均較指數(shù)中期細(xì)胞在高嶺石表面有更大的吸附密度。原因是穩(wěn)定期比指數(shù)中期細(xì)胞粒徑小及負(fù)電荷少，其與高嶺石間的二

5、級(jí)能量最低點(diǎn)較深及能壘更低。⑶在單細(xì)胞水平獲得了細(xì)菌與粘粒礦物間多樣的吸附方式及吸附力。細(xì)菌選擇性地主要與高嶺石邊面而非基面進(jìn)行結(jié)合，細(xì)菌與蒙脫石結(jié)合松散，而與針鐵礦結(jié)合緊密。首次測(cè)定了細(xì)菌與粘粒尺寸針鐵礦間的相互作用力。大腸桿菌(E.coli)與針鐵礦發(fā)生吸附時(shí)的引力為97±34 pN(10-12 N)，吸附4s后兩者間的吸附力與吸附能均達(dá)最大化，大小為-3.0±0.4 nN(10-9 N)與-330±43 aJ(10-18 J)。實(shí)

6、驗(yàn)測(cè)定的巨大吸附能足以使細(xì)胞與針鐵礦間發(fā)生不可逆吸附。⑷率先表征了細(xì)菌生物膜在粘粒礦物表面的形成過(guò)程。細(xì)菌在低營(yíng)養(yǎng)水平更易在粘粒礦物表面形成生物膜，且大腸桿菌（E.coli在供試的細(xì)菌中生物膜形成的能力最強(qiáng)。⑸獲得了細(xì)菌表面蛋白質(zhì)及多糖與層狀硅酸鹽礦物間的吸附力。在弱酸性環(huán)境中，離子強(qiáng)度的增加顯著降低了帶正電荷的蛋白質(zhì)及葡聚糖與白云母間的吸附力。靜電引力減弱和聚合物分子構(gòu)型變成了致密壓縮狀態(tài)是吸附力降低的主要原因。從酸性到堿性溶液環(huán)境，

7、生物大分子與白云母間的吸附力顯著降低。靜電引力與氫鍵數(shù)量的降低是吸附力變?nèi)醯年P(guān)鍵原因。在所有供試的條件下，多聚-L-賴(lài)氨酸與白云母間的吸附力均高于牛血清白蛋白及葡聚糖。在酸性環(huán)境中，牛血清白蛋白與白云母間的吸附力高于葡聚糖，而在堿性環(huán)境中，反之。⑹闡明了細(xì)菌代謝活性對(duì)土壤活性顆粒的響應(yīng)特征。土壤活性顆粒促進(jìn)大腸桿菌（E.coli）與枯草芽孢桿菌（B.subtilis）的代謝活性，而抑制惡臭假單胞菌(P.putida)與副球菌(Parac