锰氧化细菌

锰是人体必需微量元素,但锰过多又可造成中枢神经功能紊乱。在自然环境中,微生物直接或者间接地成为锰循环的主要催化剂。在Mn(Ⅱ)的污染及治理中,微生物也成为人们首先考虑的对象。在当前的微生物治理锰污染的研究中,基础研究和应用已经有了较大进展,主要是利用锰氧化微生物氧化Mn(Ⅱ)至Mn(Ⅳ)     

生物地球化学锰循环中的微生物胞外电子传递机制

微生物是生物地球化学元素循环的重要驱动者,在锰等变价金属元素的氧化还原过程中起着至关重要的作用。近年来,Mn(Ⅲ)的发现以及在一些环境中的广泛存在,丰富了人们对Mn(Ⅲ)以及自然界锰循环过程的认识。研究发现,锰的生物地球化学循环,尤其是锰还原过程,与微生物胞外电子传递紧密相关,且目前已知的5种胞外电子传递机制均与锰还原有关联。因此,本文综述了锰的生物地球化学循环及其意义,并从微生物胞外电子传递的机制、微生物介导锰氧化、微生物介导锰还原等3个方面来介绍参与锰循环的微生物多样性;以及微生物地球化学锰循环的环境意义。对微生物参与锰循环过程的研究不仅可以进一步丰富相关理论,同时也能推动生物除锰、污染物原位修复及生物冶金等应用领域的发展。     

锰氧化菌Bacillus sp. MK3-1的Mn(Ⅱ)氧化特性和除锰能力研究

锰氧化微生物能够将可溶的Mn(II)氧化为不溶的锰氧化物沉淀, 因此在生物除锰研究上具有重要的应用价值。本研究从锰污染土壤中分离到一株锰氧化菌Bacillus sp. MK3-1, 该菌对MnCl2有较高抗性, 其最低抑制浓度(Minimal inhibitory concentration, MIC)为20 mmol/L。实验表明该菌在培养基中Mn(Ⅱ)的去除率高达96%, 同时将其制成固体包埋菌剂应用于含0.15 mmol/L的MnCl2水溶液实验, 结果表明其仍然具有稳定的除锰能力, 去除率为87.12%, 使溶液的终锰浓度符合国家排放标准。扫描电子显微镜观察和能谱分析实验表明, 实验产生的锰氧化物均匀地分布在Bacillus sp. MK3-1的细胞表面, 细胞表面含锰量为19.60% (W/W)。用简并引物扩增目前被认为催化锰氧化的多铜氧化酶基因mnxG, 获得了903 bp的基因片段, 其基因产物与已报道的多铜氧化酶具有86%的同源性。     

细菌氧化锰的分子机制

摘要: 氧化锰是在生物地球化学循环中起重要作用的一种高反应活性矿物, 而微生物对Mn(Ⅱ)的氧化作用是自然界中氧化锰矿物形成的主要动力。目前从海水、淡水、土壤和矿石等环境中分离到的多种细菌表现出对Mn(Ⅱ)的氧化作用, 对其相关基因与细菌锰氧化分子机制的研究已取得了一定的进展。本文简要总结了几类主要锰氧化细菌的锰氧化基因的结构与功能、基因表达的调控影响因素以及多铜氧化酶的结构和特性, 并对目前在细菌锰氧化作用的分子机制研究中存在的部分悬疑问题及未来研究方向进行了分析。     

一株抗锰土壤芽胞杆菌的分离鉴定与生物学活性分析

从山东崅屿采集的黄棕壤中分离得到一株具有抗Mn(Ⅱ)和Mn(Ⅱ)氧化双重活性的芽胞杆菌,其最高Mn(Ⅱ)耐受浓度达到130mmol/L,对Mn(Ⅱ)的氧化活性为3.3μmol/(L·d)。通过个体形态与培养特征观测、生理生化反应、G+Cmol%测定和16SrDNA序列比对分析等鉴定,确定该菌株为巨大芽胞杆菌(Bacillus megaterium),命名为MB283。该菌株在添加Mn(Ⅱ)(10mmol/L)条件下比不添加Mn(Ⅱ)表现出相对较快的生长速率。采用高温培养并结合0.01%SDS处理,从MB283菌株筛选到一株发生内生质粒消除的突变株MB287,具有与野生菌株类似的锰耐受活性,且对Mn(Ⅱ)的氧化活性与野生菌株相比无明显改变,表明野生菌株MB283中与锰抗性和锰氧化相关的基因可能是定位于该菌的染色体上。     

一株高锰氧化活性大肠杆菌的分离鉴定和多铜氧化酶基因的克隆与结构特性

锰氧化物是Mn(Ⅱ)经生物和化学氧化后形成的矿物成分,在元素生物地球化学循环过程中起着重要作用,而不同种类的细菌对Mn(Ⅱ)的氧化作用是自然界中氧化锰矿物形成的主要成因.从山东崅峪采集的铁锰结核棕壤中分离得到一株具有高锰氧化活性的土壤杆菌,其对Mn(Ⅱ)的氧化作用活性明显高于其它分离菌株,达到65 μmol/L.通过个...     

Mn(Ⅱ)氧化细菌Pseudomonas aeruginosa L3的分离、鉴定及氧化特性

【背景】Mn(Ⅱ)氧化细菌是一类可以沉积和氧化Mn(Ⅱ)从而形成固态锰氧化物的细菌,在生物地球化学和环境修复领域中引起了广泛关注,但目前所研究的Mn(Ⅱ)氧化模式菌株中大多来源海洋,土壤源Mn(Ⅱ)氧化细菌涉及较少。【目的】丰富土壤源Mn(Ⅱ)氧化细菌的来源与物种多样性,同时也为方铁锰矿型Mn₂O₃的潜在应用提供新菌种。【方法】从湖南省株洲市已关停的清水塘冶炼工业园区内筛选得到一株具有Mn(Ⅱ)氧化能力的铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa) L3,并就其分离纯化、鉴定、生长曲线、pH变化、Mn(Ⅱ)氧化特性及锰氧化物制备等方面进行系统研究。【结果】Pseudomonas aeruginosa L3的菌液离心后的上清液及提取的绿脓菌素(pyocyanin, PYO)均具有Mn(Ⅱ)氧化能力,与菌液相比,上清液对Mn(Ⅱ)氧化的能力更强。进一步利用X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)对Pseudomonas aeruginosa L3产生的锰氧化物进行晶相分析,发现该锰氧化物在2θ为32.951°和5...     

PSⅡ系统放氧复合物中的锰簇模型物

合成了6个模型化合物并用以探讨PSⅡ的放氧复合物(OEC)中Mn簇的结构特征.模型物包含Mn2(μ-O)2和μ-O-μ-羧桥联的二锰结构单元,这些单元中的Mn-Mn、Mn……Mn和Mn-O(N)结构参数与PSⅡ系统OEC的相应数据一致,暗示OEC中Mn簇可能具有类似的结构特点.还有两个模型物包含了卤素阴离子,它们被用于讨论PSⅡ中Cl-与Mn的联系.讨论认为,在5个PSⅡ的S态中,具有高价锰中心的S态较之其他S态更有可能因为配体交换而导致Cl-与Mn的配位.     

动物血红素过氧化物酶参与细菌氧化Mn(Ⅱ)的研究进展

锰氧化物是自然环境中一种重要的高活性矿物,在多种元素的生物地球化学循环中起着重要作用。细菌对锰氧化物的形成具有推动作用。截至目前,研究者已从环境中分离出多株锰氧化细菌,并在氧化机理的研究上取得了一定的进展。目前细菌中已知的锰氧化酶包括多铜氧化酶和动物血红素过氧化物酶。与多铜氧化酶相比,动物血红素过氧化物酶在蛋白结构与氧化方式上都具有自己的特点。本文结合国内外最新研究结果,在氧化菌株、氧化酶和基因、氧化方式及影响因素等方面对动物血红素过氧化物酶参与细菌氧化Mn(Ⅱ)的研究进行了总结,对未来研究方向进行了展望。     

五株产MnCO3细菌的除锰特性

本研究从湖南省某锌锰矿矿口和天津市西青玛钢厂锰原料仓库土样中富集分离获得5株对锰有去除能力的抗锰细菌, 将其命名为J2-3、J4-3、J12-1、JM3-2和JD。形态学、生理生化分析和16S rRNA基因测序等结果表明它们分别归属为氢噬孢菌属、分枝杆菌属、红球菌属、不动杆菌属和芽孢杆菌属。JD和JM3-2菌的Mn(Ⅱ)抗性最低抑制浓度(MIC)为2 mmol/L, J2-3、J4-3和J12-1菌为12 mmol/L。X射线晶体衍射分析表明这5株抗锰菌随生长生成了MnCO3沉淀而将Mn(Ⅱ) 从溶液中去除。其中JD和JM3-2的锰去除率分别为94.28% ± 0.1%和93.10% ± 3.1%。其他菌的锰去除率也均在85%以上。研究发现培养基的pH由起始的7.0变为最终8.5以上, 推测其除锰原理可能是由于菌体代谢改变了培养基pH而将可溶的MnCl2转化为不溶的MnCO3沉淀。本研究证实了和以往报道的锰氧化细菌不同的新型除锰细菌。     

对锰离子参与类Fenton反应机理的研究

锰主要以Mn2 形式存在,有人发现其具有与其他过渡性金属离子截然相反的抗氧化活性,采用自旋捕捉-ESR技术、芳环羟基化反应-高效液相色谱(HPLC)法和琼脂糖电泳法三种方法研究Mn2 参与类Fenton反应的情况时,均检测到Mn2 与H2O2反应产生.OH,Mn2 与H2O2反应可以发生类Fenton反应,产生.OH。这一现象的产生可能是Mn2 引起生物体内氧化损伤之故。同时显示,Mn2 的类Fenton反应是否产生.OH与反应过程Mn2 以及其他成分浓度有关(如高浓度抑制,低浓度促进),为诸多文献中Mn2 作为促氧化剂还是抗氧化剂的争论提供了可能解释。同时Mn2 能引起.OH持续低量的产生为一些慢性疾病的发生提供了合理的解释。     

锰对葡萄根中离子吸收及抗氧化酶系统的影响

以2个葡萄品种(金手指、康拜尔)为材料,采用温室沙培实验,研究不同浓度Mn处理对葡萄根中离子吸收及抗氧化酶活性的影响.结果表明,随着Mn2+浓度的增大,葡萄根中元素含量呈现不同的变化,总体上看Ca和Mg的含量降低,Mn、Cu和Zn的含量增加,Fe含量则随锰处理浓度增加呈先下降后略有升高的趋势.在抗氧化系统中POD活性随 Mn浓度的升高而逐渐降低,而CAT和APX酶活性呈先升高后降低的趋势,SOD活性变化不大,说明保护酶系统形成了一定的适应高锰胁迫的机制,这些抗氧化酶活性的增强能够提高葡萄适应和抵抗重金属胁迫的能力.     

光合作用氧释放机理研究进展

植物在光合作用过程中不仅为同化CO2提供能量和还原力,同时裂解水放出氧气。放氧反应主要由光系统Ⅱ(PSⅡ)氧化侧的4个锰原子组成的锰簇催化完成的。因此,锰簇在光合放氧过程中起看至关重要的作用。文章概述了对锰簇及其微环境的结构和功能的研究进展。     

锰对外生菌根真菌生长、养分吸收、有机酸分泌和菌丝体中锰分布的影响

外生菌根真菌对于酸性和锰污染土壤的植树造林和生态恢复有重要作用。采用液体培养方法,以大白菇Rd Fr(Russula delica Fr.)、彩色豆马勃Pt 715(Pisolithus tinctorius 715)、土生空团菌Cg Fr(Cenococcum geophilum Fr.)和厚环粘盖牛肝菌Sg Kl S(Suillus grevillei(Kl.)Sing)为供试对象,研究了Mn2+对外生菌根真菌生长、养分吸收、有机酸和氢离子分泌的影响,以及锰在菌丝细胞内外的分布情况。结果表明:在0—800 mg Mn2+/L的培养液中,Mn2+对Rd Fr生长无显著影响;低浓度的Mn2+刺激Sg Kl S生长,中、高浓度无抑制作用;但大幅度降低Pt 715和Cg Fr的生物量,说明Rd Fr和Sg Kl S抗(耐)锰的能力较强。在Mn2+胁迫下,供试菌株的氮、钾含量和吸收量显著降低;含磷量和吸收量,以及草酸和柠檬酸的分泌速率因菌株不同而表现出多样性,说明在减轻Mn2+毒的过程中,磷酸盐(或聚磷酸盐)对Mn2+固定作用和有机酸的络合作用因菌株不同而异。但是,Mn2+显著降低Rd Fr和Sg Kl S的氢离子分泌速率,菌丝和原生质中的含Mn量显著低于敏感性菌株,说明降低Mn2+的活性和减少吸收可能是外生菌根真菌抗(耐)Mn2+的重要机制。此外,菌丝吸收的Mn2+绝大部份存在于质外体,少量进入细胞,前者是后者的5.23—9.21倍,说明原生质膜是外生菌根真菌防御Mn2+进入细胞的重要屏障。     

青葙对土壤锰的耐性和富集特征

通过盆栽试验,研究了青葙(Celosia argentea Linn.)对不同浓度(0、50、100、200、300、500 mg/kg)锰(Mn)污染土壤的吸收和积累特性。结果表明,青葙的锰含量、生物富集系数和生物量均随着土壤锰浓度的增加而增加。当土壤锰含量为300 mg/kg时,青葙生长良好。在锰浓度500 mg/kg时,青葙叶片边缘出现轻微褪绿现象,但是植株的生长未受到抑制,并且叶片生物量显著增加(P0.05)。此时,叶片中锰含量达到最大值42927 mg/kg,生物富集系数为69.20。青葙吸收的锰有95%—97%被转移到地上部分,表明该植物对锰具有很强转运能力。本研究的结果为利用青葙修复锰污染土壤提供了有力证据。     

N端缺失的锰过氧化氢酶生理生化特性

【目的】在红球菌(Rhodococcus sp.)R04中发现了一种高表达,N端缺失的锰过氧化氢酶(Mn-CAT),为了明确其在活性氧(Reactive oxygen species,ROS)清除与多氯联苯(Polychlorinated biphenyls,PCBs)代谢中所起的作用,本文对其生理生化特性进行了研究。【方法】利用DNAMAN对Rhodococcus sp.R04与Rhodococcus sp.R1101Mn-CAT的核酸和蛋白序列进行比对。化学合成和PCR搭桥法获取Mn-CAT全长基因。分别构建了原核表达载体p ETm3c-Mn-CAT,p ETm3c-Mn CAT-C,转入大肠杆菌(Escherichia coli)BL21,得到重组菌p ETm3c-Mn-CAT/BL21,p ETm3c-Mn CAT-C/BL21。工程菌诱导表达后,粗酶液经Q-sepharose和硫铵沉淀进行纯化。构建了锰过氧化氢酶C端(Mn CAT-C)基因的敲除载体p K18mobsac B-ΔMn CAT-C,电击法转入Rhodococcus sp.R04。荧光极化测定ROS的含量,HPLC分析多氯联苯的降解率。【结果】与Rhodococcus sp.R1101Mn-CAT基因序列相比,Rhodococcus sp.R04Mn-CAT缺少N端(R1101的Mn-CAT序列长度为915bp,R04的Mn CAT-C序列长度为468bp)。获得了纯度较高的Mn CAT-C,SDS-PAGE分析表明分子量约为23 k Da。以H2O2为底物时,Mn CAT-CKm比Mn-CATKm大,约为0.02357mol/L。通过基因同源重组的方式,得到菌株R04的Mn CAT-C敲除菌株,与野生菌株相比,敲除菌株体内ROS浓度显著增高,生长速率和多氯联苯降解速率明显下降。【结论】发现了一种N端缺失的锰过氧化氢酶,该酶具有原酶的大部分活性,且可以清除体内的ROS。Mn CAT-C基因的缺失影响了菌株的生长速率和多氯联苯的降解速率。     

从菠菜制备的47kD/D1/D2/Cyt b559 PSⅡ反应中心蛋白复合物

菠菜的PSⅡ颗粒在pH 6.0、有抗坏血酸钠及甘油存在的条件下,用Triton X-100处理后,经过DEAE-Toyopearl 650S离子交换层析柱分离,可得一个由47 kD,D1,D2及Cyt b559组成的PSⅡ反应中心蛋白复合物.纯化的蛋白质复合物在DPC存在下,具明显的光还原DGIP光化学活性,且在暗及光照条件下显示出SignalⅡ_(slow)及Signal Ⅱ_(fast)。低温吸收光谱和荧光光谱表明,复合物中只有叶绿素a存在;用有机溶剂抽提复合物的色素,采用一种灵敏的荧光分析方法并结合分光光度法进行分析,也证实了这点。此复合物有锰的存在,重要的化学成分中Chl a/Pheo a/Cyt b559/Mn原子的摩尔比为:18.4:2:0.8:0.3。这些结果表明;此复合物含有从PSⅡ第二电子供体Z到第一电子受体Q_A的完整光系统Ⅱ电子传递链的所有组分,同时也暗示复合物可能含有锰原子结合部位。为我们(Tang 1985)提出的水裂解系存在于PSⅡ反应中心系之中的观点提供了佐证。     

垂序商陆繁殖期各器官锰富集规律及其对种子萌发的影响

通过室内盆栽实验,以锰超累积植物垂序商陆植株为材料,比较了不同供锰水平(0.005、0.1、1.0mmol/L)下种子成熟过程中各器官锰含量的动态变化及所产种子的萌发率,旨在了解高锰条件下垂序商陆在繁殖期体内锰富集规律及其对繁殖能力的影响。结果发现:(1)在垂序商陆种子成熟过程中,各处理组植株的根、茎、叶、果实中锰含量均随时间推移呈逐渐增加趋势,且植物器官中锰含量随环境中锰浓度升高而提高;种子内的锰含量变化规律在对照组和处理组之间不同,对照组(0.005mmol/L)先小幅下降后持续增加,而处理组(0.1与1.0mmol/L)则先持续增加,至末期出现不同程度的降低。(2)相同锰浓度环境条件下,种子成熟后期各器官锰含量均表现为种子茎根果实(包括种子)叶。(3)GC-MS分析表明果汁中有机酸主要成分为草酸与少量的2-羟基丙酸,有机酸的成分与含量在各组间无明显不同。(4)随锰浓度增加,种子中锰含量增加,而萌发率则逐渐降低,且各组间差异极显著。研究结果提示,垂序商陆植株各器官内锰积累量与环境中锰浓度密切相关,其在种子成熟过程中会对体内多余的锰在各器官进行合理分配,以减小锰富集带来的有害效应从而完成自身生命周期,并可能在种子成熟末期采取降低种子中锰的分配量来提高萌发率从而保证高繁殖能力,果浆的可溶性水环境及所含有机酸在繁殖期植株解锰毒中发挥了重要作用。     

锰污染对酸模叶蓼生长、锰吸收及抗氧化物活性的影响

采用土培方法,研究了广西某锰矿区未开采区、探矿区、恢复区、开采区和尾矿坝的土壤对酸模叶蓼(Polygonum lapathifolium Linn.)的生长、Mn吸收及抗氧化酶系统的影响。结果表明,酸模叶蓼的根、茎、叶中Mn含量随着土壤Mn浓度的增加而增加,Mn含量依次为根茎叶;尾矿坝土壤中(T6处理),叶片Mn含量达到最大值5566.9 mg/kg。锰污染显著提高了酸模叶蓼叶片中H_2O_2和MDA的含量,但锰污染对酸模叶蓼的生物量无显著影响。锰污染土壤显著降低了酸模叶蓼叶片中SOD、POD、APX和As A等抗氧化物的活性,而CAT的活性则呈先上升后下降的趋势,表明Mn污染促使酸模叶蓼启动了抗氧化酶系统;Mn污染同时显著提高了酸模叶蓼叶片中-SH、GSH和PCs的含量,表明-SH、GSH和PCs在解毒酸模叶蓼Mn毒害的过程中起重要作用。     

超富集植物短毛蓼对锰的富集特征

通过野外调查和营养液培养试验,研究了锰在短毛蓼体内的富集特征和对其生长的影响.在锰含量高达2.5×105mg/kg的锰矿废弃地上短毛蓼生长良好,叶锰含量高达1.66×104mg/kg.营养液培养条件下,随着生长介质中Mn浓度的升高,短毛蓼根、茎、叶中的Mn含量逐渐增加,当锰供应水平为1.000mmol/L时,叶锰含量超过10000mg/kg;当锰供应水平为20 000mmol/L时,短毛蓼仍能生长,根、茎和叶3部分的锰含量均达到最大值,分别为9923,18112mg/kg和55750mg/kg.在所有锰供应水平下,短毛蓼茎和叶中的锰含量都比根部的高.结果表明,短毛蓼是一种锰超富集植物,这一发现为锰污染土壤的植物修复和探讨锰在植物体内的超富集机理提供了一种新的种质资源.