納米氣泡對枝孢菌錳氧化過程的影響及其機(jī)理

朱麗娜,劉蘊(yùn)思,李 攀*

納米氣泡對枝孢菌錳氧化過程的影響及其機(jī)理

朱麗娜1,劉蘊(yùn)思2,李 攀1*

(1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200092；2.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,北京 100085)

以錳氧化枝孢菌sp. XM01作為研究對象,通過檢測不同濃度納米氣泡水配制的培養(yǎng)基中枝孢菌的錳去除速率和表觀形態(tài),探究納米氣泡對單菌種錳氧化枝孢菌錳氧化過程的影響,并通過枝孢菌在不同濃度的納米氣泡培養(yǎng)下基因表達(dá)結(jié)果探究其機(jī)理.結(jié)果表明,由于納米氣泡的緩釋性和富氧作用,7.49×106particles/mL的低濃度納米氣泡能促進(jìn)枝孢菌的錳氧化過程;而濃度為7.49×107particles/mL的高濃度納米氣泡則可能因高氧壓力抑制枝孢菌的錳氧化過程.因此,可利用低濃度納米氣泡高效獲取生物錳氧化物.這一發(fā)現(xiàn)在提高制備生物錳氧化物的效率和經(jīng)濟(jì)性的同時拓展了納米氣泡和生物錳氧化在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用范圍.

納米氣泡；生物錳氧化；枝孢菌；基因表達(dá)；經(jīng)濟(jì)性；機(jī)理

近年來,納米氣泡由于其超高穩(wěn)定性、負(fù)Zeta電位和可產(chǎn)生羥基自由基等獨特性質(zhì)[1],已在醫(yī)療、環(huán)境、農(nóng)業(yè)和化工等領(lǐng)域展示了廣闊的應(yīng)用前景[2-6].在環(huán)境領(lǐng)域,目前已有學(xué)者將其應(yīng)用于河湖治理、土壤修復(fù)等方面,并取得較好的效果.自“水十條”發(fā)布以來,納米氣泡在河湖治理方面的研究顯著增多,徐彬等[7]發(fā)現(xiàn)納米氣泡能對對太湖入湖河道進(jìn)行水體原位凈化,使入湖水質(zhì)達(dá)到國家地表水Ⅱ～Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn);楊強(qiáng)等[8]發(fā)現(xiàn)納米氣泡能通過提高水體溶解氧含量,降低水體中TDS(溶解性固體總量)含量改善城市河道水生態(tài)環(huán)境;葉春等[9]使用納米曝氣對采用了植物浮床處理的河道進(jìn)行了脫氮實驗,結(jié)果顯示納米曝氣和浮床技術(shù)連用具有良好的除氮效果.此外,研究者對納米氣泡對土壤或沉積物中污染物降解進(jìn)行探究,Jenkins等[10]在使用菌株與納米曝氣聯(lián)合降解土壤中二甲苯的實驗中發(fā)現(xiàn)氧氣納米曝氣能提離微生物菌株的活性,強(qiáng)化二甲苯的降解過程;陳旭露等[11]在納米曝氣改善海體底泥污染的實驗中發(fā)現(xiàn)納米氣泡不但能消減底泥中污染物,還能増強(qiáng)污泥中細(xì)菌活性,提高污泥污染物的持續(xù)降解效果;Zhang等[12]發(fā)現(xiàn)氧氣納米氣泡改性黏土原位覆蓋技術(shù)能夠防止沉積物向上覆水釋放污染物從而有效控制河湖內(nèi)源污染.

目前已有研究探究納米氣泡對動植物的影響,結(jié)果表明,納米氣泡的應(yīng)用可提高種子的發(fā)芽率[13],促進(jìn)植物生長[14],加速小鼠和貝類的生長[15],能抑制腫瘤細(xì)胞的發(fā)育[16],但是納米氣泡促進(jìn)生理活性的機(jī)理還不清楚.此外,在納米氣泡對微生物群落影響的研究中,王碩等[17]發(fā)現(xiàn)納米氣泡曝氣對微生物具有較強(qiáng)的選擇性,幾乎可以完全抑制厭氧微生物在水體中的生長,使好氧微生物成為優(yōu)勢菌種,顯著提高了水體的可生化性,從而加速了水體內(nèi)污染物的降解.在納米氣泡對單一菌種影響的研究中, Guo等[1]研究表明空氣納米氣泡水能促進(jìn)嗜酸乳桿菌1028的生長并通過發(fā)酵提高益生菌的生產(chǎn)效率,Hou等[18]發(fā)現(xiàn)空氣納米氣泡水能改善厭氧消化過程中微生物電子轉(zhuǎn)移和提高各階段相應(yīng)酶活性,從而減輕高鹽度對食物垃圾厭氧消化產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷的抑制作用.雖然近兩年來,已有研究者開始研究納米氣泡對微生物的影響,但納米氣泡對微生物尤其是單菌株的影響及其機(jī)理的相關(guān)研究仍十分有限,從而限制了納米氣泡的進(jìn)一步推廣應(yīng)用.

錳氧化物在自然界中含量豐富,廣泛地參與自然界中有機(jī)和無機(jī)化合物的氧化還原反應(yīng),影響多種物質(zhì)的形態(tài)、遷移和轉(zhuǎn)化,在生態(tài)循環(huán)中起著重要作用[19-20].近年來,研究發(fā)現(xiàn)錳氧化微生物(細(xì)菌、真菌等)在河流、湖泊、土壤、沉積物等環(huán)境中廣泛存在, 其Mn(Ⅱ)氧化速率比非生物Mn(Ⅱ)氧化速率高1～5個數(shù)量級[21-23],且其產(chǎn)物生物錳氧化物比化學(xué)錳氧化物擁有更高的比表面積和表面活性,因而在環(huán)境治理方面生物錳氧化物比化學(xué)錳氧化物去除污染物的速率要快幾倍甚至幾萬倍以上[24-26],這些優(yōu)勢使得生物錳氧化已成為一個新的研究和應(yīng)用熱點.錳氧化菌的產(chǎn)物生物錳氧化物具有優(yōu)異吸附能力與高效氧化性能,已作為一種綠色環(huán)保的氧化劑、吸附劑和催化劑逐漸被推廣應(yīng)用于土壤修復(fù)、人工濕地、給水處理等環(huán)境領(lǐng)域[27-29].

考慮到納米氣泡和生物錳氧化在環(huán)境領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛,研究納米氣泡水對錳氧化菌錳氧化過程的影響非常必要.故本研究選取錳氧化真菌(sp. XM01)作為研究對象[30],通過考察錳氧化真菌的錳去除速率、表觀形態(tài)及基因表達(dá)在不同濃度的空氣納米氣泡培養(yǎng)下的響應(yīng),探究空氣納米氣泡對單菌種錳氧化枝孢菌錳氧化過程的影響及其機(jī)理以期為納米氣泡和生物錳氧化在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論支撐.

1 材料與方法

1.1 菌株與培養(yǎng)基的配置

研究所用的菌株枝孢菌sp. XM01為野生型具有高錳氧化活性的真菌,由本實驗室篩選并保存(中國普通微生物菌種保藏管理中心,CGMCC NO. 21083)[30].實驗采用的錳氧化枝孢菌保存于固體培養(yǎng)基,本實驗在含液體培養(yǎng)基的250mL錐形瓶中進(jìn)行,該液體培養(yǎng)基配料如下: 3mmol/L CH3COONa·3H2O,150mg/L酵母膏, 200μmol/L MgSO4·7H2O,30μmol/L K2HPO4,50μmol/ L CaCl2·2H2O,80μmol/L H3BO3,7.4μmol/L FeCl3·6H2O, 3.0μmol/L ZnSO4·7H2O,2.4μmol/L Na2MoO4·2H2O, 0.04μmol/L CuSO4·5H2O,20mg/L Mn(Ⅱ).

1.2 納米氣泡無菌水制備裝置

由于高溫高壓滅菌或超聲滅菌會破壞納米氣泡的穩(wěn)定性、以及過濾滅菌會導(dǎo)致納米氣泡水濃度大幅降低,實驗采用自行設(shè)計的納米氣泡無菌水制備裝置(圖1).采用加壓溶氣式納米氣泡發(fā)生法,進(jìn)氣為空氣,純水通過增壓泵進(jìn)入溶解池,空氣在溶解室中加壓溶解(0.4～0.5MPa).液體釋壓后產(chǎn)生微納米氣泡并進(jìn)入無菌瓶,在消毒柜中經(jīng)過10h以上的停留時間消毒滅菌(紫外UV消毒,30μw/cm2)和排除微米級氣泡后使用.

圖1 納米氣泡無菌水制備裝置

1.3 納米氣泡對真菌錳氧化過程的影響實驗

采用圖1所述裝置生成納米氣泡無菌水,其中低濃度納米氣泡無菌水(7.49′106particles/mL)為生成的高濃度納米氣泡無菌水(7.49′107particles/mL)稀釋10倍制得.實驗設(shè)置控制組(無處理)、低濃度納米氣泡組(LNB)和高濃度納米氣泡組(HNB).在錐形瓶中培養(yǎng)枝孢菌:T=25℃,pH = 7.0,Mn(Ⅱ) = 20mg/L,并添加相同體積的純水(控制組)、低濃度NB無菌水(LNB組)和高濃度NB無菌水(HNB組).由于納米氣泡具有長時間維持水體溶解氧作用,該實驗采用靜置恒溫培養(yǎng).間隔一定時間取樣,對溶液中殘余Mn(Ⅱ)濃度進(jìn)行測定;并在培養(yǎng)周期開始和結(jié)束時對液體培養(yǎng)基的溶解氧進(jìn)行測定;培養(yǎng)結(jié)束后將錳氧化枝孢菌XM01洗滌并冷凍干燥用于傅里葉紅外光譜檢測和真核無參轉(zhuǎn)錄組測序.

1.4 納米氣泡對錳氧化真菌影響的檢測方法

納米氣泡通過納米顆粒跟蹤分析儀(Zetaview, Particle Metrix)進(jìn)行測定,測定原理是通過動態(tài)光散射測定10～2000nm粒徑的氣泡分布與濃度.

二價錳的測試采用甲醛肟分光光度法[31],甲醛肟溶液: 4% (/)鹽酸羥胺 + 0.74%甲醛(/);反應(yīng)液1: 60%甲醛肟溶液(/) + 40%氨水(/);反應(yīng)液2: 0.1mol/L鹽酸;反應(yīng)體系為反應(yīng)液1: 2: 樣品= 1: 10: 1(樣品最后加),加完顯色15min,在450nm波長下測量吸光度.

溶解氧濃度采用哈希便攜式溶解氧儀測定, 該方法通過藍(lán)光照射熒光物質(zhì)(氧分子)使其激發(fā)出紅光,激發(fā)出紅光的時間和強(qiáng)度與氧分子濃度成反比,通過激發(fā)紅光即可得出氧分子的濃度.為了避免交叉污染,每次測定前均用蒸餾水潤洗.

在培養(yǎng)160h后,將培養(yǎng)液中錳氧化菌進(jìn)行收集、清洗、冷凍干燥預(yù)處理,隨后將凍干后的樣品與溴化鉀混合并研磨成粉末,并在5MPa壓力下按壓5min制成薄片.光譜由傅里葉紅外光譜儀(ScientificNicolet-iS5, Thermo)獲得,光譜范圍為400 ～ 4000cm-1.

采用真核無參轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)對錳氧化枝孢菌XM01在不同實驗條件下的RNA表達(dá)進(jìn)行測序與分析.真核mRNA測序基于Illumina Novaseq 6000(Illumina,美國)測序平臺,對真核生物特定組織或細(xì)胞在某個時期轉(zhuǎn)錄出來的所有mRNA進(jìn)行測序,測序?qū)嶒灢捎肐llumina TruseqTM RNA sample prep Kit方法進(jìn)行文庫構(gòu)建.

1.5 納米氣泡對錳氧化真菌影響的數(shù)據(jù)分析

傅里葉紅外光譜(FTIR)數(shù)據(jù)使用OMNIC軟件進(jìn)行處理.

為保證后續(xù)的生物信息分析的準(zhǔn)確性,首先對原始測序數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾,從而得到高質(zhì)量的測序數(shù)據(jù)以保證后續(xù)分析的順利進(jìn)行.針對無參考基因組的轉(zhuǎn)錄組研究,獲得RNA-seq高質(zhì)量測序數(shù)據(jù)后, 需要將所有質(zhì)控后的測序讀段通過從頭組裝生成重疊群和單一序列, 最終得到組裝結(jié)果文件,同時對組裝結(jié)果進(jìn)行質(zhì)量評估.之后使用Kallisto軟件分別對基因的表達(dá)水平進(jìn)行定量分析,以便后續(xù)分析不同樣本間基因的差異表達(dá)情況,并可通過結(jié)合序列功能信息,揭示基因的調(diào)控機(jī)制.獲得基因的Read Counts 數(shù)后,對多組樣本(32組)項目進(jìn)行樣本間基因的表達(dá)差異分析,鑒定出樣本間差異表達(dá)的基因,進(jìn)而研究差異表達(dá)基因的功能.采用Goatools軟件對基因集中的基因/轉(zhuǎn)錄本進(jìn)行GO富集分析,使用方法為 Fisher 精確檢驗.采用Bonferroni方法對值進(jìn)行校正,當(dāng)經(jīng)過校正的值(FDR)<0.05時,認(rèn)為此GO功能存在顯著富集情況.

2 結(jié)果與討論

2.1 納米氣泡對枝孢菌錳氧化速率的影響

在納米氣泡對錳氧化真菌的影響實驗中,設(shè)置了控制組(Control)、低濃度納米氣泡組(LNB)和高濃度納米氣泡組(HNB).其中HNB組納米氣泡濃度與粒徑分布如圖2所示,氣泡平均粒徑為(208.2±13.6) nm,濃度為7.49′107particles/mL.Koichi等研究發(fā)現(xiàn)用超純水對納米氣泡水進(jìn)行稀釋時,不會影響氣泡的穩(wěn)定性,同時氣泡濃度與稀釋率具有線性相關(guān)性[32].因此,該試驗的LNB組納米氣泡水由HNB組稀釋10倍獲得,納米氣泡濃度為7.49′106particles/mL.

圖2 納米氣泡濃度與粒徑分布

控制組、LNB組和HNB組中枝孢菌的生長表觀形態(tài)和錳去除速率如圖3(a)和圖3(b)所示.在實驗中觀察到,枝孢菌發(fā)生Mn(Ⅱ)吸附或氧化時,真菌表面顏色由白色轉(zhuǎn)變?yōu)樽睾谏翌伾顪\程度與

圖3 枝孢菌在控制組、低濃度納米氣泡組(LNB)高濃度納米氣泡組(HNB)中的形貌及錳去除速率

Mn(Ⅱ)氧化過程是否徹底有關(guān).從表觀來看(圖3(a)),LNB組的枝孢菌氧化進(jìn)行得最為徹底.同時由圖3(b)可知,LNB組中錳去除速率得到明顯提升,在培養(yǎng)90h后LNB組的錳去除率是控制組的2.75倍;盡管在124h后控制組錳去除率上升,LNB組中枝孢菌的錳去除率仍然更高.而HNB組中枝孢菌的錳去除效果則明顯被抑制,在160h時錳去除率仍僅有60.64 %,為控制組的0.63倍.Wang等[33]在納米氣泡對水生植物生長影響的研究中發(fā)現(xiàn),納米氣泡可以增強(qiáng)向植物輸送氧氣的能力,同時適量的納米氣泡水平能促進(jìn)水生植物的生長,而過量的納米氣泡會抑制水生植物的生長和光合作用.這與納米氣泡對錳氧化枝孢菌錳氧化速率的影響是相似的,即濃度為7.49×106particles/mL的低濃度納米氣泡能促進(jìn)錳氧化枝孢菌的錳氧化過程,而濃度為7.49′107particles/mL的高濃度納米氣泡會抑制錳氧化枝孢菌的錳氧化過程.

2.2 培養(yǎng)過程中溶解氧的變化

為進(jìn)一步評估納米氣泡對枝孢菌錳氧化過程的影響,測定了單菌種液體培養(yǎng)初始與結(jié)束時的培養(yǎng)基溶解氧,結(jié)果如圖4所示.在控制組中,真菌生長需要大量的DO來呼吸,因此測量的最終DO值較低為4.67mg/L;HNB組最終DO值最高為5.89mg/L, LNB組次之為5.18mg/L,均高于控制組,即培養(yǎng)基最終DO值隨納米氣泡濃度的降低而降低.該結(jié)果證實,納米氣泡在水中可以長期存在并維持水中溶解氧水平.目前,錳氧化菌的人工培育多通過搖床培養(yǎng)實現(xiàn)[34-36].而利用納米氣泡的緩釋性和富氧作用,可以實現(xiàn)無搖床培養(yǎng),在節(jié)約能耗同時能提高枝孢菌的錳去除速率并使得生物錳氧化物制備擁有更高的效率和經(jīng)濟(jì)性,并有望利用納米氣泡耦合生物錳氧化技術(shù)實現(xiàn)河湖治理及土壤治理中生物錳氧化循環(huán).

圖4 控制組、LNB組和HNB組中培養(yǎng)初始與結(jié)束時溶解氧濃度

2.3 錳氧化真菌表征與基因表達(dá)的改變

采用傅里葉紅外變換光譜對控制組、LNB組和HNB組培養(yǎng)結(jié)束后的樣品表面官能團(tuán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征分析,結(jié)果如圖5所示.1030～1150cm-1區(qū)域?qū)?yīng)真菌細(xì)胞壁和細(xì)胞膜外側(cè)的多糖層,1079cm-1對應(yīng)核糖結(jié)構(gòu)上的C—O—C的伸縮振動峰[37]; 1600～ 1700cm-1屬于蛋白質(zhì)和肽形成的酰胺鍵,1654cm-1為蛋白質(zhì)α螺旋結(jié)構(gòu)上C=O的伸縮振動峰[38];2800 ～ 3000cm-1屬于真菌細(xì)胞膜中的脂肪酸,2925cm-1處的吸收峰屬于源于脂肪類物質(zhì)的—CH2—或—CH3的伸縮振動[39];3100～3500cm-1屬于真菌細(xì)胞的水化作用,3354cm-1處的吸收峰屬于游離醇O—H的伸縮振動峰[40-42].如圖5所示,在各區(qū)域段LNB、HNB和控制組都呈現(xiàn)了一致的趨勢;NB組細(xì)胞水化現(xiàn)象較控制組明顯,枝孢菌細(xì)胞膜多糖、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和脂肪酸含量均高于控制組,且LNB組均高于HNB組,表明枝孢菌在納米氣泡的存在下受到脅迫而增厚了細(xì)胞膜,而LNB組中細(xì)胞膜的增厚量反而高于HNB組的細(xì)胞膜增厚量;此外,核糖數(shù)量的增加會降低細(xì)胞表面的疏水性,降低枝孢菌與納米氣泡相互作用的程度[42].

對LNB組和HNB組的枝孢菌以控制組數(shù)據(jù)作為對照進(jìn)行真核無參轉(zhuǎn)錄組分析,該兩組的差異基因表達(dá)數(shù)目韋恩圖結(jié)果和GO功能富集分析結(jié)果如圖6所示,其KEGG富集基因圖如圖7所示,表1則展示了在LNB組和HNB組相較于控制組匹配數(shù)大于10的枝孢菌差異基因代謝通路.由圖6(a)可見,LNB組和HNB組共有差異表達(dá)基因數(shù)目為283個,而與控制組相比,LNB組差異基因表達(dá)數(shù)目顯著高于HNB組的數(shù)目.由圖6(b)可見,LNB與HNB組中在分子功能方面發(fā)生顯著富集的亞類有細(xì)胞活動(cellular process)和代謝過程(metabolic process);在細(xì)胞組分方面發(fā)生顯著富集的亞類是細(xì)胞器(organelle)、膜(membrane)和細(xì)胞(cell);在生物過程發(fā)生顯著富集的亞類是結(jié)合(binding)和催化(catalytic activity).其中結(jié)合(binding)和催化(catalytic activity)兩個亞類與Mn(Ⅱ)的吸附與降解相關(guān),且LNB組各項表達(dá)基因個數(shù)均顯著高于HNB組表達(dá)基因個數(shù).該結(jié)果與枝孢菌錳氧化速率的結(jié)果(圖3(b))相似,均表明LNB組中枝孢菌的細(xì)胞生命活動得到加強(qiáng),并加強(qiáng)了對Mn(Ⅱ)的吸附與氧化.

圖7 LNB組和HNB組相較于控制組KEGG顯著富集基因氣泡

在KEGG注釋代謝通路中,HNB組枝孢菌顯著富集的條目只有Ribosome(核糖體),且匹配數(shù)僅32;該結(jié)果與GO基因庫結(jié)果及枝孢菌錳去除速率結(jié)果(圖3(b))一致,表明HNB組盡管溶解氧水平維持時間更長,但枝孢菌錳去除速率顯著下降,表達(dá)基因數(shù)量顯著下調(diào),生命活動受到抑制.而在LNB組中,差異代謝通路匹配數(shù)大于10的條目共計10條,包括Ribosome(核糖體)、Oxidative phosphorylation(氧化磷酸化)、Pyruvate metabolism(丙酮酸代謝)、Peroxisome(過氧化物酶體)、Fatty acid degradation (脂肪酸降解)、Citrate cycle (TCA cycle)(檸檬酸循環(huán))等條目,分別對應(yīng)Translation(翻譯)、Energy metabolism(能量代謝)、Transport and catabolism(運輸與分解代謝)、Amino acid metabolism(氨基酸代謝)、Nucleotide metabolism(核苷酸代謝)和Lipid metabolism(脂質(zhì)代謝)等代謝功能.由此可見,LNB在一定程度上促進(jìn)了枝孢菌的細(xì)胞生命活動,枝孢菌能量代謝相關(guān)基因上調(diào),細(xì)胞氧化磷酸化增強(qiáng).因此,從KEGG注釋代謝通路分析結(jié)果可知,低濃度納米氣泡通過促進(jìn)枝孢菌的細(xì)胞生命活動促進(jìn)其錳氧化過程.

由圖4可知,納米氣泡在水中具有長時間維持溶解氧的作用.由楊-拉普拉斯公式可知,納米氣泡內(nèi)部氣體壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通大氣泡,因此納米氣泡內(nèi)部可能存在高密度的氣體,而聚集態(tài)的高密度氣體使納米氣泡在周圍液體中形成了氣體溶解的過飽和狀態(tài)[43];隨時間推移,部分納米氣泡在水中破裂而釋放出氣泡內(nèi)部氧氣,使得在枝孢菌培養(yǎng)結(jié)束時溶解氧水平高于控制組.該實驗結(jié)果與Wang等[44]對于納米氣泡對水生植物生長影響的探究結(jié)果相似,過高濃度的納米氣泡使水生植物生長受到抑制并產(chǎn)生衰老現(xiàn)象,而適當(dāng)濃度的納米氣泡則可以促進(jìn)植物體內(nèi)自由基和抗氧化水平的提高和其自身的生長.結(jié)合實驗結(jié)果可知,濃度為7.49× 106particles/mL的低濃度納米氣泡可以促進(jìn)單菌枝孢菌的生長與其對Mn(Ⅱ)的吸附和氧化,而濃度為7.49×107particles/mL的高濃度納米氣泡則可能因為高氧壓力抑制了枝孢菌的細(xì)胞活動.

表1 LNB和HNB組相對于控制組差異基因所屬的代謝通路

3 結(jié)論

3.1 在探究納米氣泡對錳氧化枝孢菌錳氧化過程影響的實驗中,濃度為7.49×106particles/mL的LNB組中錳去除速率得到明顯提升,而濃度為7.49× 107particles/mL的高濃度納米氣泡(HNB)組中枝孢菌的錳去除效果則明顯被抑制且培養(yǎng)基最終DO值隨納米氣泡濃度的降低而降低.因此,利用納米氣泡的緩釋性和富氧作用,可以提高枝孢菌的錳去除速率,實現(xiàn)無搖床培養(yǎng)節(jié)約能耗,提高制備生物錳氧化物的效率和經(jīng)濟(jì)性的同時能拓展納米氣泡和生物錳氧化在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用范圍.

3.2 GO基因注釋和KEGG注釋代謝通路均表明LNB在一定程度上促進(jìn)了枝孢菌的細(xì)胞生命活動,使枝孢菌能量代謝相關(guān)基因上調(diào),錳氧化行為增強(qiáng),且FTIR圖譜顯示LNB組中枝孢菌的膜厚度增加,且增幅較HNB組更大; HNB盡管可以使溶解氧水平維持時間更長,但HNB組的枝孢菌錳去除速率顯著下降,表達(dá)基因數(shù)量少,生命活動受到抑制.

3.3 實驗結(jié)果表明7.49×106particles/mL的低濃度納米氣泡可以促進(jìn)單菌枝孢菌的錳氧化過程,即其對Mn(Ⅱ)的吸附和氧化,而7.49×107particles/mL的高濃度納米氣泡則可能因為高氧壓力抑制了枝孢菌的細(xì)胞活動.

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Effects of nanobubbles on the manganese oxidation of a manganese-oxidizing fungussp. and the biogenic mechanism.

ZHU Li-na1, LIU Yun-si2, LI Pan1*

(1.School of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China；2.Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China)., 2023,43(11)：6141～6148

Manganese-oxidizing fungussp. XM01 was selected as the organism. The appearance and Mn(Ⅱ) removal rate ofsp. XM01in the culture prepared by nanobubble water at different concentrations were monitored to evaluate the impact of nanobubbles on the manganese oxidation of XM01. Meanwhile, XM01gene expression in the culture of various concentration nanobubble water was also assessed to explore the mechanism. The results indicated that, due to the sustained-release and oxygen-enrichment properties of nanobubbles, low concentration nanobubble promoted the manganese oxidation of XM01, while high concentration nanobubble showed opposing result because of high oxygen pressure. Therefore, low concentration nanobubbles could be effectively used to obtain biogenic manganese oxides. In summary, this study aimed to reveal the effects of nanobubbles on the manganese oxidation of manganese-oxidizing microorganisms and further expand the application of nanobubbles and biogenic manganese oxidation in environmental area.

nanobubbles；biogenic manganese oxidation；；gene expression；economy；mechanism

X172

A

1000-6923(2023)11-6141-08

朱麗娜(1997-)女,河南焦作人,同濟(jì)大學(xué)碩士研究生,主要從事水環(huán)境生態(tài)修復(fù)方面研究.15225830050@163.com.

朱麗娜,劉蘊(yùn)思,李 攀,等.納米氣泡對枝孢菌錳氧化過程的影響及其機(jī)理 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2023,43(11):6141-6148.

Zhu L N, Liu Y S, Li P, et al. The effects of nanobubbles on the manganese oxidation of a manganese-oxidizing fungussp. and the biogenic mechanism [J]. China Environmental Science, 2023,43(11):6141-6148.

2023-03-28

國家重點研發(fā)項目(2020YFC1908703)

* 責(zé)任作者, 副教授, lipan@#edu.cn