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AHLs类信号分子对铜绿假单胞菌成膜的影响机制研究认领

被引量： 1

作者：

张爱余

学位授予单位：

重庆大学

摘要：

酰基高丝氨酸内酯类(Acyl homoserine lactones,AHLs)信号分子普遍存在于污水生物处理系统的细菌中,它不仅可以作用于胞内,还可以在胞外起到调节胞间生理行为的作用。铜绿假单胞菌是活性污泥中最为常见和具有降解污染物质能力的微生物,极易形成生物被膜,且已证实其生物膜的形成受到多种信号分子的调控。近年来,有关铜绿假单胞菌生物膜的形成过程和结构成分的研究已有报道,但鲜有学者关注信号分子尤其是外源添加AHLs类信号分子对菌株生物膜形成的影响。本文以铜绿假单胞菌为考察对象,选取了 4种典型的AHLs类信号分子按0.1μM浓度添加,研究了 C4-HSL、C8-oxo-HSL、C12-oxo-HSL 和 C12-HSL 作用下菌株的成膜性能、表面特性、胞外聚合物(Extracellular polymeric substances,EPS)及胞外多糖(Exopolysaccharides,PS)特性,并采用原核转录组学技术分析菌株的基因变化,对差异基因进行统计、对比和分析,以揭示AHLs对铜绿假单胞菌成膜能力的影响机制,研究成果可为废水生物处理中微生物聚集体的形成提供理论支持。论文得到了以下主要结论:①添加AHLs后菌株的成膜能力、生长能力和自聚集能力等成膜性能显著提高(p<0.05),疏水性、接触角和zeta电位等表面特性明显升高,更多EPS包裹缠绕菌株且生物膜结构更粗糙,而吸附自由能ΔGadh降低、能量势垒消失,表明菌株更易自发聚集成膜。与C12-oxo-HSL、C8-oxo-HSL相比,C12-HSL、C4-HSL作用下菌株的成膜性能明显提高、表面特性明显增强、更多EPS胶连且生物膜结构更粗糙,以及静电力作用能、吸附自由能和路易斯酸碱自由能更低,菌株更易粘附聚集。结果表明侧链不含取代基的AHLs对菌株成膜性能、表面特性作用更优,且AHLs侧链是否含有羰基取代基对菌株成膜性能、表面特性的影响大于不同侧链长度的AHLs的影响。②添加AHLs后菌株EPS的含量及zeta电位、PS的zeta电位显著升高(p<0.05),FTIR和XPS结果表明EPS中O-H、C-H、C=O、氢键和β-折叠结构以及PS中O-H、O-C=O、C-H、α-糖苷键和氢键的相对比例明显增加,CLSM表明视野中PS的分布明显增多,SEM结果表明PS结构更粗糙、更有光泽,有利于菌株EPS及PS桥接形成生物膜。与C12-oxo-HSL、C8-oxo-HSL相比,C12-HSL、C4-HSL作用下菌株的PN含量、PS含量、EPS及PS的zeta电位更高,EPS及PS中的β-折叠结构、α-多糖、氢键、O-C=O和C-H占比升高,PS结构更疏松多孔且高度分支,PS凝胶特性更强,更有利于菌株通过PS交联形成生物膜,结果表明侧链不含取代基的AHLs对菌株EPS及PS特性作用更好,且侧链是否含有羰基取代基比不同侧链长度的AHLs对菌株EPS及PS特性的影响更大。③对菌株进行主成分分析和差异表达基因分析发现,Control组与添加AHLs组距离较远,表明是否添加AHLs对菌株基因表达量的影响差异较大。C12-HSL组、C4-HSL组与C12-oxo-HSL组、C8-oxo-HSL组的距离较远,表明AHLs侧链是否含有羰基取代基对菌株基因表达量的影响差异较大。C12-HSL与C4-HSL、C12-oxo-HSL与C8-oxo-HSL距离较近、上调/下调的差异表达基因数量均较少且接近,表明不同侧链长度的AHLs对菌株表达基因的影响差异较小。与Control组相比,外加C12-HSL、C12-oxo-HSL后菌株的氨基糖/核苷酸糖代谢、脂多糖、同源重组等通路上调,表明菌株可分泌更多EPS、PN及PS,且释放的eDNA与Psl结合共同参与生物膜的形成和结构稳定性的维持。缬氨酸/亮氨酸/异亮氨酸降解以及铁载体群非核糖体肽的生物合成代谢通路的下调,表明菌株生长、活性和疏水性增强,有利于响应信号分子强化成膜能力。与C12-oxo-HSL相比,添加C12-HSL后菌株的精氨酸和脯氨酸代谢、丙酮酸代谢、糖酵解/糖异生等通路均下调,说明了菌株合成和转化的乙酰辅酶A的含量降低,需要消耗的能量减少,有利于菌株形成生物膜。结果表明侧链是否含有羰基取代基对菌株基因表达和代谢通路影响有所不同,不含取代基的AHLs更有利于菌株形成生物膜且所需消耗的能量更低。

摘要译文

关键词：

铜绿假单胞菌; 成膜能力; 酰基高丝氨酸内酯类信号分子; 胞外聚合物; 胞外多糖

学位年度：

2021

学位类型：

硕士

学科专业：

工程（环境工程）（专业学位）

导师：

方芳梅杰

中图分类号：

X703[废水、废液的处理与利用]

学科分类号：

080605[冶金环境工程];083002[环境工程]

D O I：

10.27670/d.cnki.gcqdu.2021.003904