石墨烯膜促进希瓦氏菌厌氧Cr(Ⅵ)还原的胞外电子传递过程研究

论文摘要

胞外电子传递是一种微生物特有的的厌氧呼吸方式,可用于生物修复重金属污染的水体和土壤。Shewanella是典型的胞外电子传递模式菌。近几年来,研究者发现导电纳米碳材料包括氧化石墨烯（graphene oxide（GO））及其复合物等对Shewanella胞外电子传递过程有正向显著影响,但对于促进机制尚未完全解析。本文主要开展了GO膜和氧化石墨烯/聚乙烯醇（graphene oxide/polyvinyl alcohol（GO/PVA））膜对Shewanella xiamenensis BC01（S.xiamenensis）胞外电子传递Cr（Ⅵ）厌氧还原效率的影响机制研究,主要结果如下:（1）首先通过真空抽滤的方法制备了 GO膜和GO/PVA膜。在GO膜和GO/PVA膜对初始浓度为50 mg/L Cr（Ⅵ）的微生物还原效率的影响实验中发现,添加GO膜和GO/PVA膜后Cr（Ⅵ）还原效率分别比对照提高了2.67倍和3.13倍。通过利用傅里叶红外变换光谱、拉曼光谱和X射线光电子能谱分析等手段对培养体系的GO膜和GO/PVA膜进行表征发现,GO膜和GO/PVA膜逐渐被生物还原,最后表现出还原氧化石墨烯的特性。因此整个反应过程可以分为氧化石墨烯介导的微生物还原阶段（stage Ⅰ）和近似还原氧化石墨烯（reduced graphene oxide（rGO））介导的微生物还原阶段（stage Ⅱ）两个阶段。此外,添加GO膜和GO/PVA膜后电子供体乳酸的分解消耗量显著提高。（2）进一步对 S.xiamenensis胞外电子传递过程中细胞色素c（c-type cytochrome（c-Cyts））基因表达水平进行分析发现,mtrA、mtrC、mtrC、mtrD、mtrF、omcA、pet 和SO-4047的表达水平受GO膜和GO/PVA膜诱导而提升。另一方面,过表达mtrA、mtrB、mtrC、mtrD、mtrF和omcA后发现,c-Cyts基因表达水平的提升确实能显著促进Cr（Ⅵ）的还原速率。而且c-Cyts基因的表达水平受GO膜和GO/PVA膜的影响是分阶段从外到内活化的,在stage Ⅰ和stage Ⅱ都是由位于细胞外膜的c-Cyts基因率先激活并引起位于外膜以内的c-Cyts基因活跃表达。在GO膜和GO/PVA膜促进S.xiamenensis还原Cr（Ⅵ）的过程中,stageⅠ主要通过强化mtrD-mtrF和mtrD-mtrC途径传递电子的能力来提高Cr（Ⅵ）还原效率,stage Ⅱ主要由mtrA-omcA途径的活化来促进S.xiamenensis还原Cr（Ⅵ）。综合以上,GO膜和GO/PVA膜在Cr（Ⅵ）还原过程中通过分阶段促进不同c-Cyts活跃表达,从而消耗更多的乳酸产生更多的电子,同时通过不断提升石墨化还原程度成为良好的氧化还原中间介质,共同促进Cr（Ⅵ）还原效率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 Cr（Ⅵ）污染的治理方法
•   1.2 希瓦氏菌及胞外电子传递
•   1.3 EET过程中的c-Cyts和辅助蛋白
•   1.4 石墨烯材料介导的胞外电子传递
•     1.4.1 石墨烯及其复合物介导的胞外电子传递
•     1.4.2 石墨烯材料介导的微生物Cr（V）还原
•     1.4.3 氧化石墨烯及其复合物介导的胞外电子传递的潜在机理
•   1.5 研究目标和主要内容
•     1.5.1 研究目标
•     1.5.2 主要内容
• 第二章 实验材料与方法
•   2.1 实验材料与仪器
•     2.1.1 实验试剂与仪器
•     2.1.2 实验菌株
•     2.1.3 培养基
•     2.1.4 质粒与引物
•   2.2 实验设计与表征
•     2.2.1 好氧和厌氧条件下S.xiamenensis的培养方法
•     2.2.2 GO和GO/PVA与GO膜和GO/PVA膜的制备方法
•     2.2.3 GO的表征方法
•     2.2.4 S. xiamenensis对Cr（Ⅵ）还原实验
•     2.2.5 Cr（Ⅵ）、Cr元素及乳酸的分析测定
•     2.2.6 细菌生物量的测定方法
•   2.3 基因工程手段
•     2.3.1 RNA提取
•     2.3.2 RNA逆转录合成cDNA
•     2.3.3 实时荧光定量PCR
•     2.3.4 全基因组的提取
•     2.3.5 质粒的提取方法
•     2.3.6 目的基因的扩增
•     2.3.7 电泳检测DNA片段的大小
•     2.3.8 DNA纯化回收
•     2.3.9 POE-PCR构建重组质粒
•     2.3.10 目的基因导入大肠杆菌感受态的方法
•     2.3.11 含重组质粒大肠杆菌的筛选方法
•     2.3.12 制备S.xiamenensis感受态的方法和电转化法制备过表达菌株
•     2.3.13 过表达菌株的鉴定
•     2.3.14 菌株的保存
• 第三章 石墨烯膜对s.xiamenensis还原Cr（Ⅵ）的影响
•   3.1 前言
•   3.2 结果与讨论
•     3.2.1 GO及GO/PVA复合物对S. xiamenensis还原Cr（Ⅴ）影响
•     3.2.2 GO膜和GO/PVA膜的变化表征
•     3.2.3 rGO和rGO/PVA膜对S.xiamenensis还原Cr（Ⅵ）效率的影响
•   3.3 本章小结
• 第四章 石墨烯膜对S. xiamenensis胞外电子传递过程中c-Cyts基因表达与Cr（Ⅵ）还原的影响
•   4.1 前言
•   4.2 结果与讨论
•     4.2.1 EET过程中主要c-Cyts基因表达水平分析
•     4.2.2 关键c-Cyts基因过表达体系构建
•     4.2.3 过表达S.xiamenensis菌株实时荧光定量PCR的分析
•     4.2.4 GO膜对过表达菌株Cr（Ⅵ）还原效率的影响
•     4.2.5 胞外电子传递路线模型的推测
•   4.3 本章小结
• 第五章 结论与展望
•   5.1 主要结论
•   5.2 创新点
•   5.3 建议与展望
• 参考文献
• 附录
• 在读硕士期间的科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李逸鑫

导师: 王远鹏,陈铮

关键词: 胞外电子传递,希瓦氏菌,氧化石墨烯和氧化石墨烯,聚乙烯醇膜,还原,细胞色素

来源: 厦门大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 厦门大学

分类号: Q935

总页数: 111

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