生物炭与胞外DNA的吸附作用及其对DNA降解、转化的影响

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胞外DNA(eDNA)是指存在于细胞外的DNA,在环境中广泛存在。胞外抗生素抗性基因(eARGs)以eDNA为载体,经水平转移在物种间进行传播,对人类健康造成威胁,已经成为国际公认的一种新型污染物。生物炭作为一种环境功能材料被广泛应用于农业与环境领域。先前的研究大多关注eDNA与土壤颗粒、矿物、纳米材料之间的相互作用,但很少研究eDNA与生物炭之间的相互作用,特别是生物炭对eDNA吸附行为、降解行为和转化行为的影响信息较为缺乏。本文系统研究了生物炭体系下,eDNA的吸附/解吸行为、降解行为和转化行为,得到了以下主要结论:(1)eDNA在生物炭上的吸附动力学与吸附等温线分别符合准二级动力学方程和Freundlich等温模型,吸附能力顺序为小麦秸秆生物炭>花生壳生物炭>木屑生物炭。eDNA在生物炭上的吸附具有明显的解吸滞后现象,解吸滞后因子接近1。增加溶液离子强度(10-100 m M Na Cl和5-25 m M Ca Cl2)或者降低p H至小于5.0能显著增加eDNA在生物炭上的吸附量。但当p H从5.0升至10.0的过程中,eDNA吸附量变化很小。静电作用、Ca离子桥键作用、π-π作用是eDNA与生物炭间吸附作用的主要机制,而配位体交换和疏水作用是次要的作用机制。(2)生物炭对eDNA在受到生物酶降解时有一定的保护效果,但不同来源的生物炭对eDNA的保护效果不同。三种来源生物炭对eDNA保护作用强弱的顺序为:木屑生物炭>花生壳生物炭>小麦秸秆生物炭。吸附态eDNA能够被生物酶部分降解,而吸附态生物酶基本丧失降解eDNA的能力。生物炭对生物酶的吸附作用是影响生物酶降解eDNA的主要作用机制。(3)生物炭对质粒e ARG的转化行为具有抑制作用。高温生物炭对质粒e ARG转化活性的抑制作用强于低温生物炭;随着生物炭浓度的增加,生物炭对质粒e ARG转化活性的抑制作用增强。水稻秸秆生物炭对e ARG转化活性的抑制作用强于花生壳生物炭。在低温生物炭体系中,生物炭对e ARG转化活性的抑制作用以生物炭浸出液为主;在高温生物炭体系中,生物炭对e ARG转化活性的抑制作用以生物炭颗粒为主。这些发现对生物炭在eDNA传播管理以及其环境归宿方面具有重要的指导意义。
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