近年来,由于含钒矿物的开采和冶炼,导致钒污染现象十分严重,引起人们的广泛关注。生物修复作为一种简单、高效、环保的方法,广泛应用于重金属污染修复,而微生物能将五价钒[V(Ⅴ)]还原为毒性更低的四价钒[V(IV)],并且在中性条件下V(IV)可以被沉淀,从而实现钒污染的修复。目前关于微生物V(Ⅴ)还原的机制的研究主要集中在革兰氏阴性菌上。前期课题组从攀枝花钒钛磁铁矿尾矿库区分离得到两株对V(Ⅴ)具有高耐受性的革兰氏阳性细菌PFYN01和PFWT01,但未对其进行深入研究。本文对两菌株的V(Ⅴ)还原特性及基因组进行了研究,有助于揭示微生物V(Ⅴ)还原机制,并为其应用于钒污染治理提供理论依据,主要研究内容和结论如下:(1)不同V(Ⅴ)浓度对菌株PFYN01和PFWT01生长的影响。比较不同V(Ⅴ)浓度下菌株的生长曲线和SEM观察,菌株PFYN01在400 mg/L V(Ⅴ)以下,无明显影响,随着V(Ⅴ)浓度升高,抑制作用逐渐显现,在800 mg/L V(Ⅴ)以上,不仅会抑制细菌生长,还会加速细胞衰亡。而菌株PFWT01,在100 mg/L V(Ⅴ)以内,影响效果不明显;在100~800 mg/L范围内,促进作用会随着V(Ⅴ)浓度的升高而逐渐增强;超过800 mg/L V(Ⅴ),促进作用不再增强。通过测定胞内外V的分布情况发现,两菌株胞外均分布有97%以上的V,而胞内分别只有2%和0.4%的V,且主要分布于细胞液中,说明两菌株不是通过胞内积累作用来去除环境中的V。(2)菌株PFYN01和PFWT01的V(Ⅴ)还原特性。通过测定两菌株在不同V(Ⅴ)浓度下的生长和V(Ⅴ)还原率,发现V(Ⅴ)的还原与细菌生物量密切相关,且两菌株都具有较高的V(Ⅴ)还原能力。对于200 mg/L的浓度,V(Ⅴ)还原率分别可达到95.13%和93.49%,而且随后还原的V(IV)会被沉淀出来。通过SEM、EDS、XPS等手段对还原沉淀进行表征,菌株PFYN01细胞被胞外分泌物包裹,加V(Ⅴ)后,表面产生大量含钒的颗粒状堆积物,沉淀中C、N元素原子百分比下降,O、P元素原子百分比上升,且其中V为+4的氧化态,同时C=O含量减少,说明还原后的V(IV)可能与细胞表面的胞外分泌物结合生成沉淀;而菌株PFWT01在加V(Ⅴ)后,表面出现大量含钒的粉末状堆积物,沉淀中C元素原子百分比下降,O、P、N等元素原子百分比上升,其中的V也为+4的氧化态,同时C-O-C或C-OH含量减少,C=O含量增加,说明在菌株PFWT01中,还原后的V(IV)可能与细胞壁上的PO₄^3-、OH^-等基团结合,然后与细胞共沉淀。(3)菌株PFYN01和PFWT01的基因组测序与分析。通过全基因组测序与预测,菌株PFYN01基因组是一条全长4939577 bp的环状染色体,平均GC含量为35.35%,一共预测到5558个编码基因,而菌株PFWT01基因组全长2975424bp,包括一个染色体和两个质粒,基因组平均GC含量为48.37%,预测到3031个编码基因;通过功能注释,发现两菌株大部分基因都与其自身的生长代谢有关,同时还有一些与菌株抗逆性有关的基因或途径,比如:双组分调控系统、ABC转运系统等等;通过与同属菌株的基因组比较分析,菌株PFYN01属于芽孢杆菌属,与Bacillus thuringiensis serovar konkukian str.97-27和Bacillus cereus Q1遗传距离较近,相似性较高,但不属于同一个种,而菌株PFWT01属于微小杆菌属,与Exiguobacterium sp.AT1b遗传距离最近,相似性最高,属于同一个种。(4)菌株PFYN01和PFWT01全基因组比较及V(Ⅴ)还原机制推测。通过对两菌株的重金属抗性基因和相关代谢通路的比较分析,发现两菌株都有许多Cu、Zn、As、Cr、Cd、Pb等其他重金属抗性基因,以及多种可能参与V(Ⅴ)还原的基因,如:编码电子传递链、细胞色素、黄素类物质、S层蛋白和细胞表面蛋白、磷酸盐转运系统及各种还原酶的基因。基于此提出两菌株V(Ⅴ)还原途径可能包括3种途径:胞内和胞外电子传递、胞外分泌物、胞内还原酶还原。