病原菌与土壤颗粒互作的分子机制研究

病原菌污染土壤形势严峻，对人畜健康和公共卫生安全构成了重大威胁。病原菌与土壤颗粒的互作过程决定了土壤中病原菌的迁移和存活，但有关互作的分子机制尚不清楚。本项目选取我国主要地带性土壤和重要人畜共患病原菌-大肠杆菌O157:H7和猪链球菌2型，分离不同粒径土壤颗粒，选取不同类型粘粒矿物，运用化学方法、模型预测和现代仪器分析技术（原子力显微镜、激光共聚焦显微镜、微量热仪、红外光谱仪），从土壤颗粒对病原菌的化学平衡吸附、病原菌与土壤颗粒互作自由能、热效应、作用力、功能团及微观形态观察等方面，分析病原菌与土壤颗粒互作过程中表面特性与病原菌吸附固定的关系，原子级水平作用力特征，以及病原菌吸附后适应性反应，深刻阐明病原菌与土壤颗粒互作的分子机制。研究结果将丰富土壤化学、环境微生物学及胶体界面化学等学科的理论，提升污染物环境过程关键界面反应机理的研究水平，在实践上可为病原微生物污染土壤的修复提供科学依据。

全球畜牧养殖业每年产生1010 t–1011 t的粪便排泄物，其中我国数量为3 × 109 t。这些废弃物中含有大量肠道病原菌，以大肠杆菌、猪链球菌和沙门氏菌数量最多，若未经有效处理就将其排放到土壤或作为有机肥施入到农田，便会严重污染环境并威胁人类健康。本项目以大肠杆菌（Escherichia coli）、猪链球菌（Streptococcus suis）以及多种土壤组分为材料，综合运用等温吸附、土柱实验、扫描电子显微镜、微量热、电位滴定、傅里叶变换衰减全反射红外光谱等技术，明确了菌株种类、溶液条件（pH和离子浓度）、土壤类型、有机质含量和胞外聚合物对病原菌吸附的影响，获得了细菌与不同土壤颗粒间的吸附能力、运移距离、表面形貌、代谢活性和官能团变化等信息。借助zeta电位仪、PATH法（Particle adhesion to hydrocarbon）、比表面仪、X射线衍射和土壤物理化学性质测定方法，系统测定了表面电荷、疏水性、比表面积、矿物组成、阳离子交换量、有机质、质地、电导率等性质，阐明了病原菌与土壤颗粒表面性质在病原菌吸附中的贡献。运用经典的DLVO胶体稳定理论（Classic Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek theory）和统计学手段（一元线性回归、偏相关和多元逐步回归）分析细菌与土壤组分间的作用能信息和显著性影响因素，揭示了吸附过程中的主导作用力及其贡献程度。基于该项目研究成果，项目主持人作为通讯作者在Environmental Science & Technology、Water Research、European Journal of Soil Science等土壤/环境科学领域的主流刊物上发表SCI论文11篇，一级学报1篇。这些工作对于有效防治和减缓病原菌在多孔介质中向地下水的迁移运输具有重要的理论和实际意义。