劉洪艷,王紅玉,謝麗霞,王廣策
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海洋沉積物中一株鐵還原細菌分離及Fe(Ⅲ)還原性質(zhì)
劉洪艷1,王紅玉1,謝麗霞1,王廣策2
(1.天津市海洋資源與化學重點實驗室,天津科技大學 海洋與環(huán)境學院,天津 300457; 2.中國科學院海洋研究所,山東 青島 266071)
摘要:以渤海(塘沽海域)沉積物為材料,富集異化鐵還原混合菌群。采用三層平板方法,從混合菌群中純化出一株異化鐵還原細菌KB52。通過形態(tài)觀察和16S rRNA基因序列分析,菌株命名為Klebsiella sp.KB52(GeneBank號KM233642)。在葡萄糖為電子供體,F(xiàn)e(OH)3為電子受體條件下厭氧培養(yǎng)菌株KB52,其細胞生長和 Fe(Ⅲ)還原具有明顯耦合關(guān)系。碳源分別設(shè)置為葡萄糖、乳酸鈉、丙酮酸鈉、乙酸鈉、甲酸鈉和丙酸鈉,在海水培養(yǎng)條件下菌株KB52以丙酮酸鈉為碳源時,菌株培養(yǎng)液累積Fe(Ⅱ)濃度最高,為4.41 mmol/L±0.59 mmol/L。菌株KB52在設(shè)定NaCl濃度范圍內(nèi),都能夠生長并具有鐵還原性質(zhì),菌株表現(xiàn)出較強的耐鹽性。NaCl質(zhì)量濃度為4 g/L時,菌株KB52還原Fe(Ⅲ)效率最高,F(xiàn)e(Ⅱ)達到4.95 mmol/L± 0.72 mmol/L。鐵還原細菌KB52在淡水和海水條件下能夠生長并具有鐵還原性質(zhì),可用于近海沉積物中微生物介導(dǎo)異化Fe(Ⅲ)還原過程,進一步應(yīng)用于治理海洋環(huán)境污染。
關(guān)鍵詞:海洋沉積物; 鐵還原細菌; Klebsiella sp.KB52; Fe(Ⅲ)還原; 培養(yǎng)條件
[Foundation: Natural Science Foundation of Tianjin of China,No.12JCQNJC04200; Undergraduate Innovation and Entrepreneurship Training Program,No.201510057134]
鐵是一種變價金屬,鐵的生物氧化還原涉及多種元素的生物地球化學循環(huán),在生態(tài)環(huán)境中具有重要意義。微生物介導(dǎo)的異化 Fe(Ⅲ)還原被認為是自然界中Fe(Ⅲ)還原的主要途徑[1-2]。異化鐵還原細菌是指能利用有機物為電子供體,以Fe(Ⅲ)作為唯一電子受體,能夠?qū)e(Ⅲ)還原為Fe(Ⅱ)的一類微生物[3-4]。其中一些異化鐵還原細菌能夠?qū)⒂袡C物的厭氧發(fā)酵與異化 Fe(Ⅲ)還原過程相耦聯(lián),分解有機物和轉(zhuǎn)化污染物,達到環(huán)境污染治理目的。Geobacter metallireducens GS-15是首次分離的異化鐵還原細菌,在Fe(Ⅲ)還原的過程中同時分解苯和甲苯等芳香族化合物[5]。Scala等[6]在重金屬和放射性元素污染的薩凡納河底沉積物中,分離鑒定一株異化鐵還原細菌PAR2B,該菌株的鐵還原效率非常高,可達到每天產(chǎn)生Fe(Ⅱ)2.2 mmol/L。許玫英等[7]從印染廢水中分離到一株 Fe(Ⅲ)還原細菌 Shewanella decolorationis S12,該菌株能夠脫色降解染料。此外,微生物異化鐵還原過程能夠改變土壤中重金屬和有毒元素的形態(tài)。邢輝等[8]從重金屬含量高的酸礦水中分離Fe(Ⅲ)還原細菌Acidithiobacillus sp.nju-T1,利用菌株的鐵還原過程加強治理礦山環(huán)境的酸礦水污染??梢?,微生物介導(dǎo)鐵還原過程可以有效降低金屬污染,在生態(tài)環(huán)境及生物修復(fù)中具有重要的作用[9]。
海洋沉積物因其特殊的厭氧環(huán)境而成為鐵還原微生物的重要生境。海洋沉積物中微生物介導(dǎo)鐵還原過程可以有助于海洋污染物的凈化。Canfield等[10]研究報道,在海洋和入海口的沉積物中, Fe(Ⅲ)和Mn(Ⅳ)的還原可使得 30%~90%的有機碳氧化。Iwahori等[11]發(fā)現(xiàn)有毒金屬能夠被鐵還原微生物轉(zhuǎn)化而從污染水域中去除。在無定形鐵氧化物含量更豐富的深海區(qū)域,異化鐵還原對有機物分解的貢獻可達 75%[12]。目前一些研究從淡水環(huán)境中進行篩選異化鐵還原細菌,例如水稻土、溪水和熱泉等[13-14]。而目前關(guān)于海洋環(huán)境鐵還原細菌的相關(guān)研究比較有限。渤海是我國內(nèi)陸最大的海灣。在渤海,陸源污染物排放與海洋自凈能力已經(jīng)超出平衡臨界值,污染物最終積累在海底沉積物中。利用海洋沉積物中微生物介導(dǎo)鐵還原過程對于治理海洋污染具有重要意義。因此,本實驗以渤海海底沉積物為材料,篩選Fe(Ⅲ)還原細菌,并分析培養(yǎng)條件對菌株鐵還原能力的影響。旨在擴大海洋沉積物異化鐵還原微生物種質(zhì)資源,為利用微生物異化 Fe(Ⅲ)還原過程治理海洋環(huán)境污染提供理論依據(jù)。
1.1混合菌群的富集
海底沉積物取自渤海塘沽海域(116°E,38°N)。富集培養(yǎng)基成分如下(g/L): 葡萄糖 10,胰蛋白胨 1,NaCl 30,K2HPO41.5 ,L-半胱氨酸0.5。稱取10 g污泥樣品于150 mL血清瓶中,加入100 mL 富集培養(yǎng)基和1.0 mL Fe(OH)3溶液(Fe3+質(zhì)量濃度為12.60 g/L)。泥漿混合物于120 r/min,30℃恒溫培養(yǎng)72 h。1 mL富集菌液接種于150 mL血清瓶中,加入100 mL培養(yǎng)基。30℃培養(yǎng)48 h后測定培養(yǎng)液Fe(Ⅱ)的濃度,分析菌群Fe(Ⅲ)還原能力。此步驟重復(fù)3次,目的在于富集異化鐵還原混合菌群。
1.2Fe(Ⅲ)還原菌株的分離
Fe(Ⅲ)還原培養(yǎng)基(g/L): 葡萄糖 20,胰蛋白胨4,酵母提取物1,NaCl 30,K2HPO41.5,MgCl20.1,L-半胱氨酸0.5。10 mL人工合成的Fe(OH)3溶液,瓊脂,15,pH 7.2~7.4。菌株分離采用三層平板法,步驟如下: 混合菌群稀釋103倍均勻涂布Fe(Ⅲ)還原固體培養(yǎng)基菌; 待完全吸收,倒入一層 Fe(Ⅲ)還原固體培養(yǎng)基,冷卻凝固后,傾入一層滅菌固體石蠟達到密閉厭氧目的。30℃倒置培養(yǎng) 24 h。挑取單菌落于液體Fe(Ⅲ)還原培養(yǎng)基,30℃培養(yǎng)48 h測定培養(yǎng)液Fe(Ⅱ)的濃度。挑取Fe(Ⅲ)還原效率高的菌株涂布于平板,此過程重復(fù)5次,選取培養(yǎng)液Fe(Ⅱ)濃度高,即菌株Fe(Ⅲ)還原效率高的菌株進行鑒定。
1.3Fe(Ⅲ)還原菌株的鑒定
結(jié)合形態(tài)觀察和 16S rRNA基因序列分析對菌株進行鑒定。16S rRNA基因序列分析步驟: DNA的提取,16S rRNA基因的擴增和序列測定。菌株基因組DNA按照細菌基因組DNA提取試劑盒(天根)的操作步驟進行提取。以基因組DNA為模板,PCR儀(MYCYCLER,伯樂公司)擴增16S rRNA基因,擴增引物采用細菌通用引物,序列如下: 27F: 5′-AGAG TTTGATCCATGGCTCAG-3′和1541R: 5′-AAGGAG GTGATCCAGCC-3′。反應(yīng)體系采用50 μL體系: 10× Buffer 5 μL; 10 mmol/L dNTP 1 μL; 引物 27F和 1541R各1 μL(10 μmol/L); 模板DNA 1 μL(0.08 μg/μL);TaKaRa Ex Taq(5 U/μL)1 μL; 滅菌蒸餾水45 μL。反應(yīng)程序為: 94℃,4 min; 94℃,30 s,56℃,30 s,72℃,2 min,30個循環(huán); 72℃延伸10 min。測序由北京奧科生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司完成。菌株16S rRNA序列在GenBank中進行Blast同源比對。
1.4菌株Fe(Ⅲ)還原性質(zhì)分析
Fe(Ⅲ)還原菌株按1︰100比例接種到150 mL血清瓶中(含100 mL Fe(Ⅲ)還原培養(yǎng)基),以不接種菌株(補加1 mL蒸餾水)為對照組。血清瓶充氮氣1 min后,迅速密封橡皮瓶塞,30℃,120 r/min厭氧培養(yǎng)。間隔12 h取樣,測定菌體生長量OD600,培養(yǎng)液pH 和 Fe(Ⅱ)濃度,繪制菌株細胞生長和 Fe(Ⅲ)還原性質(zhì)隨時間變化曲線。設(shè)置不同培養(yǎng)條件,即碳源: 葡萄糖、乳酸鈉、丙酮酸鈉、乙酸鈉、甲酸鈉和丙酸鈉,每種碳源濃度均固定為20 mmol/L。NaCl濃度設(shè)置為0、4、30、40、50和60 g/L。菌株按1%接種于Fe(Ⅲ)還原培養(yǎng)基。120 r/min,30℃恒溫搖床振蕩厭氧培養(yǎng)72 h后,測定菌體生長量OD600,培養(yǎng)液pH值和Fe(Ⅱ)濃度,分析培養(yǎng)條件對菌株生長和Fe(Ⅲ)還原性質(zhì)影響。
1.5分析方法
細胞生長密度是通過分光光度計(UV-1800,島津儀器有限公司),測定培養(yǎng)液在600 nm吸收值來表示。pH值采用酸度計測量(LE501,梅特勒托利多有限公司)。Fe(Ⅲ)還原效率采用鄰菲啰啉分光光度法測定培養(yǎng)液OD510并計算Fe(Ⅱ)濃度來表示,具體步驟參考文獻[15]: 吸取1 mL 培養(yǎng)液,置于4 mL 0.5 mol/L 鹽酸溶液中,在30℃下靜置浸提24 h,3 000 g離心5 min,取100 μL上清液與10% 鹽酸羥胺,1 mol/L乙酸-乙酸鈉溶液(pH 5.0)和0.1%鄰菲啰啉混合,然后加蒸餾水定容至5 mL。
2.1菌株分離和鑒定
海洋沉積物經(jīng)過Fe(Ⅲ)還原培養(yǎng)基3次富集培養(yǎng),培養(yǎng)液顏色由最初的深紅棕色明顯變淡,測定富集培養(yǎng)液Fe(Ⅱ)濃度是1.25 mmol/L。這是由于鐵還原細菌的Fe(Ⅲ)還原過程所形成[15],表明混合菌群具有明顯的 Fe(Ⅲ)還原性質(zhì)。經(jīng)過 5次平板反復(fù)分離,從Fe(Ⅲ)還原混合菌群中純化一株Fe(Ⅲ)還原細菌KB52。光學顯微鏡形態(tài)觀察菌株KB52為短桿狀的革蘭氏陰性菌。通過PCR擴增和序列測定獲得菌株KB52的16S rRNA序列(長度1 453 bp),GeneBank 號KM233642。16S rRNA序列在GenBank中進行Blast搜索同源序列,發(fā)現(xiàn)菌株 KB52與 Klebsiella pneumoniae BR102A相似性達到100%。結(jié)合形態(tài)觀察和16S rRNA序列分析,F(xiàn)e(Ⅲ)還原菌株KB52鑒定為Klebsiella sp.KB52。
2.2菌株Fe(Ⅲ)還原性質(zhì)分析
在葡萄糖為電子供體,F(xiàn)e(OH)3為電子受體的厭氧培養(yǎng)條件下,分析菌株KB52的Fe(Ⅲ)還原性質(zhì)。菌株 KB52細胞生長和 Fe(Ⅲ)還原效率隨時間的變化特征,見圖1。菌株KB52在培養(yǎng)24 h時進入對數(shù)生長期,培養(yǎng) 48 h時細胞密度 OD600達到最高,為1.3411±0.02。而對于培養(yǎng)液中不加Fe(OH)3溶液的對照組,在不同培養(yǎng)時間內(nèi),菌株KB52細胞生長量都有所下降,細胞生長的OD600最高值為0.8712±0.03。這表明培養(yǎng)液中添加 Fe(OH)3能夠提高菌株細胞生長。這可能是由于Fe(Ⅲ)還原細菌的異化Fe(Ⅲ)還原過程對細胞生長具有促進作用[16]。在培養(yǎng)結(jié)束時,培養(yǎng)液的pH值從起始值7.20降到4.93。培養(yǎng)液pH下降可能是由于菌株利用葡萄糖厭氧發(fā)酵產(chǎn)生有機酸,從而導(dǎo)致培養(yǎng)液 pH 降低[17]。這同時也表明菌株KB52是一株厭氧發(fā)酵細菌。已報道發(fā)酵型異化Fe(Ⅲ)還原細菌包括Clostridium beijerinckii,Enterococcus gallinarum,Bacillus sp.,它們都是嚴格厭氧或者兼性厭氧[18-20]。
Fe(Ⅲ)還原實驗結(jié)果表明,菌株KB52細胞在指數(shù)生長后期(36 h),培養(yǎng)液中累積的Fe(Ⅱ)濃度明顯增加。在培養(yǎng)72 h時,培養(yǎng)液中累積的Fe(Ⅱ)濃度可達到2.74 mmol/L±0.38 mmol/L。菌株細胞Fe(Ⅲ)還原過程主要發(fā)生在細胞指數(shù)生長后期和穩(wěn)定靜止期。菌株KB52細胞生長和Fe(Ⅲ)還原能力呈現(xiàn)比較明顯的正相關(guān)。這與菌株Klebsiella sp.FD-3表現(xiàn)出Fe(Ⅲ)還原效率隨著細胞生長而增加的研究結(jié)果相一致[21]。而不接種菌株的對照組,在不同間隔時間內(nèi),培養(yǎng)液中都沒有測定出Fe(Ⅱ)的濃度。這表明培養(yǎng)液中Fe(Ⅱ)的累積是由于Fe(Ⅲ)還原菌株KB52在利用Fe(OH)3為電子受體的生長過程中形成,而在沒有菌株的參與下,F(xiàn)e(Ⅲ)還原過程是無法完成的。
圖1 菌株KB52培養(yǎng)過程中OD600,pH和Fe(Ⅱ)濃度Fig.1 Changes in OD600,pH value,and Fe(Ⅱ)concentration during fermentation of the strain KB52
2.3碳源對菌株Fe(Ⅲ)還原性質(zhì)的影響
碳源,如葡萄糖、乳酸鈉、丙酮酸鈉、乙酸鈉、甲酸鈉和丙酸鈉(濃度為20 mmol/L)對菌株KB52細胞生長和Fe(Ⅲ)還原效率的影響見圖2。以丙酮酸鈉和葡萄糖為碳源時。菌株KB52細胞生長比較明顯。菌株KB52在乙酸鈉為碳源的培養(yǎng)條件下,細胞生長緩慢。在甲酸鈉、乳酸鈉和丙酸鈉的碳源培養(yǎng)條件下,菌株KB52細胞幾乎無法生長。培養(yǎng)結(jié)束時,培養(yǎng)液終pH較起始值基本沒有變化,菌株KB52不能有效利用甲酸鈉等碳源為能量來源進行生長發(fā)酵。同時表明菌株KB52是一株葡萄糖依賴型發(fā)酵細菌。
菌株KB52在上述不同碳源培養(yǎng)條件下,F(xiàn)e(Ⅲ)還原效率具有較顯著差異。菌株 KB52以丙酮酸鈉為碳源時,培養(yǎng)液累積Fe(Ⅱ)濃度最高,達到4.41 mmol/L±0.59 mmol/L。菌株KB52利用葡萄糖為電子供體時,其Fe(Ⅲ)還原效率是Fe(Ⅱ)達2.74 mmol/L±0.38 mmol/L。這與菌株Bacillus sp.還原Fe(Ⅲ)的效率基本一致[20]。研究結(jié)果進一步證實鐵還原細菌能夠有效利用丙酮酸鈉和葡萄糖作為電子供體進行Fe(Ⅲ)還原[22]。在乙酸鈉為碳源的培養(yǎng)條件下,菌株KB52 Fe(Ⅲ)還原過程比較微弱,培養(yǎng)液累積的Fe(Ⅱ)濃度僅為0.93 mmol/L± 0.34 mmol/L。目前關(guān)于Fe(Ⅲ)還原細菌能否有效利用乙酸鈉進行生長和 Fe(Ⅲ)還原的報道存在不同結(jié)論。Scala等[6]分離Fe(Ⅲ)還原細菌Aeromonas sp.PAR2B 能夠有效利用乙酸鈉進行細胞生長和Fe(Ⅲ)還原。而Fe(Ⅲ)還原細菌P4幾乎不能利用乙酸鈉作為電子供體還原 Fe(Ⅲ)[23]。在以甲酸鈉、乳酸鈉和丙酸鈉為碳源時,菌株KB52幾乎無法生長,同時也無法進行Fe(Ⅲ)還原。
2.4鹽度對菌株Fe(Ⅲ)還原性質(zhì)的影響
菌株KB52分離自海洋沉積物,沉積物中鹽度組成主要是 NaCl。在以丙酮酸鈉為碳源的培養(yǎng)基中,分別設(shè)置NaCl質(zhì)量濃度0、4、30、40、50和60 g/L。不同NaCl質(zhì)量濃度對菌株KB52生長和Fe(Ⅲ)還原性質(zhì)的影響見圖3。當NaCl質(zhì)量濃度分別是4和30 g/L時,菌株KB52細胞的OD600值達到1.4729±0.09和1.3417±0.08。菌株KB52雖然分離自海洋環(huán)境,但在淡水條件下菌株細胞生長旺盛。當NaCl質(zhì)量濃度為50和60 g/L時,菌株KB52仍能夠繼續(xù)生長。這表明菌株 KB52能夠適應(yīng)鹽度的劇烈變化而具有比較強的耐鹽能力。在不同NaCl濃度培養(yǎng)條件下,菌株KB52培養(yǎng)液終pH較起始pH都有不同程度下降。
圖2碳源對菌株KB52細胞生長和累積Fe(Ⅱ)濃度的影響
Fig.2Effects of carbon sources on cell growth and Fe(Ⅱ)concentration in the strain KB52
1.葡萄糖; 2.乳酸鈉; 3.丙酮酸鈉; 4.乙酸鈉; 5.甲酸鈉; 6.丙酸鈉
1.glucose; 2.lactate; 3.pyruvate; 4.acetate; 5.formate; 6.propionate
圖3 NaCl質(zhì)量濃度對菌株KB52細胞生長和累積Fe(Ⅱ)濃度的影響Fig.3 Effect of NaCl concentration on cell growth and Fe(Ⅱ)concentration in the strain KB52
菌株 KB52在設(shè)定的 NaCl濃度范圍內(nèi)都具有Fe(Ⅲ)還原性質(zhì)。Fe(Ⅲ)還原效率和細胞生長變化趨勢基本一致。這也表明菌株 KB52細胞生長與鐵還原過程是同步進行。當NaCl質(zhì)量濃度分別是4和30 g/L時,菌株KB52培養(yǎng)液累積Fe(Ⅱ)濃度達到4.95 mmol/L± 0.72 mmol/L和4.41 mmol/L±0.59 mmol/L。菌株KB52隸屬克雷伯氏菌屬(Klebsiella),腸桿菌科(Enterobacteriaceae),許多克雷伯氏菌屬細菌已被報道用于鐵還原,產(chǎn)氫和產(chǎn)電研究[21,24-25]。這些克雷伯氏菌屬細菌主要從淡水環(huán)境中獲得。本實驗菌株Klebsiella sp.52分離自海洋環(huán)境的沉積物中,菌株 KB52在淡水和海水條件下都能夠利用以 Fe(OH)3為電子受體進行細胞生長和還原Fe(Ⅲ)。目前,尚未見從海洋環(huán)境中獲得該類菌株進行異化Fe(Ⅲ)還原研究的報道。
Fe(Ⅲ)還原細菌KB52分離自海洋沉積物,通過形態(tài)觀察和16S rRNA基因序列分析,該菌株鑒定為Klebsiella sp.KB52。在葡萄糖為電子供體,F(xiàn)e(OH)3為電子受體的厭氧培養(yǎng)條件下,菌株KB52細胞生長過程中具有明顯的Fe(Ⅲ)還原性質(zhì)。分析碳源和NaCl濃度對菌株 KB52細胞生長和 Fe(Ⅲ)還原效率的影響。丙酮酸鈉是菌株KB52生長和Fe(Ⅲ)還原的最適碳源。培養(yǎng)結(jié)束時,累積Fe(Ⅱ)濃度是4.41 mmol/L± 0.59 mmol/L。菌株KB52具有較強的耐鹽性,在淡水和海水培養(yǎng)條件下,菌株KB52能夠繼續(xù)生長和還原Fe(Ⅲ)。這表明Fe(Ⅲ)還原細菌KB52可用于近海沉積物中微生物介導(dǎo)異化Fe(Ⅲ)還原過程。應(yīng)用于治理海洋環(huán)境污染,還需進一步研究。
參考文獻:
[1]黎慧娟,彭靜靜.異化 Fe(Ⅲ)還原微生物研究進
展[J].生態(tài)學報,2012,32(5): 1633-1642.
Li Huijuan,Peng Jingjing.Recent advances in studies on dissimilatory Fe(Ⅲ)- reducing microorganisms[J].Acta Ecologica Sinica,2012,32(5): 1633-1642.
[2]王亞娥,馮娟娟,李杰.不同 Fe(Ⅲ)對活性污泥異化
鐵還原及除磷影響研究[J].中國環(huán)境科學,2013,33(6): 993-998.
Wang Ya'e,F(xiàn)eng Juanjuan,Li Jie.Phosphorous removal using dissimilatory reduction of different Fe(Ⅲ)in activated sludge[J].China Environmental Science,2013,33(6): 993-998.
[3]Anderson R T,Lovley D R.Hexadecane decay by met hanogenesis[J].Nature,2000,404: 722-723.
[4]Wang A J,Liu L H,Sun D,et al.Isolation of Fe(Ⅲ)-reducing fermentative bacterium Bacteroides sp.W7 in the anode suspension of a microbial electrolysis cell(MEC)[J].International Journal of Hydrogen Energy,2010,35: 3178-3182.
[5]Lovley D R,Stolz J F,Nord G L,et al.Anaerobic production of magnetite by a dissimilatory iron-reducing microorganism[J].Nature,1987,330( 6145): 252-254.[6]Scala D J,Hacherl E L,Cowan R,et al.Characterization of Fe(Ⅲ)-reducing enrichment cultures and isolation of Fe(Ⅲ)-reducing bacteria from the Savannah River site,South Carolina[J].Research in Microbiology,2006,157: 772-783.
[7]許玫英,郭俊,岑英華,等.異化Fe(Ⅲ)-還原及其在污染治理中的作用[J].微生物學通報,2007,34(1):132-136.Xu Meiying,Guo Jun,Cen Yinghua,et al.Dissimilatory Fe(Ⅲ)-reduction and its application in contaminants treatment [J].Microbiology China,2007,34(1):132-136.
[8]邢輝,趙婷婷,許澤安,等.分離自銅礦山尾礦區(qū)的鐵還原菌 nju-T1菌株: 菌種鑒定及其還原 Fe3+的最適條件[J].高校地質(zhì)學報,2011,17(1): 59-65.Xing Hui,Zhao Tingting,Xu Ze'an,et al.A Study on the ferric reduction microorganism nju-T1 isolated from Shizishan Tailings,Tongling,Anhui Province[J].Geological Journal of China Universities,2011,17(1):59-65.
[9]司友斌,王娟.異化鐵還原對土壤中重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化及其有效性影響[J].環(huán)境科學,2015,36(9): 3533- 3542.Si Youbin,Wang Juan.Influence of dissimilatory iron reduction on the speciation and bioavailability of heavy metals in soil[J].Environmental Science,2015,36(9):3533-3542.
[10]Canfield D E,Joregensen B B,F(xiàn)ossing H.Pathways of organic carbon oxidation in there continental margin sediment[J].Marine Geology,1993,113: 27-41.
[11]Iwahori K,Watanabe J,Tani Y,et al.Removal of heavy metal cations by biogenic magnetite nanoparticles produced in Fe(Ⅲ)-reducing microbial enrichment cultures[J].Journal of Bioscience and Bioengineering,2014,117: 333-335.
[12]Jensen M M,Thamdrup B,Regard S,et al.Rates and regulation of microbial iron reduction in sediments of the Baltic- North Sea transition[J].Biogeochemistry,2003,65(3): 295-317.
[13]Bongoua-Devisme A J,Mustin C,Berthelin J.Responses of iron-reducing bacteria to salinity and organic matter amendment in paddy soils of Thailand[J].Pedosphere,2012,22,375-393.
[14]Bruun A M,F(xiàn)inster K,Gunnlaugsson H P,et al.A comprehensive investigation on iron cycling in a fresh-water seep including microscopy,cultivation and molecular community analysis[J].Geomicrobiology Journal,2010,27(1): 15-34.
[15]王偉民,曲東,徐佳.水稻土中鐵還原菌的分離純化及鐵還原能力分析[J].西北農(nóng)林科技大學學報,2008,36(10): 103-109.Wang Weimin,Qu Dong,Xu Jia.Isolation of iron-reducing bacteria in paddy soil and its Fe(Ⅲ)reduction potential analysis[J].Journal of Northwest A&F Univer-sity,2008,36(10): 103-109.
[16]Lovley D R,Holmes D E,Nevin K P.Dissimilatory Fe(Ⅲ)and Mn(Ⅳ)reduction[J].Advances in Microbial Physiology,2004,49: 219-86.
[17]楊生玉,王剛,沈永紅.微生物生理學[M].北京: 化學工業(yè)出版社,2007: 78-80.Yang Shengyu,Wang Gang,Shen Yonghong.Microbial physiology[M].Beijing: Chemical Industry Press,2007:78-80.
[18]Kim G T,Hyun M S,Chang I S,et al.Dissimilatory Fe(Ⅲ)reduction by an electrochemically active lactic acid bacterium phylogenetically related to Enterococcus gallinarum isolated from submerged soil[J].Journal of Applied Microbiology,2005,99: 978-987.
[19]García-Balboa C,Chion Bedoya I,González F,et al.Bio-reduction of Fe(Ⅲ)ores using three pure strains of Aeromonas hydrophila,Serratia fonticola and Clostridium celerecrescens and a natural consortium[J].Bioresource Technology,2010,101: 7864-7871.
[20]Hobbiea S N,Li X Z,Basena M,et al.Humic substance-mediated Fe(Ⅲ)reduction by a fermenting Bacillus strain from the alkaline gut of a humus-feeding scarab beetle larva[J].Systematic and Applied Microbiology,2012,35: 226-232.
[21]Zhou X M,Jing G H,Zheng X J.Reduction of Fe(Ⅲ)EDTA by Klebsiella sp.strain FD-3 in NOx scrubber solutions[J].Bioresource Technology,2013,132: 210-216.
[22]He Z J,Qu D.Dissimilatory Fe(Ⅲ)reduction characteristics of paddy soil extract cultures treated with glucose or fatty acids [J].Journal of Enviromental Sciences,2008,20(9): 1103-1108.
[23]關(guān)舒元,朱 超,王保莉,等.鐵還原菌株 P4的碳源利用特征及其系統(tǒng)發(fā)育學分析[J].西北農(nóng)林科技大學學報,2008,36(3): 117-123.Guan Shuyuan,Zhu Chao,Wang Baoli.Characterization of iron reduction using different carbon sources and phylogenetic analysis of Fe(Ⅲ)-reducing microorganism P4[J].Journal of Northwest A&F University,2008,36(3): 117-123.
[24]鄔小兵,徐惠娟,叢一博,等.產(chǎn)酸克雷伯氏菌耐氧產(chǎn)氫及其可溶性氫酶耐氧特性研究[J].生物技術(shù),2008,18(4): 50-51.Wu Xiaobing,Xu Huijuan,Cong Yibo.Study on hydrogen production activity of Klebsielal oxytoca HP1 and stability of its soluble hydrogenase under atmosphere with O2[J].Journal of Biotechnology,2008,18(4): 50-51.
[25]彭月,朱能武,聶紅燕.一株克雷伯氏菌(Klebsiella sp.)Z6的分離及其產(chǎn)電特性研究[J].環(huán)境科學學報,2013,33(4): 1035-1042.Peng Yue,Zhu Nengwu,Nie Hongyan.Isolation of an electrogen Klebsiella sp.Z6 from anodic biofilm and its electricity- generating characteristics[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2013,33(4): 1035-1042.
(本文編輯: 劉珊珊)
Isolation and characterization of Fe(Ⅲ)-reducing bacterium Klebsiella sp.KB52 from marine sediment
LIU Hong-yan1,WANG Hong-yu1,XIE Li-xia1,WANG Guang-ce2
(1.Tianjin Key Laboratory of Marine Resources and Chemistry,College of Marine and Environmental Sciences,Tianjin University of Science and Technology,Tianjin 300457,China; 2.Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Qingdao 266071,China)
Received: Apr.17,2015
Key words:marine sediment; Fe(Ⅲ)-reducing bacterium; Klebsiella sp.KB52; Fe(Ⅲ)reduction; culture condition
Abstract:In this study,we collected marine sediment from the Bohai Sea in Tanggu,and enriched them for isolation with Fe(Ⅲ)-reducing microbial strains.The bacterium strain KB52 was isolated for high Fe(Ⅲ)-reduction and,using light microscopic examination and 16S rRNA gene sequence analysis,we identified this strain as Klebsiella sp.KB52(GeneBank KM233642).Under anaerobic conditions using glucose as an electron donor and Fe(OH)3as an electron acceptor for Fe(Ⅲ)reduction,F(xiàn)e(Ⅲ)reduction and cell growth of strain KB52 was synchronous.We investigated the effects of carbon sources,including glucose,lactate,pyruvate,acetate,formate,and propionate,on Fe(Ⅲ)-reducing activity and cell growth in the strain KB52.The results indicated that strain KB52 was able to transfer electrons to Fe(Ⅲ)using various carbon sources and showed a higher Fe(Ⅲ)-reducing activity of 4.41 mmol/L±0.59 mmol/L-Fe(Ⅱ)by adopting pyruvate.In addition,strain KB52 could grow and reduce Fe(Ⅲ)at tested ranges of NaCl concentration from 0 to 60 g/L.It also showed a strong tolerance to salt concentrations.The highest Fe(Ⅲ)-reducing activity of the strain KB52 was 4.95 mmol/L±0.72 mmol/L-Fe(Ⅱ)at an NaCl concentration of 4 g/L.Strain KB52 can grow and tolerate Fe(Ⅲ)-reducing activity under fresh water and marine conditions,which indicates that it can be used as a model organism in the study of Fe(Ⅲ)-reducing activity in isolation from the marine environment.Microbial Fe(Ⅲ)reduction by this strain will contribute to the purification of pollutants and has application to marine environmental protection.
中圖分類號:Q936
文獻標識碼:A
文章編號:1000-3096(2016)03-0065-06
doi:10.11759/hykx20150417001
收稿日期:2015-04-17; 修回日期: 2015-10-30
基金項目:天津市自然科學基金(12JCQNJC04200); 大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃(201510057134)
作者簡介:劉洪艷( 1977- ),女,吉林通化人,副教授,博士,主要從事海洋微生物研究,電話: 022-60601305,E-mail: hongyanliu1214@163.com;王廣策,通信作者,研究員,電話: 0532-82898574,E-mail: guangcewang@sohu.com