李春艷,曹會鳴,安雪姣,文璐銘,劉婉君,臧海蓮,侯 寧(東北農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院,哈爾濱 150030)
一株氯嘧磺隆高效降解菌分離鑒定及降解條件優(yōu)化
李春艷,曹會鳴,安雪姣,文璐銘,劉婉君,臧海蓮,侯寧
(東北農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院,哈爾濱150030)
采用富集培養(yǎng)方法從氯嘧磺隆生產(chǎn)單位排污口處污泥中分離得到一株能降解氯嘧磺隆細菌,命名為D310-5。通過對該菌株形態(tài)特征觀察,生理生化特性和16S rDNA序列分析,將菌株D310-5鑒定為腸桿菌屬(Enterobacter sp.)。采用響應面分析方法探究底物濃度、溫度、pH和培養(yǎng)時間對菌株D310-5降解氯嘧磺隆影響,優(yōu)化菌株D310-5對氯嘧磺隆降解條件。結果表明,菌株D310-5最佳降解條件為底物濃度101.57mg·L-1,溫度30.25℃,pH 6.63,培養(yǎng)時間5 d。在最佳條件下,菌株D310-5對氯嘧磺隆降解率為87.57%。
氯嘧磺隆;降解菌;腸桿菌屬;響應面分析法;降解條件
李春艷,曹會鳴,安雪姣,等.一株氯嘧磺隆高效降解菌分離鑒定及降解條件優(yōu)化[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報,2016,47(4):65-72.
Li Chunyan,Cao Huiming,An Xuejiao,et al.Isolation and identification of a chlorimuron-ethyl-degrading bacterium and optimization of its degradation conditions[J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(4):65-72.(in Chinese with English abstract)
網(wǎng)絡出版時間2016-4-22 10:00:53[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20160422.1000.008.html
氯嘧磺隆作為廣譜高效豆田除草劑具有高效、低毒、廣譜、高選擇性等優(yōu)點[1],但長期施用則產(chǎn)生長殘效性,在土壤中沉積可致敏感作物大量減產(chǎn),形成大豆田輪作障礙[2]。殘留氯嘧磺隆會降低土壤酶活性,改變土壤微生物群落結構,導致土壤生產(chǎn)力下降[3-4]。殘留氯嘧磺隆通過徑流、淋溶等方式進入水體對水生生物存在高風險[5]。因此,減少此類除草劑在土壤中殘留成為研究熱點。
目前,減輕環(huán)境中氯嘧磺隆污染主要有化學水解和微生物降解兩種途徑,微生物修復作用顯著[6]。目前,氯嘧磺隆降解菌株多已被分離篩選,Ma等在長期氯嘧磺隆污染土壤中篩選獲得一株氯嘧磺隆降解菌假單胞菌屬(Pseudomonas sp.)LW-3,菌株LW-3作用7 d后,可降解初始濃度為50mg·L-1氯嘧磺隆,降解率達70%~80%[7]。Zhang等從氯嘧磺隆污染土壤中分離獲得一株能降解氯嘧磺隆真菌擲孢酵母菌株(Sporobolomyces sp.),命名為LF1,該菌在30℃培養(yǎng)條件下,培養(yǎng)4 d后,可將初始濃度為5mg·L-1氯嘧磺隆降解,降解率達77%以上[8]。滕春紅等從長期施用氯嘧磺隆大豆田土壤中分離篩選獲得一株以氯嘧磺隆為唯一碳源生長的釀酒酵母菌株(Saccharomyces cerevisiae)F8,該菌株在麥芽汁液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)96 h后,對初始濃度10mg·L-1氯嘧磺隆降解率為93.07%[9]。關靚等從氯嘧磺隆馴化土壤中分離獲得一株枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)B1,無機鹽培養(yǎng)基中以37℃、120 r·min-1條件下培養(yǎng)96 h后,對初始濃度為10mg·L-1氯嘧磺隆降解率為80%[10]。Zou等分離獲得一株氯嘧磺隆降解真菌TR-H,鑒定為黑曲霉屬(Aspergillus niger),該菌在30℃恒溫震蕩培養(yǎng)箱中培養(yǎng)7 d后,可將初始濃度為10mg·L-1氯嘧磺隆降解,降解率達96.59%[11]。國內(nèi)外對氯嘧磺隆降解研究多以降解菌篩選和降解率初步測定為主,而對目標微生物降解氯嘧磺隆降解條件優(yōu)化以達到更好降解效果研究報道較少。為進一步豐富氯嘧磺隆降解菌菌種資源,優(yōu)化菌株降解條件,本研究從氯嘧磺隆生產(chǎn)單位排污口處污泥中篩選分離得到一株能高效降解氯嘧磺隆細菌,結合形態(tài)學、生理生化特性和16S rDNA序列分析等鑒定,采用響應面分析方法對該菌株降解條件優(yōu)化,為氯嘧磺隆污染土壤原位生物修復提供基礎。
1.1樣品來源
污泥樣品采自江蘇某激素研究所污水處理池(生產(chǎn)磺酰脲類除草劑20余年);氯嘧磺隆原藥(96.02%)由江蘇省激素研究所有限公司提供。
1.2培養(yǎng)基
無機鹽基礎培養(yǎng)液(MSM):K2HPO40.1 g,CaSO40.04 g,MgSO4·7H2O 0.2 g,NaCl 0.1 g,F(xiàn)eSO4· 7H2O 0.001 g,(NH4)2SO40.1 g,加蒸餾水至1 L。
牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基:牛肉膏5.0 g,蛋白胨10.0 g,NaCl 5.0 g,加蒸餾水至1 L,pH調(diào)至7.0~ 7.2。
LB培養(yǎng)基:酵母膏5.0 g,蛋白胨10.0 g,NaCl 10.0 g,加蒸餾水至1 L。
以上培養(yǎng)基均在121℃滅菌20min,在配制固體培養(yǎng)基時按2%添加瓊脂粉。
1.3氯嘧磺隆降解菌分離
采用富集培養(yǎng)方法,以氯嘧磺隆為唯一碳源,富集培養(yǎng)污泥樣品。具體步驟如下:取污泥樣品10 g放入裝有90mL無菌生理鹽水和玻璃珠三角瓶中,振蕩約20 s,使樣品與水充分混合,形成均勻懸濁液。以10%接種量轉(zhuǎn)接于裝有40mL氯嘧磺隆基礎培養(yǎng)液250mL三角瓶中,氯嘧磺隆濃度為100mg·L-1,置于30℃,165 r·min-1恒溫搖床上培養(yǎng),以后每隔1周按10%接種量接入新鮮氯嘧磺隆無機鹽基礎培養(yǎng)液中,以一定濃度梯度提高用量,至培養(yǎng)液中氯嘧磺隆濃度達到1 000mg·L-1,如此馴化約2個月。采用平板劃線法,在牛肉膏蛋白胨固體培養(yǎng)基上對經(jīng)富集培養(yǎng)后菌液純化培養(yǎng)。挑取生長較好菌落,于氯嘧磺隆終濃度為500mg·L-1基礎無機鹽平板上進一步分離純化3~4次,將得到純化降解菌株分別回接于含100mg· L-1氯嘧磺隆無機鹽基礎培養(yǎng)液中測量其生長量(OD600)及降解率,將生長及降解均較好菌株接種于含氯嘧磺隆固體無機鹽基礎培養(yǎng)基及LB培養(yǎng)基上,保存于4℃冰箱。
1.4氯嘧磺隆降解菌鑒定
將氯嘧磺隆降解菌采用平板劃線法接種于無機鹽基礎固體培養(yǎng)基,30℃恒溫培養(yǎng)5 d后觀察菌落形態(tài),參照《常見細菌系統(tǒng)鑒定手冊》進行生理生化鑒定[12]。采用分子生物學16S rDNA序列分析方法[13]對菌株種屬鑒定,引物為通用引物,上游引物BSF8/20(27f):AGAGTTTGATCCTGGCTCAG;下游引物BSR1510/1492(1492R):TACGGYTACC TTGT TACGACTT,由大連寶生物有限公司合成,擴增反應體系為:10×buffer(Mg2+)5 μL,dNTPs(2mmol·L-1)4 μL,引物(20 pmol·μL-1)各1 μL,菌體DNA(約50 ng·μL-1)1 μL,Taq DNA聚合酶(5 U·μL-1)0.5 μL,加ddH2O至50 μL。PCR反應條件:95℃5min,94℃30 s,56℃30 s,72℃90 s,30個循環(huán),72℃10min。測序結果用BLAST軟件在GenBank中比較同源性,采用軟件DNAMAN 8.0構建系統(tǒng)發(fā)育樹。
1.5氯嘧磺隆降解菌降解率測定
氯嘧磺隆濃度采用高效液相色譜Waters 600檢測。色譜柱為symmetry-C18反相柱(250mm× 4.6mm,i.d.5 μm),紫外檢測器為Watres 2487,流動相為甲醇:水(pH 3.0)=70 ? 30(V/V),冰乙酸調(diào)節(jié)pH,流量1.0mL·min-1,波長254 nm,進樣量20 μL,柱溫25℃。氯嘧磺隆采用外標法定量分析[14]。采用Empower Software(Waters,MA,USA)記錄和計算氯嘧磺隆峰面積,得出菌株D310-5降解氯嘧磺隆降解率。降解率計算公式:
式中,A0-未接菌對照培養(yǎng)液中氯嘧磺隆平均峰面積;A-接菌處理培養(yǎng)液中氯嘧磺隆平均峰面積。
1.6氯嘧磺隆降解菌降解特性
1.6.1單因素試驗
1.6.1.1培養(yǎng)時間對氯嘧磺隆降解菌降解率影響
以3%接種量將菌懸液接種到100mL無機鹽基礎培養(yǎng)液中,培養(yǎng)時間分別為2、3、4、5、6 d,溫度為30℃,pH 6.5,底物濃度為100mg·L-1條件下,檢測D310-5對氯嘧磺隆降解性能及生長量(OD600)。
1.6.1.2溫度對氯嘧磺隆降解菌降解率影響
以3%接種量將菌懸液接種到100mL無機鹽基礎培養(yǎng)液中,分別在24、26、28、30和32℃,pH 6.5,底物濃度為100mg·L-1條件下,培養(yǎng)5d后,檢測D310-5對氯嘧磺隆降解性能及生長量(OD600)。
1.6.1.3底物濃度對氯嘧磺隆降解菌降解率影響
分別以50、100、150、200、250mg·L-1作為無機鹽基礎培養(yǎng)液中底物濃度,置于30℃,pH 6.5,接種量為3%條件下,培養(yǎng)5 d后,檢測D310-5對氯嘧磺隆降解性能及生長量(OD600)。
1.6.1.4pH對氯嘧磺隆降解菌降解率影響
將無機鹽基礎培養(yǎng)液初始pH分別調(diào)至5.5、6.0、6.5、7.0、7.5,在30℃,底物濃度為100mg·L-1,接種量為3%條件下,待培養(yǎng)5 d后,檢測D310-5對氯嘧磺隆降解性能及生長量(OD600)。
1.6.1.5接種量對氯嘧磺隆降解菌降解率影響
將菌懸液分別以1%、2%、3%、4%、5%接種量接種到100mL無機鹽基礎培養(yǎng)液中,置于30℃,底物濃度為100mg·L-1,pH 6.5條件下,待培養(yǎng)5 d后,檢測D310-5對氯嘧磺隆降解性能及生長量(OD600)。
1.6.2響應面試驗設計
根據(jù)單因素試驗結果,利用Design-Expert 8.0.6軟件中Box-Behnken design(BBD)模型進行4因素3水平試驗設計,以培養(yǎng)時間(A)、溫度(B)、底物濃度(C)、pH(D)為自變量,以降解率為唯一響應值,其中試驗設計因素水平見表1。二次回歸方程用以擬合自變量和響應值之間函數(shù)關系[15],公式如下:
式中,Y-預期響應值;A-常數(shù);Aj-單因素直線系數(shù);Ajj-單因素平方系數(shù);Aij-兩個因素交互系數(shù)。
表1 菌株D310-5響應面試驗因素及水平Table 1 Factors and levels of response surface experiments of strain D310-5
2.1降解菌株分離純化
經(jīng)分離和純化獲得一株氯嘧磺隆降解細菌,降解率為80%以上。命名為D310-5。菌株D310-5菌落培養(yǎng)特征、革蘭氏染色和掃描電鏡照片如圖1所示,生理生化指標見表2。
2.2基于16S rDNA基因序列系統(tǒng)發(fā)育分析
菌株D310-5序列已在GenBank中注冊,登錄號為KU204704。結果顯示,菌株D310-516S rDNA序列與Enterobacter sp.具有較高序列同源性,系統(tǒng)發(fā)育關系見圖2。
圖1 菌株D310-5菌落及菌體形態(tài)Fig.1 Morphological characteristics of strain D310-5
表2 菌株D310-5生理生化特征Table 2 Physiological and biochemical characteristics of strain D310-5
圖2 降解菌D310-5系統(tǒng)發(fā)育樹Fig.2 Phylogenetic tree of strain D310-5
由圖2可知,菌株D310-5與Enterobacter sp.6-63(KF805388)及 Enterobacter soli strain PR(KP9 66503)相似性均大于95%。因此可將其歸為同一屬。系統(tǒng)發(fā)育樹分析可知,菌株D310-5屬于En?terobacter sp.。
2.3單因素試驗
不同因素對菌株D310-5生長量及氯嘧磺隆降解率影響見圖3。
由圖3a可知,菌株D310-5生長量及氯嘧磺隆降解率隨培養(yǎng)時間延長呈先升后平趨勢,培養(yǎng)時間為5 d時,菌株D310-5對氯嘧磺隆降解率達82%。
由圖3b可知,當溫度為30℃時,菌株D310-5生長量和氯嘧磺隆降解率均達到最高點,氯嘧磺隆降解率最大值為81.6%。
由圖3c可知,菌株D310-5生長量隨底物濃度增加而升高,培養(yǎng)液初始底物濃度為50~250mg·L-1時,菌株D310-5均可生長并具有降解效能,但其降解率隨初始培養(yǎng)液中底物濃度呈先升后降趨勢,當氯嘧磺隆濃度達100mg·L-1時,菌株D310-5對氯嘧磺隆降解率最高,可達79%。但隨底物濃度增加,降解率逐漸下降。
由圖3d可知,菌株D310-5生長量和氯嘧磺隆降解率隨pH呈先升后降趨勢,當pH 6.5~7.0時,菌株D310-5生長量最佳且氯嘧磺隆降解率達最大值,說明菌株D310-5適合在中性偏酸性環(huán)境下生長。
由圖3e可知,當接種量3%~5%時,菌體生長量及氯嘧磺隆降解率趨于平穩(wěn)狀態(tài),本試驗采用3%作為最適接種量。為獲得更高降解率,本研究利用響應面分析方法優(yōu)化菌株D310-5氯嘧磺隆降解條件。
圖3 各因素對菌株D310-5生長量及氯嘧磺隆降解率影響Fig.3 Effects of different factors on growth and chlorimuron-ethyl degradation rate of strain D310-5
2.4響應面優(yōu)化結果
菌株D310-5響應面試驗設計結果見表3。利用Design-Expert 8.0.6軟件,對BBD模型試驗數(shù)據(jù)進行多項回歸分析得到二次擬合模型為:
回歸方程中,Y為菌株D310-5氯嘧磺隆降解率;A、B、C、D分別為培養(yǎng)時間、溫度、底物濃度和pH。
表3 菌株D310-5響應面試驗設計與結果Table 3 Experimental design and results of RSM of strain D310-5
利用Design-Expert 8.0.6軟件分析得出菌株D310-5氯嘧磺隆降解率響應分析試驗回歸分析結果見表4。
由菌株D310-5回歸分析結果可知,菌株D310-5降解率模型P<0.0001、F=185.06、失擬P= 0.1235、R2=0.9946,表明該模型與實際情況擬合良好[16-17]。A、B、C、D、AC、AD、BC、BD、CD、 A2、B2、C2和D2P<0.05,說明這些獨立變量和交互組合對菌株D310-5降解率影響顯著。在獨立變量中,A、B、C和D均P<0.0001,但C的F值最大,即P值最小,說明在獨立變量中C對菌株D310-5降解率發(fā)揮最顯著作用。由上述結果可知,氯嘧磺隆降解率響應面分析各變量對降解率影響依次為:底物濃度>pH>培養(yǎng)時間>溫度。
表4 菌株D310-5響應分析試驗回歸分析結果Table 4 Results of the regression analysis of RSA of strain D310-5
不同交互組合對菌株D310-5氯嘧磺隆降解率影響見圖4。
由圖4a可知,當pH和培養(yǎng)時間固定在零水平(6.5,5 d)時,菌株D310-5降解率較大值在溫度30.28~31.03℃和底物濃度101.42~103.51mg·L-1范圍內(nèi)獲得。
溫度-pH交互組合對菌株降解率影響情況見圖4b。當培養(yǎng)時間和底物濃度維持在零水平(5 d,100mg·L-1)時,菌株D310-5氯嘧磺隆降解率較大值在溫度31.13~32.05℃和pH 6.55~6.73獲得。
圖4c為pH-底物濃度交互組合對菌株氯嘧磺隆降解率影響情況。與圖4a和4b可知,pH-底物濃度交互組合曲面圖最陡峭,說明pH-底物濃度交互組合對菌株氯嘧磺隆降解率起顯著作用。
圖4 不同因素對菌株D310-5氯嘧磺隆降解率產(chǎn)生交互影響響應曲面Fig.4 Response surface plot of themutual effect on chlorimuron-ethyl degradation rate of strain D310-5
由上述分析結果可知,當各因素固定在零水平時,較大降解率集中在曲面中心區(qū)域,在此區(qū)域內(nèi)均存在降解率極值點。經(jīng)Design-Expert 8.0.6軟件分析可得菌株D310-5對氯嘧磺隆降解率最優(yōu)條件為培養(yǎng)時間5 d,溫度30.25℃,底物濃度101.57mg·L-1,pH 6.63。
為驗證菌株D310-5氯嘧磺隆降解率響應模型預測降解率準確性和可靠性,在最佳條件下進行3組平行驗證試驗,結果為87.57%,接近模型預測值88.04%,表明該模型預測準確。
研究者已篩選出多株具有氯嘧磺隆降解能力菌株,但菌株對氯嘧磺隆降解底物濃度較低(5~50mg·L-1),降解所需時間一般為4~7 d,降解效果不理想(70%~80%)[18]。因此,獲得高效氯嘧磺隆降解能力菌株對提高氯嘧磺隆降解效率具有重要意義。本研究篩選出以氯嘧磺隆為唯一碳源生長的腸桿菌屬(Enterobacter sp.)D310-5,其對氯嘧磺隆降解報道本文尚屬首次。該菌株在培養(yǎng)5 d后,對初始濃度100mg·L-1氯嘧磺隆降解率可達80%以上。目前對于腸桿菌屬研究僅局限于污水處理[19]、抗病性等[20]。本研究篩選獲得氯嘧磺隆降解菌株,可豐富氯嘧磺隆降解菌菌種資源,為實際應用提供理論基礎。
本研究在單因素試驗中選取溫度、底物濃度、培養(yǎng)時間、接種量及pH五個因素,結果表明,菌株D310-5在pH 6.5、培養(yǎng)溫度30℃、底物濃度100mg·L-1、接種量3%條件下培養(yǎng)5 d,最高降解率可達82%。為達到更高降解率,利用響應面分析方法對菌株D310-5氯嘧磺隆降解條件優(yōu)化結果為培養(yǎng)時間5 d,溫度30.25℃,底物濃度101.57mg·L-1,pH 6.63,最高降解率達87.57%,比優(yōu)化前提高6.36%。
菌株D310-5在實驗室條件下對氯嘧磺隆有較高降解能力,但其對田間氯嘧磺隆污染土壤實際修復能力尚需深入研究。后續(xù)研究中將探討菌株D310-5對氯嘧磺隆降解機制及與其他氯嘧磺隆降解菌復配制備降解菌劑用于土壤修復可行性,為氯嘧磺隆污染土壤原位生物修復提供研究基礎。
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Isolation and identification of a chlorimuron-ethyl-degrading bacterium and optimization of its degradation conditions
LI Chunyan,CAO Huiming,AN Xue-jiao,WEN Luming,LIU Wanjun,ZANG Hailian,HOU Ning(School of Resources and Environmental Sciences,NortheastAgricultural University,Harbin 150030,China)
A chlorimuron-ethyl-degrading strain D310-5 was isolated from the sludge samples which derived from chlorimuron-ethyl production factory by themethod of enrichment culture.Based onmorphology,physiological and biochemical characteristics,16S rDNA sequence analysis,strain D310-5 was identified asEnterobactersp.The effects of substrate concentration,temperature,pH and culture time on the chlorimuron-ethyl degradation by strain D310-5 were optimized using a response surfacemethodology(RSM).The results showed that the optimal chlorimuron-ethyl degradation conditions were substrate concentration 101.57mg·L-1,temperature 30.25℃,pH 6.63,culture time 5 d.Under the optimal degrading conditions,the chlorimuron-ethyl degradation efficiency of strain D310-5 was 87.57%.
chlorimuron-ethyl;degradation bacterium;Enterobactersp.;response surfacemethodology;degradation conditions
X172
A
1005-9369(2016)04-0065-08
2015-10-20
國家自然科學基金項目(41471263)
李春艷(1970-),女,教授,博士,研究方向為環(huán)境微生物學。E-mail:chunyanli@neau.edu.cn