摘要:從污染水域篩選獲得了1株可在含有100 mg/L Cd2+的培養(yǎng)基上生長的耐鎘菌株Cd-t1。通過形態(tài)觀察、16S rDNA擴增及系統(tǒng)發(fā)育分析,將其初步鑒定為嗜堿性假單胞菌(Pseudomonas alcaliphila)。不同Cd2+濃度處理下菌株的生長曲線顯示,各濃度Cd2+處理延緩了該菌株的生長時期。進一步利用掃描電鏡、能譜分析與質(zhì)粒消除試驗發(fā)現(xiàn),該菌株的Cd2+耐受性與其形態(tài)適應(yīng)性變化和C、N、O、P、Na、K、Ca等元素含量的改變相關(guān),并決定于質(zhì)粒上的鎘耐受基因。
關(guān)鍵詞:鎘污染;假單胞桿菌;16S rDNA;能譜分析;掃描電子顯微鏡
中圖分類號:Q939.99 文獻標識碼:A 文章編號:0439-8114(2016)11-2765-04
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.11.014
有色金屬采選和冶煉、鎘化合物工業(yè)、電池制造業(yè)等排放的含鎘廢水使中國部分地區(qū)耕地土壤受到不同程度的鎘污染[1,2],而這些土壤中的鎘會通過食物鏈向人類轉(zhuǎn)移并在肝臟蓄積[3,4]。鎘在與含巰基、羥基的蛋白質(zhì)分子結(jié)合后,會通過血液循環(huán)轉(zhuǎn)移到腎臟,引起肝、腎等內(nèi)臟器官及血液循環(huán)系統(tǒng)損傷,并致癌和致突變[5,6]。因此,鎘污染的治理和修復(fù)具有十分重要的現(xiàn)實意義。但是,用于重金屬污染治理的傳統(tǒng)物理和化學(xué)方法費用高、能耗大,并易造成二次污染。而生物修復(fù)法作為新興的重金屬修復(fù)技術(shù)備受關(guān)注。其中,微生物特別是細菌以其數(shù)量眾多、代謝活動旺盛在重金屬的生物吸附中具有較好的應(yīng)用前景[7]。
本研究從鎘污染水域中分離獲得1株耐鎘菌株Cd-t1,在利用形態(tài)觀察結(jié)合16S rDNA序列分析了其系統(tǒng)發(fā)育地位后,對不同Cd2+濃度處理下的菌株生長狀況、形態(tài)特征及元素的積累狀況進行了檢測和觀察,并對鎘耐受基因進行了初步的定位,以期為進一步的基因克隆及構(gòu)建高效耐鎘菌株奠定基礎(chǔ)。
1 材料與方法
1.1 菌株的篩選
試驗水樣于2011年8月取自渭河楊凌段。樣品接種于含30 mg/L CdCl2的牛肉膏蛋白胨固體培養(yǎng)基上(牛肉膏0.5%,蛋白胨1.0%,NaCl 1.5%,瓊脂粉2%,pH 7.2),以平板劃線法分離菌株,培養(yǎng)獲得單菌落。將其命名為Cd-t1,并接種于牛肉膏蛋白胨斜面培養(yǎng)基上保存、備用。
1.2 菌株的16S rDNA鑒定
依據(jù)文獻[8]提取菌株Cd-t1的基因組DNA,利用通用引物27F:5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′,1492R:5′-GGTTACCTTGTTACGACTT-3′進行16S rDNA擴增,引物由Takara公司合成。使用TaKaRa premix TaqTM擴增目的片段,PCR反應(yīng)體系(50 μL)為:PCR Premix 25 μL,上下游引物(10 pmol)各0.5 μL,模板(300 ng/μL)1 μL,16S-free H2O 23 μL。PCR反應(yīng)程序為:94 ℃預(yù)變性5 min;94 ℃變性60 s,55 ℃退火60 s,72 ℃延伸90 s,共進行30個循環(huán);72 ℃延伸5 min。反應(yīng)產(chǎn)物用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測,凝膠成像系統(tǒng)照相。
PCR產(chǎn)物送Takara公司測序,測序結(jié)果在NCBI上進行BLAST分析,并利用MEGA 4.0構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。
1.3 不同鎘濃度處理下菌株的生長曲線
挑取Cd-t1單菌落在分別含有0、10、20、30、40、50 mg/L CdCl2的牛肉膏蛋白胨液體培養(yǎng)基中于28 ℃、180 r/min振蕩培養(yǎng)72 h。期間,每2 h取樣并在600 nm下測定吸光度,檢測細菌生長狀況。每種處理3個重復(fù),計算平均值。
1.4 菌株的掃描電鏡觀察
菌株Cd-t1在分別含有0、20、40、60、80、100 mg/L CdCl2的牛肉膏蛋白胨固體培養(yǎng)基上過夜培養(yǎng)后,參考郭瑞軍等[9]的方法,挑取單菌落進行掃描電鏡樣品制備。樣品經(jīng)2.5%戊二醛固定4 h后,經(jīng)0.1 mol/L PBS(pH 7.2)洗滌3次(每次10 min),梯度濃度乙醇50%-70%-83%-95%-100%干燥(每級15 min,其中無水乙醇干燥兩次),乙酸異戊酯置換10 min后,用CO2臨界點干燥儀干燥、噴金,并在場發(fā)射掃描電子顯微鏡(Hitachi S-4800)下觀察菌體形態(tài)和照相。
1.5 菌株的能譜分析
利用X射線能譜分析儀(EDAX GENESIS XM2 SYSTEM 60x)對菌株Cd-t1微區(qū)進行能譜分析,檢測C、N、O、Na、Mg、Al、Si、P、Pt、Cd、K、Ca元素相對含量(質(zhì)量分數(shù)),加速電壓為15 kV。試驗重復(fù)3次,計算平均值。
1.6 質(zhì)粒的消除
參考段學(xué)軍等[6]的方法進行質(zhì)粒消除試驗。將分離得到的菌株Cd-t1接種于含有20 mg/L SDS的牛肉膏蛋白胨液體培養(yǎng)基中,43 ℃振蕩培養(yǎng)過夜。再蘸取菌液,在含30 mg/L Cd2+或不含Cd2+的牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基平板上劃線,于28 ℃恒溫過夜培養(yǎng),觀察菌落生長情況。每處理3個重復(fù),以未進行質(zhì)粒消除的菌株Cd-t1作為對照。
2 結(jié)果與分析
2.1 菌株的16S rDNA分析及系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建
經(jīng)反復(fù)劃線純化后,篩選得到1株在含30 mg/L Cd2+的牛肉膏蛋白胨固體培養(yǎng)基上生長良好的菌株,命名為Cd-t1。其菌落呈白色,表面光滑濕潤,邊緣整齊,較黏稠,不易挑起。
以菌株Cd-t1基因組DNA為模版,采用細菌通用引物進行16S rDNA擴增,在1 500 bp左右可觀察到明顯條帶(圖1)。PCR產(chǎn)物經(jīng)測序得到1 406 bp序列,在Genebank注冊后(KP319030),進行序列相似性分析。結(jié)果顯示,菌株Cd-t1與嗜堿性假單胞菌(Pseudomonas alcaliphila)、蒙氏假單胞菌(P. monteilii)等假單胞菌屬(Pseudomonas)菌株16S rDNA序列同源性較高。采取MEGA 4.0軟件包中Neighbor-joining法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹,菌株Cd-t1與嗜堿性假單胞菌(P. alcaliphila)聚為一支(圖2),同源性達到99%。因此,可初步將菌株Cd-t1鑒定為嗜堿性假單胞菌。
2.2 不同鎘濃度處理下假單胞桿菌的生長曲線
從圖3可以看出,在不同Cd2+濃度處理下,菌株Cd-t1都呈現(xiàn)較為平滑的生長曲線。但菌株Cd-t1進入生長穩(wěn)定期的時間比對照明顯滯后,而且Cd2+濃度越高,滯后作用越明顯,尤其是在50 mg/L Cd2+處理下,菌株Cd-t1的滯后期達到72 h以上。當菌株Cd-t1在Cd2+濃度50~100 mg/L范圍內(nèi)培養(yǎng)時,菌株仍可達到對數(shù)生長期,但滯后作用明顯加強(數(shù)據(jù)未顯示)。但是在穩(wěn)定期,對照與不同Cd2+濃度處理的OD600 nm值差異較小。這表明菌株Cd-t1可能具有較強的Cd2+耐受能力,不同濃度的Cd2+處理可能主要延緩了菌株Cd-t1的生長時期。
2.3 不同鎘濃度處理下假單胞桿菌的形態(tài)特征
分別取在含有0、20、40、60、80、100 mg/L Cd2+的牛肉膏蛋白胨固體培養(yǎng)基上過夜培養(yǎng)的菌株Cd-t1,置掃描電鏡下觀察其形態(tài)改變。當培養(yǎng)基中添加有Cd2+時,菌株Cd-t1的生長密度較對照明顯下降,說明不同濃度的Cd2+處理均延緩了菌株的生長。此外,當Cd2+濃度在60 mg/L以下時,菌株Cd-t1的形態(tài)和對照相比沒有明顯改變,都呈桿狀;當Cd2+濃度為80和100 mg/L時,菌株Cd-t1形態(tài)呈米粒狀,短而圓,同時,菌株表面粗糙,有褶皺(圖4)。這說明較低的Cd2+濃度對菌株Cd-t1形態(tài)發(fā)育影響較小,而較高的Cd2+濃度會影響菌株的形態(tài)結(jié)構(gòu)。
2.4 高濃度鎘處理下假單胞桿菌的元素相對含量
為進一步研究菌株Cd-t1對Cd2+的吸附狀況和其他元素的相對含量變化,利用X-射線能譜儀檢測了高濃度(80和100 mg/L)Cd2+處理下微區(qū)的C、N、O、Na、Mg、Al、Si、P、Pt、Cd、K、Ca等元素的相對含量。結(jié)果表明,除Mg、Al元素部分處理未檢出,Si含量測定易受載玻片影響外,Cd、C、N、O、P、Pt元素含量增加,而Na、K、Ca元素含量下降(圖5、表1)。其中,C、N、P元素的增幅最為明顯,在Cd2+處理濃度為80 mg/L時分別達到對照的1.31、1.79、7.09倍;在Cd2+處理濃度為100 mg/L時分別達到對照的1.42、2.36和8.14倍。在Cd2+處理濃度為80 mg/L時,Na為對照的80.88%,K為對照的77.08%,Ca為對照的39.02%;在Cd2+處理濃度為100 mg/L時,Na為對照的77.39%,K為對照的56.25%,Ca為對照的39.58%。
2.5 質(zhì)粒的消除
在利用SDS進行質(zhì)粒消除后,菌株Cd-t1在不含Cd2+的牛肉膏蛋白胨固體培養(yǎng)基上生長良好,但在含有30 mg/L Cd2+的牛肉膏蛋白胨固體培養(yǎng)基上不能生長;而未進行質(zhì)粒消除試驗的菌株Cd-t1在含有和不含Cd2+的牛肉膏蛋白胨固體培養(yǎng)基上均生長良好(圖6)。這說明菌株對于Cd2+的耐受性是由質(zhì)粒決定的,在質(zhì)粒消除后,菌株對Cd2+的耐受性隨之消失。
3 討論
假單胞菌屬是具有重金屬抗性的最重要的細菌類群之一。目前,已在水稻根際[10]、污染土壤[11]、污染水域[12]、污染河泥[13]等處分別分離到耐鎘的假單胞菌屬菌株。這些假單胞菌可能利用其對重金屬的抗性,將鎘等重金屬在體內(nèi)進行富集[14,15]。作者從鎘污染水域中通過連續(xù)的平板劃線獲得1株耐鎘菌株Cd-t1,通過形態(tài)觀察和16S rDNA序列分析將其鑒定為嗜堿性假單胞菌。然而,關(guān)于嗜堿性假單胞菌鎘耐受性的報道較少。為進一步確認篩選的嗜堿性假單胞菌的鎘耐受性及生長特征,在不同Cd2+濃度處理下檢測了菌株的生長情況。結(jié)果顯示,嗜堿性假單胞菌Cd-t1在Cd2+濃度0~100 mg/L范圍內(nèi)培養(yǎng)時均可良好生長,顯示了較好的鎘耐受性。掃描電鏡結(jié)果顯示,在較高濃度的Cd2+處理后,菌株生長未受到明顯抑制,但菌株形態(tài)發(fā)生了適應(yīng)性的變化。
為進一步研究嗜堿性假單胞菌Cd-t1在Cd2+處理下的元素組成狀況,采用能譜分析儀對微區(qū)內(nèi)樣品進行了化學(xué)元素的測定分析。其中,Cd、C、N、O、P、Pt元素含量增加,而Na、K、Ca元素含量下降。研究發(fā)現(xiàn),嗜堿性假單胞菌能夠在堿性條件下分解有機物的同時,產(chǎn)生吩嗪-1-羧酸介體(Phenazine-1-carboxylic acid,PCA),該介體起到電子穿梭的作用,將有機物中的能量全部以電子的形式轉(zhuǎn)移到外電路,實現(xiàn)電子從有機物到電極的傳遞過程[16],在此過程中還原銅、鎘等多種重金屬離子。當Cd2+占據(jù)鈣離子通道并進入細胞后,會干擾細胞鈣代謝、破壞胞內(nèi)的離子平衡狀態(tài),使胞內(nèi)的Na+、K+等金屬離子運輸?shù)桨鈁17]。在離子運輸?shù)倪^程中,由于假單胞桿菌極強的溶磷能力[18],促使磷和細胞膜上的特殊蛋白質(zhì)結(jié)合進入細胞[19]。
綜上所述,本研究篩選獲得了1株Cd2+耐受性較強的菌株Cd-t1,并通過16S rDNA擴增等方法將其初步鑒定為嗜堿性假單胞菌。掃描電鏡、能譜分析和質(zhì)粒消除試驗結(jié)果顯示,該菌株對Cd2+的耐受性與其形態(tài)適應(yīng)性變化和相關(guān)離子濃度改變有關(guān),并決定于質(zhì)粒上的鎘耐受基因。這些研究為進一步闡明該菌株的Cd2+耐受機制、Cd2+耐受基因的克隆和精確定位,以及構(gòu)建和改造Cd2+耐受菌株并高效凈化環(huán)境Cd2+污染奠定了基礎(chǔ)。
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