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CN107058189B - 巨大芽孢杆菌及其在处理重金属-草甘膦复合污染中应用 - Google Patents

巨大芽孢杆菌及其在处理重金属-草甘膦复合污染中应用 Download PDF

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Abstract

巨大芽孢杆菌Bacillus megaterium PP84，保藏单位：中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(CGMCC)，地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3号，中国科学院微生物研究所，保藏日期：2016年7月20日，保藏编号为CGMCC No.12798。具有利用草甘膦作为碳、氮源的能力，以及对重金属具有抗性的能力，可在快速将草甘膦分解同化的同时吸附重金属，达到降解环境中草甘膦的目的。

Description

巨大芽孢杆菌及其在处理重金属-草甘膦复合污染中应用
技术领域
本发明属于微生物领域，尤其涉及一株具有重金属抗性的巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium)及其在重金属污染环境下对草甘膦的降解。
背景技术
草甘膦(N-膦酸甲基-甘氨酸)是一种内吸传导型广谱除草剂，因其高效、作用效果显著在农业上被广泛应用。但近年来的研究表明，长期施用草甘膦会对非靶标生物和环境造成不可估计的影响，尤其是对水生生物和土壤微生物等具有非常严重的毒害作用。此外，随着现代工农业的发展，进入环境中的重金属日益增多，污水灌溉、含重金属农药和化肥施用等的频繁使用，更加恶化了环境。这些生产方式可能导致重金属-草甘膦的复合污染，对生态系统的结构和功能产生影响。
农药残留的传统处理方法主要采取化学法或焚烧、掩埋的方法。这些方法的缺点很明显，即副作用大、易造成二次污染、成本较高、作用慢等。生物修复主要是利用微生物及其产品来降解污染物，它具有无毒、无残留、成本较低等优点。到目前为止，大多数报道草甘膦降解菌对有毒重金属元素并不具有很好的抗性，不能在重金属存在的环境中对草甘膦进行有效降解，限制了微生物修复技术的实际应用范围。重金属-草甘膦复合污染形式非常普遍地存在于环境中，微生物降解法的关键是筛选并分离出高效、安全、环境适应性强的草甘膦降解菌株。因此，筛选具有重金属抗性的高效草甘膦降解菌，利用这些菌株具有利用草甘膦作为碳源和氮源的能力，以及对重金属具有抗性的能力，可在快速将草甘膦分解同化的同时吸附重金属，达到降解环境中草甘膦的目的。
发明内容
针对现有技术无法有效处理重金属-草甘膦复合污染的上述问题，本发明旨在提供一种具有重金属抗性的高效降解草甘膦废水的巨大芽孢杆菌，利用这种巨大芽孢杆菌降解水体中草甘膦污染物的方法，解决重金属污染环境下草甘膦的微生物降解问题。该方法利用可以在较高浓度重金属条件下生长的胶红酵母降解水中的草甘膦，是一种操作简单、成本低廉的降解水体中草甘膦的方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一株巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium)PP84，其保藏编号为CGMCC No.12798。
上述巨大芽孢杆菌在处理重金属-草甘膦复合污染中的应用。
一种重金属-草甘膦废水的处理方法将权利要求1所述的巨大芽孢杆菌悬浮于含重金属-草甘膦复合污染物的废水中培养。
上述技术方案，进一步地，所述草甘膦的浓度为500mM。
上述技术方案，进一步地，所述重金属为Cu2+、Cd2+、Ni2+或Cr6+，所述Cu2+的浓度为250mg/kg，Cd2+的浓度为5mg/kg，Ni2+的浓度为100mg/kg，Cr6+的浓度为250mg/kg。
上述技术方案，进一步地，所述巨大芽孢杆菌的接种量为2-5％。
上述技术方案，进一步地，所述废水的pH范围为4.0-9.0。
上述技术方案，进一步地，所述培养的pH范围为5.0-8.0。
上述技术方案，进一步地，所述培养的温度为30-37℃。
上述技术方案，进一步地，所述培养时间56-90h。
本发明分离筛选的胶红酵母菌具有以下优势：
(1)本发明的巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium)PP84能够降解草甘膦以其作为唯一碳源生长，培养60h左右达到最大OD值。菌株抗草甘膦浓度在500mmol/L以上。在草甘膦浓度为100和250mM的基础盐培养基中，培养56h后菌株PP84对草甘膦的降解率达到最大，分别为81.9％和79.3％。在草甘膦浓度为500mM时，菌株PP84在培养72h时对草甘膦的降解率达到最大，为53.1％。
(2)本发明的菌株PP84菌株PP84在以草甘膦为唯一碳源的培养基中生长的pH范围较宽，在pH4.0到pH9.0之间范围内生长良好，对草甘膦均有较好的降解作用。菌株PP84在pH6.0草甘膦的降解率达到最大值，为83.5％。
(3)本发明的菌株PP84在重金属Cu2+浓度为0-250mg/kg范围内，均能保持对草甘膦均有较好的降解作用。在重金属Cu2+浓度为0、5、50、100和250mg/kg时，培养56h后，菌株PP84对草甘膦的降解率分别为：79.5％、79.8％、61.3％、52.7％和48.5％。
(4)本发明的菌株PP84在重金属Cd2+浓度为0-5mg/kg范围内，均能保持对草甘膦均有较好的降解作用。在重金属Cd2+浓度为0、0.25、1、2.5和5mg/kg时，培养56h后，菌株PP84对草甘膦的降解率分别为：77.8％、78.1％、73.6％、51.5％和47.8％。
(5)本发明的菌株PP84在重金属Ni2+浓度为0-100mg/kg范围内，均能保持对草甘膦均有较好的降解作用。在重金属Cd2+浓度为0、2.5、10、50和100mg/kg时，培养56h后，菌株PP84对草甘膦的降解率分别为：79.0％、78.5％、74.3％、52.5％和41.8％。
(6)本发明的菌株PP84在重金属Cr6+浓度为0-250mg/kg范围内，均能保持对草甘膦均有较好的降解作用。在重金属Cd2+浓度为0、5、50、100和250mg/kg时，培养56h后，菌株PP84对草甘膦的降解率分别为：78.5％、79.2％、68.5％、59.3％和42.1％。
本发明的菌株PP84对酸碱度、重金属污染等各种环境条件适应性较强、降解效果好，为应用于草甘膦污染的生物修复提供菌种资源以及理论依据。
附图说明
图1为本发明巨大芽孢杆菌PP84平板图；
图2为本发明巨大芽孢杆菌PP84镜检图；
图3为菌株16S rDNA区域的PCR扩增产物电泳图(从上到下依次是2000bp、1000bp、750bp、500bp、400bp、300bp、200bp、100bp)；
图4为菌株PP84对草甘膦浓度的耐受性；
图5为菌株PP84对不同浓度草甘膦的降解；
图6为pH对菌株PP84降解草甘膦的影响。
生物材料样品保藏信息：
巨大芽孢杆菌Bacillus megaterium PP84，保藏单位：中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(CGMCC)，地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3号，中国科学院微生物研究所，保藏日期：2016年7月20日，保藏编号为CGMCC No.12798。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图对本发明做进一步详细说明。
以下实施例用的材料如下：
富集培养基(g/L)：牛肉膏5.0g，蛋白胨10.0g，NaCl 5g，pH 7.2～7.4。
无机盐培养基(g/L)：MgSO4·7H2O 0.5g、KCl 0.5g、K2HPO4 1.31g、NaNO3 3.0g、FeSO4·7H2O 0.02g。
牛肉膏蛋白胨固体培养基(g/L)：麦芽汁20g，蛋白胨1g，葡萄糖20g，琼脂20g，pH7.2～7.4。
重金属Cu2+、Cd2+、Ni2+、Cr6+溶液：所用药品分别为CuCl2·2H2O、CdCl2·2.5H2O、NiCl2·6H2O、Cr2K2O7，天津市申泰化学试剂有限公司生产，分析纯，纯度≧99％。
实施例1，巨大芽孢杆菌PP84的筛选
(一)菌株的分离及纯化
1、菌株的富集：采集长期施用草甘膦的农田土壤样品2.5g，置于含有60mL富集培养基的摇瓶中，加入由无菌水配置的100mM草甘膦30mL和5mM CuCl2溶液10mL，置于摇床中，30℃，180rpm，恒温振荡培养4d。
2、菌株的驯化：在无菌条件下按10％的接种量将菌液加入以草甘膦为唯一碳源的无机盐基础液体培养基中，草甘膦和Cu2+的浓度分别由100mM、250mM增加到500mM，由5mM、10mM增加到15mM。培养液总体积为100mL，置于摇床中，30℃，180rpm，恒温振荡培养，4d为一个驯化周期，进行三个周期的驯化。
3、菌株的纯化：
经过三个周期的驯化，无菌条件下取100μL培养液在含有草甘膦作为唯一碳源的无机盐平板上涂布，30℃恒温培养，挑取单菌落，反复划线分离纯化，得到单一菌落，如图1所示。将得到的菌株接种于牛肉膏蛋白胨平板上，4℃保存。
(二)巨大芽孢杆菌PP84菌株的鉴定
1、形态特征与基本生理生化特性：
菌株PP84在固体培养基上菌落形态如图1所示，菌株PP84菌落大，表面粗糙，扁平，不规则，不透明。革兰氏染色后显微镜观察可知，该菌体呈杆状，无鞭毛，单个或链状排列，革兰氏染色阳性反应，如图2所示。对PP84进行生理生化鉴定表明：菌株的接触酶、氧化酶、牛奶胨化、明胶水解和淀粉水解均为阳性；硝酸盐还原和V-P反应均为阴性，不产生苯丙氨酸脱氨酶；可利用D-葡萄糖、D-甘露醇、麦芽糖，不发酵L-阿拉伯糖，D-木糖。
2、分子遗传学分类鉴定：
提取到该菌株的DNA后进行细菌16S rDNA序列PCR扩增，图3为菌株16SDNA区域的PCR扩增产物电泳图，将测序结果在NCBI上进行blast比对分析，发现其与巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium BS9，登录号为KR0631831.1)的DNA序列同源性为100％。结合传统的形态特征和生理生化鉴定结果，鉴定菌株为巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium)。巨大芽孢杆菌PP84 16S rDNA部分基因序列如SEQUENCE LISTING所示。
实施例2菌株PP84对草甘膦的耐受性及降解性
无菌条件下，将纯化好的菌株PP84在含200mM草甘膦的基础盐培养基中预培养24h(OD≈1.0)，培养液按照体积分数为5％的接种量接种至基础盐培养基中，分别添加不同浓度(100、250和500mM)的草甘膦作为碳源，30℃，180rpm，振荡培养4d。每隔6h取样测定菌体生长量和对草甘膦的降解率。使用紫外分光光度计测定菌体在波长600mn处的OD值，绘制生长曲线。采用亚硝基化紫外分光光度法测定上清液中草甘膦的浓度。
降解率的计算方法：降解率(％)＝(1-C1/C0)×100。C1：降解菌处理草甘膦残留浓度，C0：对照处理草甘膦残留浓度。
由图4可以看出，在草甘膦浓度为100、250和500mM的基础盐培养基中，菌株PP84能够降解草甘膦并以其为唯一碳源生长。培养前期，在草甘膦浓度为100和250mM的基础盐培养基中，菌株PP84可以较快适应环境，生长较为迅速，于48h达到最大OD值。在草甘膦浓度为500mM时，菌株PP84在培养前期生长相对较慢，但是培养至32h后，菌株PP84生长变得迅速，并于48h达到最大OD值。综合观察结果，菌株PP84对草甘膦的抗性在500mM以上。
由图5可以看出，在草甘膦浓度为100、250和500mM的基础盐培养基中，随着培养时间的增加，菌株PP84对草甘膦的降解率均表现出逐渐增加的趋势。在草甘膦浓度为100、250和500mM时，菌株PP84在培养56h后对草甘膦的降解率达到最大，分别为：77.6％，79.3％和83.5％。
实施例3不同pH下菌株PP84对草甘膦的降解
无菌条件下，将纯化好的菌株PP84在含200mM草甘膦的基础盐培养基中预培养24h(OD≈1.0)，培养液按照体积分数为5％的接种量接种至pH分别为5.0，6.0，7.0，8.0，9.0以250mM草甘膦为唯一碳源的无机盐培养基中，30℃，180rpm，恒温振荡培养56h后测定草甘膦的降解率。草甘膦降解率的测定同实施案例2。
由图6可以看出，菌株PP84在以草甘膦为唯一碳源的培养基中生长的pH范围较宽，在pH4.0到pH9.0之间范围内生长良好，对草甘膦均有较好的降解作用。菌株PP84对草甘膦降解的最适pH范围为pH5.0-8.0，在pH6.0草甘膦的降解率达到最大值，为82.7％。
实施例4含铜溶液中菌株PP84对草甘膦的降解
无菌条件下，将纯化好的菌株PP84在含200mM草甘膦的基础盐培养基中预培养24h(OD≈1.0)，培养液按照体积分数为5％的接种量分别接种至含0、5、50、100和250mg/kg Cu2+的以250mM草甘膦为唯一碳源的无机盐培养基中，30℃，180rpm，恒温振荡培养56h后测定草甘膦的降解率。草甘膦降解率的测定同实施案例2。56h后，菌株PP84对含0、5、50、100和250mg/kg Cu2+的草甘膦溶液降解率分别为：79.5％、79.8％、61.3％、52.7％和48.5％。
实施例5含镉溶液中菌株PP84对草甘膦的降解
无菌条件下，将纯化好的菌株PP84在含200mM草甘膦的基础盐培养基中预培养24h(OD≈1.0)，培养液按照体积分数为5％的接种量分别接种至含0、0.25、1、2.5和5mg/kg Cd2+的以250mM草甘膦为唯一碳源的无机盐培养基中，30℃，180rpm，恒温振荡培养56h后测定草甘膦的降解率。草甘膦降解率的测定同实施案例2。56h后，菌株PP84对含0、0.25、1、2.5和5mg/kg Cd2+的草甘膦溶液降解率分别为：77.8％、78.1％、73.6％、51.5％和47.8％。
实施例6含镍溶液中菌株PP84对草甘膦的降解
无菌条件下，将纯化好的菌株PP84在含200mM草甘膦的基础盐培养基中预培养24h(OD≈1.0)，培养液按照体积分数为5％的接种量分别接种至含0、2.5、10、50和100mg/kgNi2+的以250mM草甘膦为唯一碳源的无机盐培养基中，30℃，180rpm，恒温振荡培养56h后测定草甘膦的降解率。草甘膦降解率的测定同实施案例2。菌株PP84对含0、2.5、10、50和100mg/kgNi2+的草甘膦溶液降解率分别为：79.0％、78.5％、74.3％、52.5％和41.8％。
实施例7含铬溶液中菌株PP84对草甘膦的降解
无菌条件下，将纯化好的菌株PP84在含200mM草甘膦的基础盐培养基中预培养24h(OD≈1.0)，培养液按照体积分数为5％的接种量分别接种至含0、5、50、100和250mg/kg Cr6+的以250mM草甘膦为唯一碳源的无机盐培养基中，30℃，180rpm，恒温振荡培养56h后测定草甘膦的降解率。草甘膦降解率的测定同实施案例2。菌株PP84对含0、5、50、100、和250mg/kgCr6+的草甘膦溶液降解率分别为：78.5％、79.2％、68.5％、59.3％和42.1％。
上述实施例2-7表明本发明的菌株PP84具有利用草甘膦作为碳、氮源的能力，以及对重金属具有抗性的能力，可在快速将草甘膦分解同化的同时吸附重金属，达到降解环境中草甘膦的目的。
SEQUENCE LISTING
TATACATGCAGTCGAGCGAACTGATTAGAAGCTTGCTTCTATGACGTTAGCGGCGGACGGGTGAGTAACACGTGGGCAACCTGCCTGTAAGACTGGGATAACTTCGGGAAACCGAAGCTAATACCGGATAGGATCTTCTCCTTCATGGGAGATGATTGAAAGATGGTTTCGGCTATCACTTACAGATGGGCCCGCGGTGCATTAGCTAGTTGGTGAGGTAACGGCTCACCAAGGCAACGATGCATAGCCGACCTGAGAGGGTGATCGGCCACACTGGGACTGAGACACGGCCCAGACTCCTACGGGAGGCAGCAGTAGGGAATCTTCCGCAATGGACGAAAGTCTGACGGAGCAACGCCGCGTGAGTGATGAAGGCTTTCGGGTCGTAAAACTCTGTTGTTAGGGAAGAACAAGTACGAGAGTAACTGCTTGTACCTTGACGGTACCTAACCAGAAAGCCACGGCTAACTACGTGCCAGCAGCCGCGGTAATACGTAGGTGGCAAGCGTTATCCGGAATTATTGGGCGTAAAGCGCGCGCAGGCGGTTTCTTAAGTCTGATGTGAAAGCCCACGGCTCAACCGTGGAGGGTCATTGGAAACTGGGGAACTTGAGTGCAGAAGAGAAAAGCGGAATTCCACGTGTAGCGGTGAAATGCGTAGAGATGTGGAGGAACACCAGTGGCGAAGGC

Claims (9)

1.一株巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium)PP84，其保藏编号为CGMCC No.12798。
2.权利要求1所述的巨大芽孢杆菌在处理重金属-草甘膦复合污染中的应用，所述重金属为Cu2+、Cd2+、Ni2+或Cr6+，所述Cu2+的浓度为0-250mg/kg，Cd2+的浓度为0-5mg/kg，Ni2+的浓度为0-100mg/kg，Cr6+的浓度为0-250mg/kg。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，将权利要求1所述的巨大芽孢杆菌悬浮于含重金属-草甘膦复合污染物的废水中培养。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述草甘膦的浓度为500mM。
5.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述巨大芽孢杆菌的接种量为2-5％。
6.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述废水的pH范围为4.0-9.0。
7.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述培养的pH范围为5.0-8.0。
8.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述培养的温度为30-37℃。
9.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述培养时间56-90h。
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