賀亞斐, 張來(lái)星, 曹子敬, 吳坤, 張繼冉, 徐淑霞
(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,河南 鄭州 450002)
二氯喹啉酸(quinclorac)是德國(guó)巴斯夫股份公司開(kāi)發(fā)的激素型喹啉羧酸類(lèi)除草劑,對(duì)稗草治理作用明顯,在中國(guó)稻田中應(yīng)用廣泛[1]。二氯喹啉酸在土壤中殘留期長(zhǎng),難以自然降解,并且人們對(duì)其降解特性認(rèn)識(shí)不足。大量施用二氯喹啉酸,會(huì)導(dǎo)致其在土壤和水體中大量殘留,對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重的危害[2]。周小會(huì)等[3]研究發(fā)現(xiàn),二氯喹啉酸殘留在土壤中會(huì)對(duì)煙草根際土壤微生物數(shù)量產(chǎn)生明顯影響。此外,土壤中殘留的二氯喹啉酸會(huì)使煙草葉片發(fā)生畸形,葉面萎縮卷曲出現(xiàn)線(xiàn)狀,阻礙煙葉生長(zhǎng)[4]。二氯喹啉酸降解受到光照和土壤理化性質(zhì)的影響,但是目前常用的方法包括物理吸附、光化學(xué)降解、化學(xué)水解和深耕翻土等并不能從根本上解決二氯喹啉酸在土壤中殘留的問(wèn)題[5]。微生物在土壤中的代謝能夠改善土壤環(huán)境,促進(jìn)土壤中二氯喹啉酸的降解,而二氯喹啉酸在土壤中的降解主要依靠微生物[6-7]。目前研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些二氯喹啉酸的降解菌,包括倉(cāng)白桿菌屬(Ochrobactrumsp.)的菌株LS[8]、產(chǎn)堿菌屬(Alcaligenes)的菌株J3[9]、分枝桿菌屬(Mycobacteriumsp)的菌株F4[10]、博德特氏菌屬(Bordetella)的菌株HN36[11]、節(jié)桿屬菌株(Arthrobactersp.)的解菌MC-10[12]、鏈霉菌屬(Streptomycesp.)菌株AH-B[13]、嗜麥芽寡養(yǎng)單胞菌(Stenotrophomonasmaltophilia)的菌株J03[14]等。這些菌種對(duì)二氯喹啉酸都有良好降解效果,但是關(guān)于微生物降解二氯喹啉酸機(jī)制方面的研究較少。本研究從長(zhǎng)期生產(chǎn)二氯喹啉酸的河南某農(nóng)藥廠(chǎng)污泥中分離出1株二氯喹啉酸降解菌,命名為WK1,對(duì)其進(jìn)行形態(tài)學(xué)觀察以及生理生化鑒定,探索了菌株降解二氯喹啉酸的降解特性,并初步分析了二氯喹啉酸脅迫對(duì)菌體蛋白表達(dá)的影響,以期為二氯喹啉降在菌體內(nèi)降解機(jī)制的研究提供理論依據(jù)。
1.1.1 材料 土樣采自河南省某農(nóng)藥廠(chǎng)土壤,采用5點(diǎn)取樣法取樣后帶回,自然風(fēng)干后去除雜物過(guò)篩(18目)。
1.1.2 儀器與試劑 SDD-26A 型高效液相色譜儀(日本島津公司);DH-500A型電熱恒溫培養(yǎng)箱(上海申賢恒溫設(shè)備廠(chǎng));BS-IIFA型立式恒溫?fù)u床(常州市開(kāi)元實(shí)驗(yàn)儀器有限公司);KIKRO-22R高速冷凍離心機(jī)(德國(guó)Hettick 公司);超凈工作臺(tái)(上海瀘凈有限公司);Axio光學(xué)顯微鏡(歐波有限公司)。二氯喹啉酸標(biāo)準(zhǔn)品(德國(guó)Dr.Ehrenstorfer公司,99.9%純度);DNA提取試劑盒(北京天根生化科技有限公司);瓊脂糖凝膠DNA回收試劑盒(TIANGEN公司)。其余試劑購(gòu)自天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司,分析純。
1.1.3 培養(yǎng)基 無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基:K2HPO41.0 g·L-1、NaH2PO41.0 g·L-1、NH4NO3g·L-1、CaCl2·H2O 0.02 g·L-1、FeCl3·3H2O g·L-1、 MgSO4·7H2O 0.2 g·L-1;
LB培養(yǎng)基:NaCl 10.0 g·L-1、胰蛋白胨10.0 g·L-1、酵母浸粉5.0 g·L-1。
配制無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基,加入二氯喹啉酸,使質(zhì)量濃度為100 mg·L-1。將1 g土壤樣本添加于99 mL配置過(guò)的無(wú)機(jī)鹽液體培養(yǎng)基內(nèi),放置在37 ℃,180 r·min-1的恒溫?fù)u床培養(yǎng)箱中7 d,然后取1 mL培養(yǎng)液轉(zhuǎn)接于二氯喹啉酸質(zhì)量濃度為200 mg·L-1的無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基內(nèi)培養(yǎng),持續(xù)7 d后,再取1 mL培養(yǎng)液轉(zhuǎn)接于二氯喹啉酸質(zhì)量濃度為500 mg·L-1的無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基內(nèi)繼續(xù)培養(yǎng)7 d,稀釋接種在無(wú)機(jī)鹽固體培養(yǎng)基上,37 ℃培養(yǎng)3 d后挑取單菌落,連續(xù)培養(yǎng)10代后,平板劃線(xiàn)得到單菌落菌株。
1.3.1 菌株的形態(tài)觀察和生理生化鑒定 將菌株接種于固體LB培養(yǎng)基內(nèi),于35 ℃培養(yǎng)48 h,觀察菌落形態(tài)。生理生化鑒定試驗(yàn)參照文獻(xiàn)[15]。
1.3.2 菌株16S rRNA序列分析及系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)的構(gòu)建 將培養(yǎng)好的菌株通過(guò)試劑盒提取細(xì)菌總DNA。以細(xì)菌總DNA做模板,進(jìn)行PCR擴(kuò)增,引物為細(xì)菌通用引物 (上游引物5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′/下游引物5′-TACCTTGTTACGACTT-3′)。擴(kuò)增反應(yīng)體系: DNA (80 ng·μL-1) 0.5 μL,Taq酶0.25 μL,dNTP(10 mmol·L-1) 1 μL,引物 (10 μmol·L-1)1 μL,10×Buffer 2.5 μL,補(bǔ)蒸餾水至50 μL。反應(yīng)條件: 94 ℃ 10 min, 94 ℃ 1 min,54 ℃ 1 min,72 ℃ 1.5 min,30個(gè)循環(huán),最后72 ℃延伸10 min測(cè)序結(jié)果進(jìn)行NCBI(https://blast.ncbi.nlm.nih.gov)比對(duì),并構(gòu)建16S rRNA系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)。
在LB培養(yǎng)基中接種菌株WK1,在37 ℃、180 r·min-1的恒溫?fù)u床上培養(yǎng)至對(duì)數(shù)期,在離心機(jī)上5 000 r·min-1離心10 min收集菌體,以無(wú)菌水沖洗2次,重懸于培養(yǎng)基(OD600=1.0),用于測(cè)定。
二氯喹啉酸測(cè)定參考胡楊等[16]的HPLC方法。配置二氯喹啉酸質(zhì)量濃度為100 mg·L-1的無(wú)機(jī)培養(yǎng)基,以質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%接種量接入菌株WK1(OD600=1.0),180 r·min-1恒溫35 ℃培養(yǎng),每12 h取樣,測(cè)定OD600和二氯喹啉酸質(zhì)量濃度。
1.6.1 接種量對(duì)降解菌降解二氯喹啉酸的影響 分別以質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%、5%、8%和10%的接種量接種到二氯喹啉酸質(zhì)量濃度為100 mg·L-1、pH值為7的無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基中,在180 r·min-1恒溫37 ℃培養(yǎng)5 d,測(cè)定二氯喹啉酸的質(zhì)量濃度。
1.6.2 二氯喹啉酸初始濃度對(duì)降解效果的影響 分別配置二氯喹啉酸質(zhì)量濃度為50、100、150、200、250、300 mg·L-1的無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基,pH值為7,以質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的接種量在180 r·min-1恒溫37 ℃培養(yǎng)5 d,測(cè)定二氯喹啉酸的質(zhì)量濃度。
1.6.3 溫度對(duì)降解效果的影響 以質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的接種量接種到100 mg·L-1、pH值為7的二氯喹啉酸無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基中,分別在25、30、35、40、45 ℃下,180 r·min-1恒溫培養(yǎng)5 d,測(cè)定二氯喹啉酸的質(zhì)量濃度。
1.6.4 pH值對(duì)降解二氯喹啉酸的影響 分別配置pH值為 4、5、6、7、8、9的100 mg·L-1二氯喹啉酸無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基,并以質(zhì)量濃度為5%的接種量接種,在180 r·min-1恒溫35 ℃培養(yǎng)5 d,測(cè)定二氯喹啉酸的質(zhì)量濃度。
在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選取pH值(7、8、9)(A)、接種量質(zhì)量分?jǐn)?shù)(4%、5%、6%)(B)、二氯喹啉酸的初始質(zhì)量濃度(90、100、110 mg·L-1)(C)和溫度(30、35、40 ℃)(D)為因素,設(shè)計(jì)4因素3水平菌株降解二氯喹啉酸的正交試驗(yàn),如表1所示。
表1 二氯喹啉酸降解正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Orthogonal design of experiment of degradation of quinclorac
菌液的制備:配置二氯喹啉酸質(zhì)量濃度為100 mg·L-1無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基作為處理組,葡萄糖質(zhì)量濃度為100 mg·L-1無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基為對(duì)照組。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的接種量接種降解菌,在180 r·min-1恒溫35 ℃培養(yǎng)5 d。將培養(yǎng)結(jié)束的菌液以5 000 r·min-1離心20 min,收集菌體和上清液,用無(wú)菌水洗滌2次,重懸于離心管中備用(OD600=2.5)。
降解菌胞內(nèi)外的蛋白提?。旱鞍滋崛⒖加喙γ鞯萚17]TCA丙酮沉淀法。將提取過(guò)后的蛋白進(jìn)行SDS-PADE電泳試驗(yàn)。電泳步驟按《蛋白質(zhì)電泳實(shí)驗(yàn)技術(shù)》[18]所述方法進(jìn)行,濃縮膠質(zhì)量濃度5%,分離膠質(zhì)量濃度12%,電泳結(jié)束后用考馬斯亮蘭R-250染色1 h,然后脫色,分析蛋白質(zhì)的表達(dá)以及相對(duì)分子質(zhì)量的大小。
通過(guò)富集篩選的方法,得到 1株二氯喹啉酸降解菌,命名WK1。在培養(yǎng)基上培養(yǎng)2 d后,菌落邊緣整齊,白色,光滑,接種環(huán)易挑起,易拉成絲,革蘭氏染色陰性。能夠水解淀粉,葡萄糖產(chǎn)酸,硝酸鹽還原測(cè)試陽(yáng)性,吲哚和甲基紅試驗(yàn)為陰性。
圖1 菌株WK1在LB培養(yǎng)基中菌落形態(tài)Fig.1 Colony morphology of strain WK1 in LB medium
通過(guò)NCBI網(wǎng)站(http://www.ncbi.nlm.nih.gov)核酸序列比對(duì),菌株WK1的16S rDNA序列和克雷伯氏菌(Klebsiella)DSM 30104菌株(GenBank Accession No.NR 11471.1)的相似度為99.9%。在系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)上聚類(lèi)于同1個(gè)分支?;诨蛐蛄泻拖到y(tǒng)進(jìn)化分析,將菌株WK1鑒定為克雷伯氏菌(Klebsiella)。
圖2 菌株WK1革蘭氏染色圖 (×100)Fig.2 Gram staining figure of strain WK1(×100)
從圖4可以看出,菌株WK1可以將二氯喹啉酸作為唯一碳源生長(zhǎng)。菌株接種到培養(yǎng)基中,前期由于菌株處于延遲期,數(shù)量較低,二氯喹啉酸的質(zhì)量濃度變化不大。當(dāng)進(jìn)入對(duì)數(shù)期之后,細(xì)菌數(shù)量增多,代謝旺盛,質(zhì)量濃度下降快。當(dāng)細(xì)菌處于穩(wěn)定期后,二氯喹啉酸的質(zhì)量濃度不再發(fā)生明顯變化時(shí),二氯喹啉酸降解率達(dá)到40.9%。
2.4.1 接種量對(duì)菌株WK1降解二氯喹啉酸的影響 從圖5可以看出,二氯喹啉酸的降解率隨著接種量的增加而增加。當(dāng)接種量在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí),菌株經(jīng)過(guò)5 d培養(yǎng)還處于對(duì)數(shù)期,細(xì)菌數(shù)量較少,
圖3 菌株WK1的16S rDNA基因序列的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)
圖4 菌株WK1對(duì)二氯喹啉酸的降解和生長(zhǎng)曲線(xiàn)
所以對(duì)二氯喹啉酸的降解也較小。當(dāng)菌株接種量質(zhì)量分?jǐn)?shù)由5%增加到10%時(shí),接種量的增加并沒(méi)有明顯增加二氯喹啉酸的降解率,這是因?yàn)榻?jīng)過(guò)5 d的培養(yǎng),菌株都達(dá)到了平穩(wěn)期,對(duì)二氯喹啉酸的降解率都在35%左右,所以選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%作為試驗(yàn)的接種量。
注:不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。Note: Different letters mean significant differences (P<0.05). The same as below. 圖5 接種量對(duì)菌株WK1降解二氯喹啉酸的影響
2.4.2 二氯喹啉酸初始質(zhì)量濃度對(duì)菌株WK1降解二氯喹啉酸的影響 從圖6可以看出,克雷伯氏菌WK1在不同濃度中均能生長(zhǎng),說(shuō)明該菌有良好的耐受性。二氯喹啉酸初始質(zhì)量濃度為100 mg·L-1時(shí),克雷伯氏菌WK1對(duì)二氯喹啉酸的降解效果最好,降解率為38.1%。當(dāng)二氯喹啉酸質(zhì)量濃度超過(guò)100 mg·L-1時(shí),克雷伯氏菌WK1的降解率下降,推測(cè)是高質(zhì)量濃度的二氯喹啉酸對(duì)克雷伯氏菌WK1產(chǎn)生毒害,影響了菌體生長(zhǎng)代謝,從而導(dǎo)致二氯喹啉酸的降解率下降。
圖6 二氯喹啉酸初始濃度對(duì)菌株WK1降解 二氯喹啉酸的影響
2.4.3 溫度對(duì)菌株WK1降解二氯喹啉酸的影響 由圖7可知,溫度對(duì)克雷伯氏菌WK1降解二氯喹啉酸的影響相對(duì)較大,隨著溫度的升高,菌株對(duì)二氯喹啉酸的降解率增大。溫度在35 ℃時(shí),降解率最大,為38.7%;溫度超過(guò)35 ℃后,菌株降解能力下降,隨著溫度增加降解率明顯降低;溫度為45 ℃時(shí),降解率最低為18.9%。
圖7 不同溫度對(duì)菌株WK1降解二氯喹啉酸影響
2.4.4 pH值對(duì)菌株WK1降解二氯喹啉酸的影響 由圖8可知,該菌可以在pH值為4~9的范圍內(nèi)降解二氯喹啉酸,克雷伯氏菌WK1對(duì)二氯喹啉酸的降解效果在pH值6~8之間較好。pH值為8時(shí),二氯喹啉酸的降解率達(dá)到最大值,降解率為39.7%。pH的增大或減小都會(huì)影響菌株對(duì)二氯喹啉酸的降解,pH值為4時(shí)最差,降解率僅為10%,說(shuō)明該菌適宜在中性或微堿性的環(huán)境中生長(zhǎng)。
圖8 初始pH值對(duì)菌株WK1降解二氯喹啉酸的影響Fig.8 Effects of initial pH value on degradation of quinclorac by strain WK1
在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過(guò)正交試驗(yàn)確定菌WK1降解二氯喹啉酸的最佳條件。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。菌株WK1降解效果最好為第6組,即在pH值為8,接種量為6%,二氯喹啉酸初始質(zhì)量濃度為90 mg·L-1,溫度為35 ℃時(shí)對(duì)二氯喹啉酸的降解率為42%。通過(guò)表2中的極差R,可知影響菌株降解二氯喹啉酸的主要因素是pH值,其次是溫度,然后是二氯喹啉酸的初始質(zhì)量濃度和接種量。
表2 正交試驗(yàn)結(jié)果
2.6.1 二氯喹啉酸脅迫對(duì)胞內(nèi)蛋白的影響 圖9是2種處理下的菌體胞內(nèi)蛋白的SDS-PAGE圖譜。菌株WK1受到二氯喹啉酸脅迫后蛋白表達(dá)出現(xiàn)了差異。對(duì)照組在大約20.0、30.0、45.0、56.0 kD的條帶處,有大量的特異性蛋白表達(dá)。其中在30.0、56.0 kD處的條帶最為明顯。與處理組相比較,處理組在96.0、35.1、25.0 kD的條帶處,蛋白條帶減少,說(shuō)明菌體蛋白表達(dá)受到抑制。
注:1,Mark; 2、3、4,對(duì)照組;5、6、7處理組。Note: 1, Mark; 2, 3 and 4, control groups; 5, 6 and 7, treatment groups. 圖9 菌體胞內(nèi)蛋白的SDS-PAGE圖譜Fig.9 SDS-PAGE map of intracellular protein
2.6.2 二氯喹啉酸脅迫對(duì)胞外蛋白的影響 圖10為克雷伯氏菌WK1在2種處理下的胞外蛋白SDS-PAGE圖譜??死撞暇鶺K1在受到二氯喹啉酸的脅迫下胞外分泌蛋白出現(xiàn)了差異。處理組在31.0 kD的條帶處,有大量特異性蛋白表達(dá),這和胞內(nèi)蛋白表達(dá)增加的大小相接近。對(duì)照組14.5、35.0 kD的條帶出,蛋白條帶減少,說(shuō)明菌體減少了在胞外蛋白的表達(dá)和分泌。
本研究在農(nóng)藥廠(chǎng)污泥中分離得到降解菌,經(jīng)過(guò)形態(tài)學(xué)觀察、生理生化測(cè)試,以及16S rDNA同源性分析,鑒定菌株WK1為克雷伯氏菌屬(Klebsiella)??死撞暇菑V泛分布于空氣,水,土壤和人的腸道以及呼吸道中的革蘭氏陰性菌。研究發(fā)現(xiàn),該菌群具有多種特殊功能,除了能引起人和家畜的肺炎外,還可以治理水體中的鉻污染。徐淑霞等[19]分離發(fā)現(xiàn)了1株高效還原Cr(Ⅵ)的菌株,鑒定為克雷伯氏菌屬(Klebsiella),該菌對(duì)質(zhì)量濃度為70 mg·L-1的Cr(Ⅵ)離子的還原率可達(dá)92%。
注:1,Mark;2、3,對(duì)照組;4、5,處理組。
本研究表明菌株WK1能以二氯喹啉酸為碳源生長(zhǎng),對(duì)二氯喹啉酸有較高的耐受性。通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化了菌株降解二氯喹啉酸的條件,在pH 值為8、菌株接種量為6%、溫度為35 ℃條件下,對(duì)初始質(zhì)量濃度為90 mg·L-1二氯喹啉酸的降解率最大為42%。降解菌對(duì)二氯喹啉酸的降解效率與多種因素有關(guān),包括二氯喹啉酸初始質(zhì)量濃度、接種菌量、降解條件以及菌株自身降解能力。張順等[12]報(bào)道1株節(jié)桿屬菌株MC-10對(duì)初始質(zhì)量濃度為20 mg·L-1二氯喹啉酸的降解率在90%以上。周挺等[14]報(bào)道1株寡養(yǎng)單胞菌J03對(duì)初始質(zhì)量濃度在5 mg·L-1二氯喹啉酸的降解率為33.5%。此類(lèi)菌株在降解過(guò)程中二氯喹啉酸初始質(zhì)量濃度較低,而本研究中菌株WK1可以在二氯喹啉酸初始質(zhì)量濃度較高的環(huán)境中對(duì)二氯喹啉酸進(jìn)行降解,適用于較為極端的條件,實(shí)用性更強(qiáng)。土壤的酸堿度能夠影響二氯喹啉酸的降解,二氯喹啉酸在酸性土壤中比較穩(wěn)定,解離度小,不容易被降解,在堿性土壤中解離度大,容易被降解[20]。菌株WK1在pH為8時(shí)降解率最高,對(duì)二氯喹啉酸的降解率在弱堿性條件比酸性條件高,這與董俊宇[9]等發(fā)現(xiàn)的降解菌J3在弱酸性和中性條件下有較高的降解率有所不同。土壤的酸堿度會(huì)影響微生物的影響代謝,所以菌株WK1適合處理中性或弱堿性土壤中的二氯喹啉酸殘留問(wèn)題。
目前,關(guān)于二氯喹啉酸降解菌的研究大多集中在其降解特性上,對(duì)于其降解機(jī)制的研究較少。李子木等[21]研究發(fā)現(xiàn)鄰苯二甲酸雙加氧酶是和氯化鄰苯二酚1,2-雙加氧酶在二氯喹啉酸降解發(fā)揮關(guān)鍵作用。通過(guò)在SDS-PAGE檢測(cè)了在二氯喹啉酸的脅迫下菌體蛋白的表達(dá),發(fā)現(xiàn)蛋白表達(dá)出現(xiàn)了明顯的差異。這可能與菌體緩解迫害有關(guān),也有可能與二氯喹啉酸的降解有關(guān)。56.0 kD條帶和鄰苯二甲酸雙加氧酶相對(duì)分子質(zhì)量大小相吻合,該條帶的具體蛋白需要進(jìn)一步確定。超氧化物歧化酶和過(guò)氧化氫酶是生物清除活性氧的重要組成部分,可以使細(xì)胞降低活性氧的傷害,不同微生物緩解活性氧的機(jī)制是不相同[22]。菌體在受到二氯喹啉酸脅迫蛋白表達(dá)差異出現(xiàn)在30.0 kD左右,而超氧化物歧化酶相對(duì)分子質(zhì)量大小也在30.0 kD,這可能是菌株在受到二氯喹啉酸迫害的緩解方式。