CN101735960A - 一株降解除草剂阿特拉津的高效菌株及其作用 - Google Patents
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Abstract
一株降解除草剂阿特拉津的高效菌株及其作用本发明属于化学农药生物降解技术领域,涉及一株土生细菌及其对农药阿特拉津的降解作用,该菌株为Shinella sp.HBZA0511菌株(粒申氏杆菌),保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(CGMCC),保藏号为CGMCC No.1801,可用于土壤农药污染的原位快速修复工程。
Description
技术领域
本发明属于化学农药生物降解技术领域,涉及一株土生细菌Shinella sp.HBZA0511菌株(粒申氏杆菌),及其对农药阿特拉津的降解作用,可用于土壤农药污染的原位修复工程。
背景技术
阿特拉津(Atrazine,化学名称2-氯-4-乙胺基-6-异丙胺基-1,3,5-三嗪,分子式C8H14ClN5),又名莠去津,属均三氮苯类除草剂,广泛用于玉米地、高粱地、甘蔗田、果园、苗圃、林地防除一年生禾本科杂草,对多年生杂草也有一定的抑制作用。阿特拉津可在苗前或苗后使用,但其在土壤中的残留期较长,并具有生物活性,容易对一些后茬敏感作物,如小麦、大豆、水稻等产生药害;阿特拉津在土壤中水溶性好,易被雨水、灌溉水淋溶至深层土壤,或是随地表水径流进入到河流、湖泊,造成地下水和地表水资源的污染,对人类健康、野生动物以及自然环境构成威胁。阿特拉津还可通过挥发和浮尘进入大气,并通过干沉降和湿沉降返回地面,对生态环境的影响具有全球性。
阿特拉津在土壤中有较长的残留期。研究报道,当土壤中可溶性阿特拉津的含量为30mg/L时,其在土壤中的半衰期为15~100d。在阿特拉津污染的水田时发现,切断污染源1年后在农田灌溉水中仍能检测出阿特拉津的残留,在作物生长期内也可以检测出作物体内的阿特拉津残留。河北宣化农药厂排污口下游的官厅水库及其下游永定河中均检出阿特拉津及其代谢物DEA、DIA和HA。1992年张家口市洋河下游农灌区因宣化农药厂排放的废水中含有高浓度的阿特拉津和乙草胺,造成农作物大面积死亡,其中水稻占95%。1997年,因条子河上游吉林省四平市四平联合化工厂生产阿特拉津排放的废水,辽宁省铁岭市昌图县发生全国特大水田污染事故,受污染面积达0.28万公顷。利用多介质环境模型对白洋淀地区的土壤、地下水和玉米中30年阿特拉津的含量进行了预测,结果表明,在阿特拉津开始施用10年后,在地下水中的浓度将超过美国环保局规定的3ug/L饮用水标准;5年后在玉米籽粒中的含量将接近加拿大规定0.1mg/kg的最高允许浓度。
阿特拉津对人和动物有直接的不良影响。阿特拉津可使人体内CYP 19酶的活性升高,干扰人体内分泌平衡,阿特拉津可能对人体具有致癌性,长期接触阿特拉津会导致乳腺癌和卵巢癌的发生。美国EPA把阿特拉津列为可能的致癌物,并规定饮用水中阿特拉津的浓度不超过3ug/L。阿特拉津对人体淋巴细胞具有弱毒性,但不会引起染色体畸变的反应,但在一些试验中阿特拉津也呈现出一定的遗传毒性,低剂量(μg/L-mg/L)的阿特拉津具有内分泌干扰作用,是近期的发现,最令人担忧,已被列为环境荷尔蒙的可疑物质。在水蚤胚胎形成期,低浓度(0.5-10ug/L)阿特拉津的暴露可使它的雄性后代的出生率增加。低剂量阿特拉津的长期暴露对非洲爪蟾性别的发育产生干扰。阿特拉津能抑制弹琴蛙(Rana adenopleura)蝌蚪红细胞生成,造成细胞供氧不足,能量利用率降低,进一步抑制蝌蚪生长,延迟发育,而变态时个体的大小会影响成体的捕食能力,可能通过此种途径引起此类种群的衰减。阿特拉津还能抑制小鼠和鱼等水生动物红细胞生成,降低血液的携氧能力。
阿特拉津在土壤和水体中阿特拉津的降解主要是由微生物来完成的。微生物可利用阿特拉津作为碳源、氮源,使阿特拉津发生脱烷基、脱N-烷基甚至三氮环开裂,释放出CO2而发生彻底矿化降解。生物降解(Biodegradation)技术报道始见于20世纪80年代。20世纪90年代欧洲发达国家开始将生物降解技术应用于一些实际的污染处理工程,并获得了很大的成功。通过工程措施,为天然或人工接种的微生物提供生长与繁殖必要的条件,从而加速污染物的降解或去除,将环境中的有机污染物转化为CO2和H2O等无毒无害或毒性较小的物质,即生物修复(Bioremediation)。生物降解与物理、化学方法相比,具有成本低、效率高、无二次污染、易操作等优点,因此生物降解技术被认为是有机污染物修复技术中最有效、最可行和最可靠的方法。目前生物降解技术已广泛用于土壤、水体、海滩的污染治理。
发明内容
本发明从土壤样本中分离筛选得到一株对除草剂阿特拉津具有高效降解能力的细菌菌株;本发明提供该菌株的鉴定特征和16S rDNA序列、菌株的分离筛选、菌株的生理生化特征、菌株对阿特拉津的降解作用、菌株生长的基本特性;本发明在发现和确定该菌株对阿特拉津具有高效降解特性的基础上,还提供了应用该菌株降解土壤中阿特拉津残留的方法。
本发明的技术方案概述如下:
本发明所提供的土生细菌菌株,其特征在于:该菌株为Shinella sp.HBZA0511菌株(粒申氏杆菌),2006年9月7日保存于“中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(CGMCC)”,其保藏号为CGMCC No.1801。
菌株分离与筛选
该菌株Shinella sp.HB ZA0511菌株从被农药高度污染的农药厂排污口土壤中分离得到,具体分离、筛选、驯化步骤为:
利用基础无机盐培养基驯化分离土样中的阿特拉津降解菌株。取土样5g,在无菌操作条件下,分别加入到含有100ml、200mg/L阿特拉津的培养液(100ml基础无机盐培养基+20mg阿特拉津,阿特拉津作为唯一氮源)的250ml三角瓶中,在30℃恒温摇床上180r/min驯化培养;每隔7取培养物接种到新鲜的培养基中,接种量为10%,同时培养基中阿特拉津的含量增加100mg/L。阿特拉津在水溶液中溶解度较小,25℃时为33mg/L,可边培养边通过观察原药粉末的消失与否来判断其降解情况。连续驯化培养2个月,直至培养基中阿特拉津的终浓度达到1000mg/L,驯化培养结束;将阿特拉津驯化浓度为600mg/L、700mg/L、800mg/L、900mg/L、1000mg/L时的富集培养物分别稀释10-1、10-2、10-3、10-4、10-5、10-6、10-7、10-8倍,各取100μl分别涂布于添加相应阿特拉津浓度的无机盐平板上,置于30℃恒温培养箱中培养;培养结束后,在无机盐平板上挑取有透明降解圈的单菌落,降解圈可作为初步判定菌株对阿特拉津有降解能力的标志,连续划线纯化培养3次,得到纯化菌株。
菌株形态特征
菌株HBZA0511为革兰氏阴性菌,无芽孢,有运动性。扫描电镜下(图1.HBZA0511菌株扫描电镜图)可见菌株菌体为长杆状。透射电镜下(图2.HBZA0511菌株透射电镜图)可见该菌体具有极生鞭毛。
菌株在无机盐固体平板培养基上,菌落白色,透明,圆形,边缘整齐,菌落表面略突起。
在牛肉蛋白胨固体培养基上,菌落圆形,边缘整齐,表面隆起,浅黄色,不透明。在以阿特拉津为唯一碳源的固体培养基上,菌落圆形,边缘整齐,表面隆起,乳白色,不透明,15天菌落周围形成明显的降解圈。
菌株生理生化特征
碳源利用:该菌株能利用葡萄糖和乙醇,不能利用甲醇和乳酸。
氮源利用:该菌株可以利用磷酸氢二胺和硝酸钾,即可以利用氨态氮和硝态氮化合物。
氧和二氧化碳的需要:开管处理,培养基液面处先变混浊,显红色,然后从上至下逐渐显红色,变混浊,说明菌体先在液面生长,随着氧气逐渐向下渗透,菌体逐渐生长;闭管处理,与对照相比,培养基没有显色,菌体完全没有生长;证明此菌株为好氧菌。
耐盐性:最高耐受NaCl的浓度为2%
生长温度和耐热性:生长温度耐受范围为4~45℃
接触酶:阳性
氧化酶:阳性
葡萄糖氧化发酵:开管处理培养基产酸变黄,闭管处理培养基没有颜色变化,说明此菌株为氧化型。
生化鉴定试剂管:将过夜培养的HBZA0511菌株接种于生化鉴定试剂盒中各项检测的相应试管中,检测14项,其中有6项(尿酶、七叶灵(苷)水解酶、蔗糖水解酶、麦芽糖水解酶、木糖水解酶、葡萄糖水解酶)显示阳性,8项(精氨酸脱羧酶、鸟氨算脱羧酶、赖氨酸脱羧酶、枸橼酸盐、硝酸盐还原、蛋白胨水(靛基质试验)、O-硝基苯-β-D吡喃半乳糖苷酶(ONPG)、硫化氢)显示阴性。
菌株16S rDNA序列
HBZA0511菌株的16S rDNA核苷酸序列测定及比对结果。重组质粒由上海生工生物工程技术服务有限公司测序,获得序列后登陆www.ncbi.nlm.nlh.gov网站,对菌株16S rDNA基因核苷酸序列进行BLAST比对,比对结果(如下)显示,本菌株的16S rDNA基因核苷酸序列与Shinilla granuli的有99%的同源性,只有一个碱基不同(A-G),位于第1265个碱基处。
>gi|62546345|gb|AY995149.1|Shinilla granuli 16S ribosomal RNA gene,partial sequence
Length=1415;Score=2773 bits(1399),Expect=0.0;Identities=1402/1403(99%),Gaps=0/1403(0%);Strand=Plus/Plus。
Query 1 AGAACGAACGCTGGCGGCAGGCTTAACACATGCAAGTCGAACGCATCGCAAGATGAGTGG 60
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菌株生长的基本特性
菌株的生长曲线:在牛肉膏蛋白胨液体培养基中,该菌在0-6h时处于延迟期,从6h开始进入对数生长期,在20h时对数生长期结束,进入稳定期。
菌株最适生长温度:在牛肉膏蛋白胨液体培养基中,接菌量为5.45×107cfu/ml时,供试菌株在4~45℃的条件下均能够生长,在温度为4℃、10℃、35℃、40℃、45℃时菌体生长比较缓慢,而在15℃、20℃、25℃时菌体生长速度明显加快,在30℃时菌株生长速度达到峰值。
菌株最适生长的pH值:菌株在牛肉膏蛋白胨液体培养基中生长时,当接入菌体浓度为1.02×106cfu/ml时,在pH为7、8的条件下,菌株生长速度较快,且pH为7时达到峰值;在pH为6、9的条件下,菌株生长缓慢;在pH为5、10的条件下,菌株几乎不能生长。
菌株最适生长通氧量:在牛肉膏蛋白胨液体培养基中,当接种的菌体浓度为1.02×106cfu/ml时,随着三角瓶中装液量的增加,菌株的生长速度呈现先上升后下降的趋势。在装液量为50ml的条件下,菌株生长量最小;随着装液量的增加和氧气的减少,菌株生长速度加快,装液量为170ml时,菌体的生长量达到峰值;其后,随着通氧量的继续减少,菌株生长速度受到抑制开始下降。
菌株的降解作用
应用气相色谱检测阿特拉津的降解效果,在50ml无机盐液体培养基反应体系菌体浓度为8.9×107cfu/ml的条件下,30℃恒温摇床120r/min培养7天后,菌株HBZA0511对阿特拉津的降解效率最高,达到96.9%,空白对照的降解率为29.6%。该菌株为高效降解菌株。
菌株对阿特拉津的降解能力
本发明的有益效果
本发明的菌株,可将除草剂阿特拉津快速的降解,适用于土壤有机磷农药污染的原位修复。
附图说明:
图1.为Shinella sp.HBZA0511菌株菌体的扫描电镜形态图
图2.为Shinella sp.HBZA0511菌株菌体的透射电镜形态图
具体实施方式
实施例1:环境因子对菌株降解效率的影响。当阿特拉津浓度较低时(200mg/L),菌株在3天内即可将其完全降解(100%),随阿特拉津浓度升高,其完全降解的时间也相应明显延长。随着培养基中接种的菌体浓度的提高,阿特拉津的降解率也逐渐增加,在无机盐液体培养基中,当接菌浓度从2.56×106cfu/ml增加到3.28×108cfu/ml时,其相应的降解率从54.0%提高到99.7%。在无机盐液体培养基中,弱酸性及中性环境(pH为5、6、7)较弱碱性(pH为8、9、10)环境中降解率高,降解最适pH为7。温度15~40℃范围内,降解率变幅为88%~99%。
实施例2:菌株生长的基本条件。菌株在牛肉膏蛋白胨培养基上生长时,0~6h处于延迟生长期,6-20h时处于对数生长期,20h以后进入稳定及衰亡期;菌株HBZA0511对温度的适应范围较广,在4~45℃的条件下均能生长,最适生长温度为30℃;菌株适宜的pH为6~9之间,最适pH为7;菌株生长对氧的需求量不高。
实施例3:菌株对阿特拉津的降解动态。菌株接种于以阿特拉津为唯一氮源的无机盐液体培养基的条件下,当菌体浓度为6.59×108cfu/ml时,菌株对阿特拉津前3天的降解速度,可达到了89.5%,第7天降解率可达100%(培养基中阿特拉津未检出,检测限为0.01ng/μl)。降解率%=(培养后体系中残留的农药量/农药起始加入量)×100%
实施例4:菌株降解酶粗酶液的基本特性。该菌株的阿特拉津降解酶位于细胞内,粗酶液与阿特拉津(底物浓度50mg/L,pH7.0,磷酸缓冲液体系3ml,温度30℃)作用2h,其对底物的去除率可达到99.0%;实验结果表明,菌株分泌的降解酶为组成型酶,在无底物诱导的牛肉膏蛋白胨培养基上连续转接培养8代后,该菌对阿特拉津的降解能力仍保持在较高水平,底物诱导前后该菌对阿特拉津的降解能力无显著变化。降解酶适宜的温度为25~35℃,35℃时粗酶液对阿特拉津的降解率为73.5%(酶与底物作用0.5h),高温会使酶的降解活性骤然下降(40℃对底物的降解率为34.5%)。当pH值为5~9.2,酶的活性随pH值的升高而上升,pH值为9.2时酶的活性最高(69.6%,酶与底物作用时间0.5h)。
实例5:本发明菌株的应用方法。用一般细菌培养基(如,牛肉膏蛋白胨培养基)30℃有氧发酵培养25-30小时(OD600=0.45~0.48),其发酵液可用作田间降解制剂,稀释300倍直接喷施或浇灌于有污染的土壤表面,施后略作翻耕(10-15厘米),7天的降解效果可达到90%。
附图:
图1.
图2.
Claims (5)
1.一株降解除草剂阿特拉津的高效菌株及其作用,其特征为:该菌株是Shinella sp.HBZA0511菌株(粒申氏杆菌),2006年9月7日保存于“中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(CGMCC)”,其保藏号为CGMCC No.1801。
2.根据权利要求1所述的Shinella sp.HBZA0511菌株,其特征在于,该菌株为革兰氏阴性菌,无芽孢,有运动性;扫描电镜下可见菌株菌体为长杆状;透射电镜下可见该菌体具有极生鞭毛;菌株在无机盐固体平板培养基上,菌落白色,透明,圆形,边缘整齐,菌落表面略突起;在牛肉蛋白胨固体培养基上,菌落圆形,边缘整齐,表面隆起,浅黄色,不透明;在以阿特拉津为唯一碳源的固体培养基上,菌落圆形,边缘整齐,表面隆起,乳白色,不透明,15天菌落周围有明显的降解圈。
3.根据权利要求1所述的Shinella sp.HBZA0511菌株,其特征在于,该菌株是从被除草剂阿特拉津高度污染的农药厂排污口土壤中分离得到的;该菌株能利用葡萄糖和乙醇,不能利用甲醇和乳酸;该菌株可以利用磷酸氢二胺和硝酸钾;氧和二氧化碳的需要,开管处理,培养基液面处先变混浊,显红色,然后从上至下逐渐显红色,变混浊;闭管处理,与对照相比,培养基没有显色,菌体完全没有生长;最高耐受NaCl的浓度为2%;生长温度耐受范围为4-45℃;接触酶阳性;氧化酶阳性;葡萄糖氧化发酵,开管处理培养基产酸变黄,闭管处理培养基没有颜色变化,菌株为氧化型;生化鉴定试剂管,其中6项(尿酶、七叶灵苷水解酶、蔗糖水解酶、麦芽糖水解酶、木糖水解酶、葡萄糖水解酶)显示阳性,8项(精氨酸脱羧酶、鸟氨算脱羧酶、赖氨酸脱羧酶、枸橼酸盐、硝酸盐还原、蛋白胨水、O-硝基苯-β-D吡喃半乳糖苷酶、硫化氢)显示阴性。
4.根据权利1所述的Shinella sp.HBZA0511菌株,其特征在于,该菌株的16S rDNA序列如下:
1 AGAACGAACGCTGGCGGCAGGCTTAACACATGCAAGTCGAACGCATCGCAAGATGAGTGG 60
61 CAGACGGGTGAGTAACGCGTGGGAACGTACCCTTTACTACGGAATAACTCAGGGAAACTT 120
121 GTGCTAATACCGTATGTGCCCTTCGGGGGAAAGATTTATCGGTAAAGGATCGGCCCGCGT 180
181 TGGATTAGCTAGTTGGTGGGGTAAAGGCCTACCAAGGCGACGATCCATAGCTGGTCTGAG 240
241 AGGATGATCAGCCACATTGGGACTGAGACACGGCCCAAACTCCTACGGGAGGCAGCAGTG 300
301 GGGAATATTGGACAATGGGCGCAAGCCTGATCCAGCCATGCCGCGTGAGTGATGAAGGCC 360
361 CTAGGGTTGTAAAGCTCTTTCACCGGTGAAGATAATGACGGTAACCGGAGAAGAAGCCCC 420
421 GGCTAACTTCGTGCCAGCAGCCGCGGTAATACGAAGGGGGCTAGCGTTGTTCGGAATTAC 480
481 TGGGCGTAAAGCGCACGTAGGCGGGTATTTAAGTCAGGGGTGAAATCCCGGAGCTCAACT 540
541 CCGGAACTGCCTTTGATACTGGGTACCTAGAGTATGGAAGAGGTAAGTGGAATTCCGAGT 600
601 GTAGAGGTGAAATTCGTAGATATTCGGAGGAACACCAGTGGCGAAGGCGGCTTACTGGTC 660
661 CATTACTGACGCTGAGGTGCGAAAGCGTGGGGAGCAAACAGGATTAGATACCCTGGTAGT 720
721 CCACGCCGTAAACGATGAATGTTAGCCGTCGGCATGCATGCATGTCGGTGGCGCAGCTAA 780
781 CGCATTAAACATTCCGCCTGGGGAGTACGGTCGCAAGATTAAAACTCAAAGGAATTGACG 840
841 GGGGCCCGCACAAGCGGTGGAGCATGTGGTTTAATTCGAAGCAACGCGCAGAACCTTACC 900
901 AGCCCTTGACATGTCGGTCGCGGTTTCCAGAGATGGATACCTTCAGTTAGGCTGGACCGA 960
961 ACACAGGTGCTGCATGGCTGTCGTCAGCTCGTGTCGTGAGATGTTGGGTTAAGTCCCGCA 1020
1021 ACGAGCGCAACCCTCGCCCTTAGTTGCCAGCATTCAGTTGGGCACTCTAAGGGGACTGCC 1080
1081 GGTGATAAGCCGAGAGGAAGGTGGGGATGACGTCAAGTCCTCATGGCCCTTACGGGCTGG 1140
1141 GCTACACACGTGCTACAATGGTGGTGACAGTGGGCAGCGAGACAGCGATGTCGAGCTAAT 1200
1201 CTCCAAAAGCCATCTCAGTTCGGATTGCACTCTGCAACTCGAGTGCATGAAGTTGGAATC 1260
1261 GCTAATAATCGCGGATCAGCATGCCGCGGTGAATACGTTCCCGGGCCTTGTACACACCGC 1320
1321 CCGTCACACCATGGGAGTTGGTTTTACCCGAAGGCGATGCGCTAACCGCAAGGAGGCAGT 1380
1381 CGACCACGGTAGGGTCAGCGACT 1403
5.根据权利1所述的Shinella sp.HBZA0511菌株对阿特拉津的降解作用,其特征是,HBZA0511菌株能将阿特拉津降解,在50ml无机盐液体培养基反应体系中,菌体浓度为8.9×107cfu/ml的条件下,30℃恒温摇床120r/min培养7天后,菌株对阿特拉津的降解效率可达到96.9%,空白对照的降解率为29.6%,菌株表现为高效降解。
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