CN105483025A - 棘孢木霉h2及其在降解芘中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了棘孢木霉H2及其在降解芘中的应用,棘孢木霉H2,保藏于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,中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心,保藏编号为CGMCC?No.?11577。实验数据表明棘孢木霉H2具有降解芘的能力,降解力强,可以用于PAHs的降解。
Description
技术领域
本发明涉及一株新的微生物及其在降低污染物中的应用,特别涉及棘孢木霉H2及其在降解芘中的应用。
背景技术
PAHs由两个或两个以上苯环以线性排列、弯接或簇聚的方式构成的。一般可分为两类,即孤立多环芳烃和稠合多芳烃。稠合多环芳烃对人类的威胁较大,有致癌作用的多环芳烃多为四到六环的稠环化合物。大多数PAHs不溶于水,熔点高达101℃~438℃,沸点150℃~525℃,分子量在178~300之间。双环、三环的PAHs易降解,四环以上的PAHs极难降解。研究结果表明:在室内环境下,双环PAHs的半衰期为2天;三环的半衰期为:l6天(蒽),134天(菲);而四环以上的PAHs半衰期约在200天以上。
PAHs的基本结构单位是苯环,苯环的数目和连接方式的不同引起分子量、分子结构变化,进而导致了某些不同的物理化学性质。PAHs具有致诱变性,且结构稳定,生物难降解。1979年,美国环保局(EPA)首先公布129种优先监测污染物,其中PAHs有16种。而后欧洲将6种PAHs作为目标污染物,我国国家环保局也将7种PAHs列入中国环境优先污染物黑名单。
环境中的PAHs来源主要来自人类的生产活动,由各种有机物不完全燃烧所致。例如,煤的汽化和液化过程、石油的裂解过程、各种石油馏份的燃烧、烹调油烟以及废弃物等均可造成环境中PAHs的污染。四环以下分子量较小的PAHs多以蒸气态存在,而分子量较大的则被吸附在颗粒物表面,尤其是在小于5μm的颗粒上,可以进入肺的深部。这样的颗粒可以在空气中悬浮几天到几周,也能远距离转移。
PAHs不易溶于水,极易附着在固体颗粒上,因此,大气、水及土壤中PAHs处于吸附态。PAHs在环境中是不断积累的。研究表明在河水、海水沉积物中,PAHs的浓度高而且积累的快。因排废气、废水及废物倾倒,PAHs对水、大气及土壤产生直接污染。吸附在烟气微粒的PAHs随气流传向周围及更远处,又随降尘、降雨及降雪进入水体及土壤,而土壤及地面多环芳烃通过扬尘再次进入大气,通过呼吸及食物链进入动物体产生毒害。
目前PAHs作为持久性有机污染物,因具有以下特性而被各国所关注:(1)PAHs具有极强的“三致”效应,即致癌性、致突变性及致畸性。人类及动物癌症病变有70%~90%是环境中化学物质引起的,而PAHs则是环境中致癌化学物质中最大的一类;(2)PAHs对微生物的生长有强抑制作用。PAHs因水溶性差及其稳定的环状结构而不易被生物利用,它们对细胞的破坏作用抑制普通微生物的生长;(3)PAHs经紫外照射后毒性更大(光毒效应)。PAHs吸收紫外光能后,被激发成单线态及三线态分子,被激发分子的能量可以通过不同途径损失。其中一部分被激发的PAHs分子将能量传给氧,从而产生反应能力极强的单线态氧,它能损坏生物膜。
1775年,英国人发现烟囱清扫工人多患阴囊癌;1882年,又有人发现从事煤焦油和沥青作业的工人多患皮肤癌。20世纪70年代以前,人们一直以为多环芳烃是直接致癌物,后来,动物实验的结果表明,多环芳烃本身对生物并无多大负效应,它们只有被酶系统代谢,转化为多种代谢产物后,其中某些活性形式的代谢产物与DNA发生共价结合,才具有致癌作用。
而多环芳烃进入土壤后,由土壤表面污染进一步导致下层土壤污染,甚至地下水污染。多环芳烃在土壤中的迁移与转化受挥发、光解及生物降解等过程的影响,在光诱导、生物积累及生物代谢变迁过程中,多环芳烃一般转化为酚类、醌类及芳香族羧酸类物质,有的转化产物甚至比原始多环芳烃更具毒性。
以往降解PAHs菌的分离报道,很多以萘、菲等低分子量的PAHs为主。自1988年Heitkamp等首次报道从土壤中分离到1株能降解芘的菌,经鉴定为分枝杆菌属的一个新种(MycobacteriumvanbaaleniiPYR-1),之后高分子量PAHs的降解研究也有很多,分枝杆菌(如Mycobacteriumsp.strainAP1、Mycobacteriumsp.strainRJGII-135、Mycobacteriumflavescens,红球菌(Rhodococcussp.strainUW1)、白腐真菌(Pleurotusostreatus、Panerochaetechrysosporium)和糖丝菌(Saccharothrixsp.PYX-6)等。
PAHs的芘苯环对称排列组成,结构稳定,是高分子量PAHs的代表化合物,具有致癌、致畸的结构域,因此能降解芘的微生物资源还很有限,特别是芘降解霉菌的相关研究目前更少见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供棘孢木霉H2及其在降解芘中的应用。
发明人通过大量的筛选,筛选得到了一株可降解PAHs,特别是降解芘的新菌株,经鉴定,命名该新菌株为棘孢木霉H2。棘孢木霉H2已经于2015年11月3日保藏于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,中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心,保藏机构于2015年11月3日鉴定存活,给予保藏编号为CGMCCNo.11577,建议的分类命名为棘孢木霉(Trichodermaasperellum)。
实验数据表明棘孢木霉H2具有降解芘的能力,降解力强,可以用于PAHs的降解。
附图说明
图1为棘孢木霉H2在察氏培养基(25℃,7d)上的菌落形态;
图2为棘孢木霉H2在在麦芽汁培养基(25℃,7d)上的菌落形态;
图3为棘孢木霉H2在察氏酵母培养基(25℃,7d)上的菌落形态;
图4为棘孢木霉H2在不同培养基(25℃,7d)上的背面菌落形态;
图5为棘孢木霉H2的分生孢子梗;
图6为棘孢木霉H2对芘的降解曲线;
图7为棘孢木霉H2的菌丝干重增长图。
具体实施方式
下面结合实验,进一步说明本发明的技术方案。
芘降解菌的分离与鉴定
培养基配方
PDA培养基:土豆浸出物200g/L,葡萄糖20g/L,琼脂15-20g/L。
液体培养基:在TienandKirk(1988)的配方的基础上稍加改良:其中用浓度为0.02mol·L-1的乙酸缓冲液(pH=4.4)代替丁二酸二甲酯缓冲液。其中葡萄糖10g/L,KH2PO42g/L,MgSO4·7H2O0.25g/L,CaCl20.1g/L,酒石酸铵0.5g/L(C4H12N2O6),微量元素10g/L,微量元素的组成(/L):
MnSO40.5g,NaCl1.0g,FeSO4·7H2O0.1g,COCl20.1g,ZnSO4·7H2O0.1g,CuSO40.1g,AlK(SO4)2·12H2O0.01g,Na2MoO4·2H2O0.01g
接种前无菌过滤加入VB1溶液,使得最终VB1的质量浓度为5mg/L。
察氏培养基配方:30.0g/L蔗糖,3g/LNaNO3,1g/LK2HPO4,0.5g/LMgSO4·7H2O,0.5g/LKCl,0.01g/LFeSO4·7H2O,15-20g/L琼脂。
麦芽汁培养基配方:20g/L麦芽浸膏,1g/L蛋白胨,20g/L葡萄糖,15-20g/L琼脂。
察氏酵母培养基配方:K2HPO41g/L,查氏浓缩液10ml/L,酵母抽提物5g/L,蔗糖30g/L,15-20g/L琼脂。
芘降解菌的驯化
样品采自广东省清远市,取样品蚯蚓粪,300g,含水量约50%,平摊于托盘中,添加芘使得最终蚯蚓中芘的浓度为:第1天25mg·kg-1,4天后50mg·kg-1,8天后100mg·kg-1,15天后200mg·kg-1。添加芘的方法为:取一定量的芘溶于丙酮溶液,取芘丙酮溶液均匀喷施到土壤中,搅拌均匀,并放置通风厨待丙酮挥发完毕,在28℃,避光条件下连续驯化20天。
分离
称取已经驯化好的土样10g,放入90mL无菌水中,摇床振荡15min后,放置30s后,取0.1mL涂布到无机盐固体培养基上,然后用升华法在培养基上形成芘膜。成膜方法:把接种后的平板倒扣到底部平铺有固体芘的250mL的烧杯上,并用封口膜将接口处封闭,整体放到沙浴中加热,在平板上方放上冰,使芘升华后遇平板冷却而附着在固体培养基上。制备好的培养皿置入30℃恒温箱培养,能在固体平板上生长起来的真菌再多次用PDA培养基平板画线经多次划线纯化,纯化后的菌株再用于鉴定和芘降解能力的测定。
鉴定
(1)平板观察
选取察氏培养基、麦芽汁培养基、PDA培养基,将接种针经火焰灭菌并冷却后,蘸取极少量的孢子,点植于平板的中间位置,将平板置于25℃培养8d,观察菌落的特征并记录。
(2)显微观察
用解剖针从培养皿的菌落上,挑取少许菌体,置载玻片的水滴中,于显微镜下观察其形态特征并记录。
(3)分子鉴定
提取DNA,通用引物ITS1(5'-TCCGTAGGTGAACCT-GCCG-3')(SEQIDNO:1)和ITS4(5'-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3')(SEQIDNO:2)扩增整个ITS序列,并进行PCR产物的纯化和克隆,然后由上海生物工程公司完成测序,测序结果经DNAMAN软件去除载体后,把所得的ITSrDNA序列提交到GenBank数据库,利用BLastn工具进行序列比对,对霉菌进行鉴定。
结果与分析
H2菌在察氏培养基上菌落生长迅速,5天即可长满整皿,致密丛束状,呈同心轮纹状,且中心菌丝缺少,边缘产生大量的暗绿色的分生孢子,反面无色。(图1,图4);在麦芽汁培养基上菌丝生长茂盛,5天即可长满整皿,棉絮状菌丝,菌丝暗绿色,产白色的分生孢子,平板反面呈较深的土黄偏橙色(图2,图4);在察氏培养基上菌落生长迅速,棉絮状,5天铺满培养皿,菌丝暗绿色,产白色的分生孢子,平板反面淡黄色(图3,图4)。分生孢子梗为菌丝的短侧枝,其上对生分枝,分枝上又继续分枝,形成二级、三级分枝,类似松柏树枝式轮廓,分枝角度锐角接近直角,分生孢子头椭圆形、球形,卵形等(图5)。
结合上述的平板观察、显微观察和分子鉴定结果,得出如下结论:
本发明筛选到的降解芘霉菌棘孢木霉H2,ITSrDNA序列长度为570bp,具体的序列为:TCGGGACTCACTCCCAACCCAATGTGAACGTTACCAAACTGTTGCCTCGGCGGGGTCACGCCCCGGGTGCGTCGCAGCCCCGGAACCAGGCGCCCGCCGGAGGAACCAACCAAACTCTTTCTGTAGTCCCCTCGCGGACGTATTTCTTACAGCTCTGAGCAAAAATTCAAAATGAATCAAAACTTTCAACAACGGATCTCTTGGTTCTGGCATCGATGAAGAACGCAGCGAAATGCGATAAGTAATGTGAATTGCAGAATTCAGTGAATCATCGAATCTTTGAACGCACATTGCGCCCGCCAGTATTCTGGCGGGCATGCCTGTCCGAGCGTCATTTCAACCCTCGAACCCCTCCGGGGGATCGGCGTTGGGGATCGGGACCCCTCACACGGGTGCCGGCCCCGAAATACAGTGGCGGTCTCGCCGCAGCCTCTCCTGCGCAGTAGTTTGCACAACTCGCACCGGGAGCGCGGCGCGTCCACGTCCGTAAAACACCCAACTTTCTGAAATGTTGACCTCGGATCAGGTAGGAATACCCGCTGAACTTAAGCATATCAATAAGCGGAGGAA(SEQIDNO:3),与棘孢木霉(Trichodermaasperellum)的同源性达99.8%,其培养特征及显微形态特征与棘孢木霉(Trichodermaasperellum)最相似。
棘孢木霉H2对芘的降解能力
一级种子的制取
先从斜面上接种至PDA培养基上,培养箱30℃生长10天以上,待表面长满白色的孢子,用无菌勺轻轻刮下表面的孢子,置于含有100mL无菌无机盐培养液中,160r/min,30℃培养3-5天,待孢子球长至2mm左右,进入快速生长期,备用,此为一级种子。
实验过程
用无菌吸管吸取孢子液5mL接种到含芘的25mL的液体培养基中,瓶口用无菌封口培养膜封口(无菌封口培养膜是环凯公司生产的双层膜,上有直径0.6cm的圆孔两个,两层膜的中间有直径3cm的、孔径小于0.2μ的无菌滤纸片,可用于过滤空气),放置恒温振荡培养箱中160r/min,30℃培养,隔一定的时间取样,每次取3瓶,过滤于烧杯中,转入分液漏斗中,加环己烷7ml振摇萃取2min,滤纸和烧杯用丙酮洗涤,同时洗涤液转入分液漏斗中,洗涤后的孢子烘干至恒重,用以测定菌丝干重。
具体检测方法
菌丝干重用恒重法,即80℃烘至恒重。
芘的测定用气相色谱-质谱联用仪(岛津GC/MSQP2010Plus,日本)对有机相中的芘含量进行测定。色谱条件:进样口无分流模式,进样口温度270℃;色谱柱型号为DB-5弹性石英毛细管色谱柱(30m×0.25mm×0.25μm);柱流量1.65mL/min;炉温55℃保持1min,以25℃/min升至200℃,再以10℃/min升至240℃保持0.5min,最后以30℃/min升至280℃保持2min。
结果与分析
本次研究了芘降解霉菌棘孢木霉H2在30天之内的芘降解能力(图6),以相同条件下未接种菌种的芘培养液为空白对照,在接种的第8天降解率就达到66.41%,菌丝干重0.026g(图7);至14天,降解率下降为34.17%,菌丝干重0.086g,有快速上升;23天,降解速度又加快很多,降解率达到73.79%,菌丝干重继续上升至0.0955g,;培养30天,降解率达到81.82%,而菌丝干重则略微有下降,为0.0846g。一般来说,霉菌降解芘有两条途径:一是菌丝吸附;二是酶促降解。在本研究的8、14天,含芘的培养液对菌丝生长有抑制作用,此时芘的降解应该主要是菌丝吸附;从8-14天,菌丝对含芘的培养液已经适应并开始快速生长;23天,菌丝继续生长,但生长速度已经减缓,此时降解率再次快速上升,芘的浓度仅为0.540mg/L;至培养30天,菌丝干重有少许下降,且有少量菌丝出现自溶,但降解率继续上升,达到81.82%,此时应该是菌丝产生了某些降解芘的酶,才导致芘的浓度没有上升反而下降得很厉害,所以,在该研究的30天摇床培养中,前期(23天前)应该是以吸附降解为主,而23天后应该是以酶促降解为主。
<110>广东省生态环境与土壤研究所
<120>棘胞木霉H2及其在降解芘中的应用
<130>
<160>3
<170>PatentInversion3.5
<210>1
<211>19
<212>DNA
<213>人工引物
<400>1
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<211>20
<212>DNA
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<213>棘胞木霉
<400>3
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Claims (5)
1.棘孢木霉H2,保藏于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,中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心,保藏编号为CGMCCNo.11577。
2.权利要求1所述的棘孢木霉H2作为PAHs降解剂的应用。
3.根据权利要求2所述的应用,其特征在于:PAHs为芘。
4.一种降解PAHs的生物制剂,其特征在于:该生物制剂中含有权利要求1所述的棘孢木霉H2。
5.根据权利要求4所述的生物制剂,其特征在于:PAHs为芘。
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