CN106434408A - 一种具有降解溴代阻燃剂功能的柠檬酸杆菌y3及其应用 - Google Patents
一种具有降解溴代阻燃剂功能的柠檬酸杆菌y3及其应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种具有降解六溴环十二烷功能的柠檬酸杆菌Y3及其应用，所述柠檬酸杆菌Y3于2016年4月8日保藏于中国典型培养物保藏中心，保藏编号为CCTCC NO:M 2016182；所述柠檬酸杆菌Y3为革兰氏阴性菌，在MSM平板上菌落呈圆形，表面光滑，湿润易挑起，略有粘连，颜色为浅黄至乳白色，不透明。本发明提供的柠檬酸杆菌Y3在厌氧共代谢条件下对溴代阻燃剂具有较强的降解能力，该菌株适用于环境中治理溴代阻燃剂的污染，能够达到环境修复的目的。
Description
技术领域
本发明涉及柠檬酸杆菌领域，具体涉及一种具有降解溴代阻燃剂功能的柠檬酸杆菌及其应用。
背景技术
六溴环十二烷是世界三大溴代阻燃剂之一，其为一种添加型的溴代阻燃剂，这导致该物质容易在产品的使用过程中向环境释放。迄今为止，六溴环十二烷已经在人类生活环境中积累到达一定浓度，并且在自然环境如空气、水体、沉积物、土壤、生物体中广泛检出。此外，六溴环十二烷（HBCD）作为难降解的持久性有机物，具有生物蓄积性、远距离迁移性、时间持久性三大特点并且已经被学者的研究所证实。另外，HBCD还可能对生物体产生肝脏毒性、神经毒性以及内分泌毒性等。毫无疑问，六溴环十二烷污染已经成为社会发展、环境保护的巨大难题。
关于六溴环十二烷污染治理的方法有化学法、光解法和微生物法等，而微生物法降解持久性有机物具有经济、高效并且降解彻底的优势，因此利用厌氧污泥富集驯化，并纯化分离出能够高效降解HBCD的菌株，并研究其特性，对于六溴环十二烷的环境污染处理具有重要的科学意义和应用价值。然而针对降解六溴环十二烷的高效菌种却十分缺乏，这无疑给HBCD环境污染治理带来巨大障碍。
现有文献报道的具有降解六溴环十二烷能力的菌株包括假单胞杆菌、无色杆菌、红球菌、不动杆菌、微杆菌、盐单胞菌。到目前为止，尚没有文献报道柠檬酸杆菌（Citrobacter sp.）具有降解六溴环十二烷的能力。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有降解溴代阻燃剂功能的柠檬酸杆菌Y3，该柠檬酸杆菌Y3在厌氧共代谢条件下对溴代阻燃剂具有较强的降解能力，该菌株适用于环境中治理溴代阻燃剂的污染，能够达到环境修复的目的。
本发明的另一目的在于提供上述具有降解溴代阻燃剂功能的柠檬酸杆菌Y3在具有降解溴代阻燃剂功能的制剂中的应用。
本发明的另一目的在于提供一种具有降解溴代阻燃剂功能的制剂。
本发明的另一目的在于提供上述具有降解溴代阻燃剂功能的柠檬酸杆菌Y3在降解溴代阻燃剂中的应用。
本发明的另一目的在于提供一种降解水体中的溴代阻燃剂的方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有降解溴代阻燃剂功能的柠檬酸杆菌Y3,所述柠檬酸杆菌Y3于2016年4月8日保藏于中国典型培养物保藏中心，保藏编号为CCTCC NO:M 2016182，分类命名为柠檬酸杆菌（Citrobacter sp.）Y3。
本发明通过从添加了六溴环十二烷的连续流厌氧反应器中分离出一株在厌氧共代谢条件下具有降解六溴环十二烷功能的柠檬酸杆菌，该菌株能在不同的共代谢基质环境下对六溴环十二烷进行有效地降解，降解效率可达60%~90%。
本发明提供的柠檬酸杆菌Y3在外加共代谢碳源下，能有效降解溴代阻燃剂。所述共代谢碳源为葡萄糖、麦芽糖、蔗糖、淀粉、柠檬酸钠中的一种或几种，其中最佳共代谢碳源为柠檬酸钠。
所述柠檬酸杆菌在MSM平板上生长，菌落为圆形，表面光滑，淡黄色至乳白色，不透明。经革兰氏染色，于显微镜下观察，其形态为短杆状，且革兰氏染色为阴性。柠檬酸杆菌（Citrobacter sp.）Y3的主要理化特性：菌株生长温度为20～40℃，pH范围6～9，兼性厌氧生长，接触酶阳性，甲基红阳性，苯丙脱氢酶阴性。
（Citrobacter sp.）Y3的主要遗传特征：对其16S rRNA进行测序，BLAST对比的结果显示，Y3菌的16SrDNA序列与柠檬酸杆菌（Citrobacter sp.）Y3同源性高达99%。综合上述的生理生化特性、16S rRNA基因序列结果，我们可以判断，本发明Y3菌属于柠檬酸杆菌（Citrobacter sp.），命名为柠檬酸杆菌（Citrobacter sp.）Y3。
上述具有降解溴代阻燃剂功能的柠檬酸杆菌Y3在具有降解溴代阻燃剂功能的制剂中的应用。
一种具有降解溴代阻燃剂功能的制剂，所述制剂中含有具有降解溴代阻燃剂功能的柠檬酸杆菌Y3。
上述具有降解溴代阻燃剂功能的柠檬酸杆菌Y3在降解溴代阻燃剂中的应用。优选地，所述应用为降解水体中的溴代阻燃剂中的应用。
所述溴代阻燃剂可以为六溴环十二烷、四溴双酚A、十溴联苯醚中的一种或几种。优选地，所述溴代阻燃剂为六溴环十二烷。
本发明提供的柠檬酸杆菌Y3尤其适用于降解水体中的溴代阻燃剂，其中，pH、温度、接菌量对降解效率的影响尤为重要，发明人经过众多尝试之后，发现了上述柠檬酸杆菌Y3降解水体中的溴代阻燃剂的最优条件，具体如下：
一种降解水体中的溴代阻燃剂的方法，所述降解条件为：培养温度为28～32℃，pH为7.0，在其他条件不变的情况下，初始接菌量为OD600=0.5，以体积比为1%接入培养液。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明在高校基本科研业务费中山大学青年教师培育项目“水环境中十溴联苯醚的微生物脱除机理研究”(161gpy27) 及国家重大水专项“电子行业排水特征污染物强化降解技术应用研究” (2012ZX07206-002-02)的支持下完成。本发明首次从连续流的厌氧反应器中筛选到具有降解六溴环十二烷的柠檬酸杆菌Y3。本发明提供的柠檬酸杆菌Y3具有较强的降解溴代阻燃剂的能力，尤其是降解六溴环十二烷的能力，在溴代阻燃剂的浓度为10mg/L，厌氧碳源共代谢基质条件下，降解8天，降解率基本可达90%以上。本发明提供的柠檬酸杆菌Y3尤其适用于环境中治理溴代阻燃剂的污染，能够达到环境修复的目的。
附图说明
图1 为柠檬酸杆菌Y3电镜扫描图；
图2为柠檬酸杆菌Y3生长曲线；
图3 为柠檬酸杆菌Y3的系统发育树；
图4为不同种类共代谢基质对柠檬酸杆菌Y3降解六溴环十二烷的影响；
图5为不同浓度葡萄糖对柠檬酸杆菌Y3降解六溴环十二烷的影响；
图6为不同浓度麦芽糖对柠檬酸杆菌Y3降解六溴环十二烷的影响；
图7为不同浓度蔗糖对柠檬酸杆菌Y3降解六溴环十二烷的影响；
图8为不同浓度淀粉对柠檬酸杆菌Y3降解六溴环十二烷的影响；
图9为不同浓度柠檬酸钠对柠檬酸杆菌Y3降解六溴环十二烷的影响；
图10为不同共代谢基质对柠檬酸杆菌Y3生长情况的影响；
图11为不同的溴代阻燃剂对柠檬酸杆菌Y3生长情况的影响。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例来进一步详细阐述本发明。本发明以下实施例为本发明较佳的实施方式，本发明主要阐述所述菌株以及基于所述菌株的应用思想，实施方式中简单参数的替换不能一一在实施例中赘述，但并不因此限制本发明的保护范围，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，应被视为等效的置换方式，包含在本发明的保护范围之内。
实施例1 柠檬酸杆菌Y3的分离和鉴定
1．菌种的富集与分离
从实验室中培养2年的且添加了六溴环十二烷为污染物的连续流厌氧反应
器种取出泥水混合物5ml 于标准血清瓶中培养，同时加入含有5mg/L六溴环十二烷的无机盐培养液（培养液成分见表1），厌氧30℃，转速为120 rap 的摇床中富集驯化一周后，以10% 接种量移入含8mg/L六溴环十二烷的无机盐培养基接着驯化一周，以此类推逐步提高六溴环十二烷的浓度进行驯化，六溴环十二烷的使用浓度分别为10、15、20mg/L。驯化富集结束后，取0.1ml菌悬液（稀释10-1~10-7）涂布在以六溴环十二烷为唯一碳源的固体平板培养基（琼脂粉添加量1.86g/L，六溴环十二烷10 mg/L）直到平板上出现单一的纯菌落。挑选生长状态较好、边缘规则的菌落。
表1：MSM培养基
。
2．菌株鉴定
（1）菌株形态观察：通过电子扫描电镜与观察上述菌株的形态特征，具体可参看说明书附图1。
（2）分子标记鉴定：采用细菌DNA提取试剂盒提取细菌的总DNA，采用细菌的16SrRNA通用引物，PCR 扩增上述菌株的16S rRNA序列，然后进行BLAST 比对，再用MEGA4 软件构建系统发育树，得到该菌株的系统发育关系树。
所述PCR扩增的条件如下：
通用引物：
27F：5'-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3'
1492R：5'-GGCTACCTTGTTACGACTT-3'
扩增体系：DNA模板<1ug
引物1 （10 uM） 1uL
引物2（10 uM） 1uL
2×Taq PCR MasterMix 12.5uL
ddH2O补至 25
PCR扩增反应条件：
① 94℃3min
② 94℃ 30sec
③ 55℃ 30sec
④ 72℃ 1min
⑤ 72℃ 5min
其中，②③④三个操作连续循环30次；
对其16Sr RNA 进行测序，BLAST 比对的结果显示，该菌株的16S rRNA序列与柠檬酸杆菌（Citrobacter sp.）同源性高达99%。因此，我们可以判断，该菌株属于柠檬酸杆菌，命名为柠檬酸杆菌Y3，并于2015年4月19日保藏在中国典型培养物保藏中心（CCTCC），保藏编号为CCTCC M2015241，保藏地点为中国湖北省武汉市武汉大学，分类命名为柠檬酸杆菌Y3（Citrobacter sp. Y3）。
驯化后得到的菌株经过革兰氏染色法显微镜观察，革兰氏染色呈阴性，该菌经16SrRNA测序鉴定，经BLAST 比对并用MEGA4.0 软件构建其系统进化关系树可参看说明书附图3，鉴定其为柠檬酸杆菌。测序结果如下：
acggtaacaggaagcagcttgctgctttgctgacgagtggcggacgggtgagtaatgtct 1
gggaaactgcccgatggagggggataactactggaaacggtagctaataccgcataatgt61
cgcaagaccaaagagggggaccttcgggcctcttgccatcggatgtgcccagatgggatt121
agcttgttggtgaggtaacggctcaccaaggcgacgatccctagctggtctgagaggatg181
accagccacactggaactgagacacggtccagactcctacgggaggcagcagtggggaat241
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ttgtaaagtactttcagcggggaggaaggggttaaggttaataaccttagccattgacgt361
tacccgcagaagaagcaccggctaactccgtgccagcagccgcggtaatacggagggtgc421
aagcgttaatcggaattactgggcgtaaagcgcacgcaggcggtctgtcaagtcggatgt481
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ggccttgtacacaccgcccgtcacaccatgggagtgggttgcaaaagaagtaggtagctt1321
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（3）菌株的生理生化特性
柠檬酸杆菌Y3为革兰氏阴性菌，在MSM平板上菌落呈圆形，表面光滑，湿润易挑起，略有粘连，颜色为浅黄至乳白色，不透明。菌株生长温度为20～40℃，pH范围6～9，兼性厌氧生长，接触酶阳性，甲基红阳性，苯丙脱氢酶阴性。柠檬酸杆菌Y3的生长曲线见图2，柠檬酸杆菌Y3的糖（醇、苷）类发酵试验结果见下表2：
表2 柠檬酸杆菌Y3的糖（醇、苷）类发酵试验
。
3．菌株生长曲线的测定
用紫外可见分光光度计测量600nm波长下培养液的光密度值，OD600的值可参看说明书附图2。
实施例2 柠檬酸杆菌Y3在厌氧共代谢条件下对六溴环十二烷的降解试验
1．对分离纯化的柠檬酸杆菌Y3在厌氧条件下和进行未添加共代谢基质的六溴环十二烷降解的血清瓶实验，每隔2天取样，到第八天截止，检测六溴环十二烷的降解率以及菌株的生长情况OD600nm。
2．经过实验后发明人发现该菌株在以六溴环十二烷为单一碳源条件下，八天内菌体的生长十分缓慢，且六溴环十二烷的降解效率仅有40%左右，这说明，六溴环十二烷作为一种难降解持久性有机物，该菌株体内可能缺乏相应的酶，因此难以利用六溴环十二烷作为能源物质，来支持其生长。故考虑以外加共代谢基质的方式，来探究该菌株对六溴环十二烷的降解效果。在TOC=300mg/L的碳源条件下，分别添加了葡萄糖、麦芽糖、蔗糖、淀粉以及柠檬酸钠为共代谢基质，在温度为30℃，pH为7，摇床转速为120 rpm，8天后测定菌株对六溴环十二烷的降解情况。结果发现，该五种共代谢基质均能作为柠檬酸杆菌Y3的共代谢基质，且在一定程度上促进该菌株的生长，同时六溴环十二烷的降解效果也大大提高，具体可参看说明书附图4。在以葡萄糖、麦芽糖、蔗糖、淀粉、柠檬酸钠为共代谢基质存在的情况下，该菌株对六溴环十二烷的降解效率分别达到了77.61%、73.50%、76.89%、71.19%和80.21%。下表3 是不同种类共代谢基质下菌株Y3降解六溴环十二烷的动力学方程。
表3不同种类共代谢基质下菌株Y3降解六溴环十二烷的动力学方程
实施例3不同浓度共代谢基质对柠檬酸杆菌Y3降解六溴环十二烷的影响
发明人还分别探讨了不同浓度不同种类的共代谢基质对菌株Y3降解六溴环十二烷的影响，分别设置葡萄糖、麦芽糖、蔗糖、淀粉和柠檬酸钠不同浓度的梯度实验，比较其对六溴环十二烷降解效率的影响，确定最适降解条件下的最适范围或最适比例。
首先按照共代谢基质与污染物六溴环十二烷的不同比例，设置五个不同浓度（10、100、500、1000、2000mg/L）来探索共代谢基质与污染底物之间的最适关系。众所周知，生长基质与非生长基质的配比在微生物共代谢生长过程十分重要，当生长基质的浓度增加时，虽然能够为微生物提供更多的碳源及能源，增加关键酶的合成，却也有可能因为两者之间的竞争性抑制作用而反而降低了污染物的降解效率。
实验中无机盐培养基于灭菌115℃灭菌20min，六溴环十二烷的初始浓度为10mg/L，葡萄糖加入量分别为10、100、500、1000、2000mg/L，按1%（V/V）接入菌悬液，使菌体OD600为0.5，30℃，pH值为7.0的条件下培养8天。实验结果表明，葡萄糖可作为柠檬酸杆菌Y3生长所需的碳源和能源，提高了菌体活性，随着葡萄糖浓度的增加，菌体浓度也随之升高，同时六溴环十二烷降解效率也大大提高，当葡萄糖浓度为500mg/L 时，六溴环十二烷降解效率达到最大为85.29%。当在相同生长条件而接入等梯度浓度麦芽糖时，相比无外加碳源，菌体的生长量以及六溴环十二烷的降解效率均有提高，降解效果与葡萄糖相似，但略低于葡萄糖作为外加共代谢基质时的降解效果，当麦芽糖浓度为500mg/L 时，六溴环十二烷降解效率达到最大为80.42%。然而当在相同生长条件而接入等梯度浓度蔗糖时，情况则并不一致，在蔗糖浓度达到2000mg/L时，六溴环十二烷的降解效果也仅有66.73%，这有可能是因为蔗糖自身性质与葡萄糖、麦芽糖不同，属于非还原性糖，菌体对其利用程度、共代谢路径并不一样。另外，当淀粉作为共代谢基质时，其对菌株Y3降解效果也不如葡萄糖和麦芽糖明显，最好的降解效率是在浓度为1000mg/L 时的66.95%，分析原因可能是淀粉的多糖分子结构相比葡萄糖的单糖和麦芽糖的双糖分子结构更加复杂，往往不利于降解微生物代谢吸收。尽管如此，菌株Y3对六溴环十二烷的降解在有蔗糖和淀粉作为共代谢基质存在时仍然比无共代谢基质时要提高许多，这说明蔗糖和淀粉亦能作为菌株Y3降解六溴环十二烷的共代谢基质。添加梯度浓度1000、1500、2000、2500、3000mg/L的柠檬酸钠作为菌株Y3的共代谢基质，其他外界条件不变时，考察柠檬酸钠对六溴环十二烷降解效果的影响，发现柠檬酸钠作为共代谢碳源，相比糖类物质，能更有效地帮助菌株Y3降解六溴环十二烷，降解效果更加明显。菌株降解六溴环十二烷的效率并非随柠檬酸钠的浓度增加而增加，而是在柠檬酸钠浓度达到1500mg/L 时达到最大值92.14%。这可能与菌株Y3作为柠檬酸杆菌，对柠檬酸及柠檬酸盐类物质更加地敏感，相比于前四种糖类物质，更能够诱导产生共代谢六溴环十二烷的关键酶，获得更高的去除效果。
图5～图9 揭示了葡萄糖、麦芽糖、蔗糖、淀粉和柠檬酸钠在不同浓度下对应的OD600以及对六溴环十二烷的降解效果。由图5～图9可知，其实菌株对六溴环十二烷降解效率并不与生长速率一致，共代谢底物浓度越高也不与越高的六溴环十二烷相对应，这说明底物六溴环十二烷与共代谢基质之间有着复杂的竞争关系。
综上，发明人最终确定本发明提供的上述柠檬酸杆菌降解六溴环十二烷的最优条件培养温度为30℃左右， pH为7.0，共代谢基质柠檬酸钠1500mg/L，在其他条件不变的情况下，初始接菌量为OD600=0.5，以1%（V/V）接入培养液进行培育。当在此条件下时，菌株具有较好的去除六溴环十二烷的效果。
实施例4不同共代谢基质及不同的溴代阻燃剂对柠檬酸杆菌Y3生长情况的影响
在装有100 ml营养液的血清瓶中，投加不同种类共代谢基质（10mg/L六溴环十二烷作为底物），以及三类溴代阻燃剂，同时以1%的接菌量接入一定量菌悬液培养8天，考察不同种类共代谢基质对菌株Y3生长情况的影响。结果表明，葡萄糖、麦芽糖作为极易被微生物降解的共代谢基质，容易被菌株Y3迅速消耗，菌体量也大量增长，但应该注意的是，此时并非对应着最高的六溴环十二烷的降解率，说明菌株此时主要消耗易降解物质来支持自身的生长，从而可能对六溴环十二烷的降解存在竞争性抑制。对于蔗糖和淀粉这两种结构相对复杂的共代谢基质，微生物则要经过更多地水解步骤再加以利用，因而此时菌株Y3的生长曲线相对平缓，生长速率低于以葡萄糖和麦芽糖作为共代谢基质时的速率。当菌株Y3以柠檬酸钠作为共代谢基质时，在前48小时生长比较缓慢，说明六溴环十二烷和柠檬酸钠同时存在时，前者有可能抑制着菌株Y3对后者的利用，使得菌株Y3在两者共存的条件下需要一定的适应期，经过48小时后，菌株开始慢慢步入生长期，第四天到第六天之间迅速生长，说明菌株Y3可能已经适应利用柠檬酸钠作为自身的生长基质，同时关键酶被激活，完成对六溴环十二烷的降解。
此外本实验还比较了六溴环十二烷、四溴双酚A以及十溴联苯醚在共代谢和非共代谢条件下对菌株Y3生长情况的影响。试验表明，菌株Y3无法利用十溴联苯醚做为唯一碳源生长，而当在以柠檬酸钠为基质的共代谢条件下，菌株Y3依旧无法生长，这可能由于十溴联苯醚的毒性较大，严重抑制了菌体的生长。此外，在非共代谢条件下，菌株Y3无法利用四溴双酚A作为唯一碳源生长，而在共代谢条件下，菌株得到迅速生长，这说明在共代谢条件下，菌株Y3也可能具备降解四溴双酚A的能力。具体的生长曲线可见说明书附图10、11。
Claims (10)
1.一种具有降解溴代阻燃剂功能的柠檬酸杆菌Y3,其特征在于，所述柠檬酸杆菌Y3于2016年4月8日保藏于中国典型培养物保藏中心，保藏编号为CCTCC NO:M 2016182。
2.根据权利要求1所述具有降解溴代阻燃剂功能的柠檬酸杆菌Y3,其特征在于，所述柠檬酸杆菌Y3为革兰氏阴性菌，在MSM平板上菌落呈圆形，表面光滑，湿润易挑起，略有粘连，颜色为浅黄至乳白色，不透明。
3.根据权利要求1所述具有降解溴代阻燃剂功能的柠檬酸杆菌Y3,其特征在于，所述柠檬酸杆菌Y3在外加共代谢碳源下，能有效降解溴代阻燃剂。
4.根据权利要求3所述具有降解溴代阻燃剂功能的柠檬酸杆菌Y3,其特征在于，所述共代谢碳源为葡萄糖、麦芽糖、蔗糖、淀粉、柠檬酸钠中的一种或几种。
5.权利要求1～4一所述具有降解溴代阻燃剂功能的柠檬酸杆菌Y3在具有降解溴代阻燃剂功能的制剂中的应用。
6.一种具有降解溴代阻燃剂功能的制剂，其特征在于，所述制剂中含有具有降解溴代阻燃剂功能的柠檬酸杆菌Y3。
7.权利要求1～4所述具有降解溴代阻燃剂功能的柠檬酸杆菌Y3在降解溴代阻燃剂中的应用。
8.根据权利要求7所述应用，其特征在于，所述具有降解溴代阻燃剂功能的柠檬酸杆菌Y3在降解水体中的溴代阻燃剂中的应用。
9.根据权利要求7所述应用，其特征在于，所述溴代阻燃剂为六溴环十二烷、四溴双酚A、十溴联苯醚中的一种或几种。
10.一种降解水体中的溴代阻燃剂的方法，其特征在于，所述降解条件为：培养温度为28～32℃，pH为7.0，初始接菌量为OD600=0.5，以体积比为1%接入培养液。
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