一种降解冻融土壤中多环芳烃污染物的复合菌剂及其应用
技术领域
本发明涉及一种降解冻融土壤中多环芳烃污染物的方法,特别涉及一种低温条件下采用复合菌剂对冻融土壤中多环芳烃污染物的降解方法。
本发明中所称假单胞菌(Pseudomonas sp.)SDR4,已于2017年4月19日在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心保藏,保藏编号为CGMCC NO.14048。
本发明中所称高山被孢霉(Mortierella alpine)JDR7,已于2018年1月5日在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心保藏,保藏编号为CGMCC NO.15183。
背景技术
多环芳烃是(Polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)一类由2个或2个以上的苯环稠合在一起组成的有机化合物,常见的18种PAHs中已被美国环保局(USEPA)列入优控污染物的有16种。PAHs具有长期残留性,容易出现生物富集、生物放大现象,在环境中难降解;具有“二半”特点,即较长半衰期,半挥发性;“三高”,即高稳定性、高蓄积性、高毒性。由于该类化合物辛醇-水分配系数高,水溶性差,常被吸附于土壤颗粒上。因此,土壤成为PAHs的主要载体,通过土壤-植物系统迁移,PAHs经食物链进入人体,进而影响到人类健康。由于苯环数越高,脂溶性越大,水溶性越低,生物可降解性越低,所以能降解高分子量PAHs的微生物较少。
微生物降解是环境中PAHs去除最主要的途径,具有环境友好的特点。目前国内外主要集中在常温微生物降解PAHs的研究,然而我国华北、东北和西北地区是冬季气候寒冷漫长,冰冻期长达3~6个月的寒冷地区,结冻会导致大部分微生物休眠,微生物活性会受到抑制,致使微生物对PAHs的降解能力下降,常温微生物很难清除冻融土壤中的PAHs。因此,研究低温微生物对PAHs的降解具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用细菌和真菌联合的方法来降解冻融土壤中的多环芳烃,以提高降解PAHs的效率。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:一种降解冻融土壤中多环芳烃污染物的复合菌剂,由假单胞菌和被孢霉混合制成。
优选的,上述的一种降解冻融土壤中多环芳烃污染物的复合菌剂,所述的假单胞菌为保藏编号为CGMCC NO.14048的假单胞菌(Pseudomonas sp.)SDR4;所述的被孢霉为保藏编号为CGMCC NO.15183的高山被孢霉(Mortierella alpine)JDR7。
优选的,上述的一种降解冻融土壤中多环芳烃污染物的复合菌剂,假单胞菌和被孢霉按体积比1:1混合。
一种降解冻融土壤中多环芳烃污染物的方法,利用上述的复合菌剂,包括如下步骤:
1)将假单胞菌和被孢霉分别置于完全培养基中,15℃,120r/min摇床培养30~40h,至假单胞菌细菌密度为5~6×108CFU·mL-1,被孢霉孢子悬浊液中孢子密度为5~6×108CFU·mL-1;
2)将假单胞菌和被孢霉接种于完全培养基中,15℃,120r/min摇床混合培养3d,得复合菌剂;假单胞菌和被孢霉按体积比1:1混合;
3)于含有多环芳烃污染物的冻融土壤中,加入复合菌剂,补加或不补加水,使土壤含水量为20~30%。
优选的,上述的一种降解冻融土壤中多环芳烃污染物的方法,所述的多环芳烃是由2个或2个以上的苯环稠合在一起组成的有机化合物。
优选的,上述的一种降解冻融土壤中多环芳烃污染物的方法,所述的多环芳烃是芘(Pyr)和苯并[a]芘(Bap)。
优选的,上述的一种降解冻融土壤中多环芳烃污染物的方法,所述的完全培养基是:肉膏5g,蛋白胨10g,葡萄糖10g,酵母粉5g,NaCl 5g,琼脂20g,蒸馏水1L,pH为7.1~7.2,121℃,灭菌20min。
(一)本发明提供的假单胞菌(Pseudomonas sp.)SDR4的筛选方法如下:
从沈抚灌渠采集3点土样,采样深度约为50cm,经碾碎,过2mm筛,将土样混合后装入试剂袋密封,放入冰箱4℃保存备用,并测定其PAHs浓度。模拟该地区冬季低温的冻结土样,将其置于-20℃冰箱内冷冻20d,并于15℃培养箱内融化10d后备用。称取适量土样,编号分别为SR(未冻结土样)、SD(冻结土样),置于营养培养基中自然富集培养4d,然后取上述富集培养液10mL接种于无机盐选择培养基中进行选择培养,采用定时定量转接逐步提高碳源浓度法进行驯化,于15℃,120r·min-1摇床富集培养7d。选择培养基中Phe、Pyr与BaP初始浓度为10、10与5mg·L-1,第2次转接浓度增加至20、20与10mg·L-1,第3次转接浓度增加至30、30与15mg·L-1。将菌泥悬液用无菌水稀释制成10-2、10-3、10-4、10-5和10-6稀释度的菌泥悬液。吸取0.2mL分别涂布于加PAHs膜的固体营养培养基平板上,15℃倒置培养至有肉眼可见的明显菌落长出,平板连续划线转板3次,挑取菌落大,生长较快的单菌株接入喷涂PAHs的营养培养基斜面,分别于28、15、4℃下倒置培养10d左右,观察生长状况,对低温PAHs降解菌进行初筛。初筛出4株细菌,记为SDR2-SDR5,将初筛得到的菌种按10%量按种其菌悬液到实验模拟土壤中,其菌浓度为6×108CFU/mL,Pyr与BaP的浓度分别为30mg/kg、15mg/kg。随时补加无菌水,使土壤水分为30%,置冻融循环箱中避光培养,冻融循环模式为-5℃冻结12h,15℃解冻12h,分别在0,15,30,45和60d取样,提取纯化处理进行液相色谱分析,测定土壤中PAHs的残留量,结果SDR4效果显著。
菌株SDR4,在牛肉膏蛋白胨平板上呈淡黄色,不透明,呈革兰氏阴性,短杆状,边缘整齐,不形成芽孢,好氧。
菌株SDR4基因的提取、PCR扩增、测序由上海生工生物技术有限公司完成。将测序结果在NCBI网站上的GenBank中用Blast对基因序列进行同源性比较,以确定该菌种属。应用MEGA 5.0软件(MoleculaEvolutionary Genetics Analysis)计算遗传距离,采用邻接法(Neighbor-joining)构建系统发育树,用Bootstrap分析评估数的稳定性。由图1可见,SDR4菌与假单胞菌属的16S rDNA序列自然聚类,与其相似度在99%,因此菌株SDR4归属于假单胞菌(Pseudomonas sp.)。
无机盐液体培养基包括:K2HPO41.0g,(NH4)2SO4 5g,MgSO4﹒7H2O 0.5g,pH 7.0~7.2,蒸馏水1L定容,121℃灭菌25min,营养培养基(CM培养基):蛋白胨10.0g,葡萄糖10g,酵母粉5g,牛肉膏5g,氯化钠5g,pH 7.0~7.2,以蒸馏水定容至1000mL,121℃灭菌25min,固体培养基另加琼脂粉20g/L。
(二)本发明提供的高山被孢霉(Mortierella alpine)JDR7的筛选
从鸡西污染地采集3点土样,采样深度约为50cm,经碾碎,过2mm筛,将土样混合后装入试剂袋密封,放入冰箱4℃保存备用,并测定其PAHs浓度。模拟该地区冬季低温的冻结土样,将其置于-20℃冰箱内冷冻20d,并于15℃培养箱内融化10d后备用。称取适量土样,编号分别为SR(未冻结土样)、SD(冻结土样),置于营养培养基中自然富集培养4d,然后取上述富集培养液10mL接种于无机盐选择培养基中进行选择培养,采用定时定量转接逐步提高碳源浓度法进行驯化,于15℃,120r·min-1摇床富集培养7d。选择培养基中Phe、Pyr与BaP初始浓度为10、10与5mg·L-1,第2次转接浓度增加至20、20与10mg·L-1,第3次转接浓度增加至30、30与15mg·L-1。将菌泥悬液用无菌水稀释制成10-2、10-3、10-4、10-5和10-6稀释度的菌泥悬液。吸取0.2mL分别涂布于加PAHs膜的固体营养培养基平板上,15℃倒置培养至有肉眼可见的明显菌落长出,平板连续划线转板3次,挑取菌落大,生长较快的单菌株接入喷涂PAHs的营养培养基斜面,分别于28、15、4℃下倒置培养10d左右,观察生长状况,对低温PAHs降解菌进行初筛。初筛出真菌3株,记为JDR6-JDR8,将初筛得到的菌种按10%量按种其菌悬液到实验模拟土壤中,其菌浓度为6×108CFU/mL,Pyr与BaP的浓度分别为30mg/kg、15mg/kg。随时补加无菌水,使土壤水分为30%,置冻融循环箱中避光培养,冻融循环模式为-5℃冻结12h,15℃解冻12h,分别在0,15,30,45和60d取样,提取纯化处理进行液相色谱分析,测定土壤中PAHs的残留量,结果JDR7效果显著。
菌株JDR7,在牛肉膏蛋白胨平板上呈白色,生长初期成花瓣状,后期菌丝发达.生长繁密,在扫描电镜下观察呈管状,是一种具有良好的食品安全评估记录的工业产油好氧真菌。
菌株JDR7基因的提取、PCR扩增、测序由上海生工生物技术有限公司完成。将测序结果在NCBI网站上的GenBank中用Blast对基因序列进行同源性比较,以确定该菌种属。应用MEGA 5.0软件(MoleculaEvolutionary Genetics Analysis)计算遗传距离,采用邻接法(Neighbor-joining)构建系统发育树,用Bootstrap分析评估数的稳定性。由图2可见,JDR7菌与被孢霉的ITS序列自然聚类,与其相似度在99%,因此菌株JDR7归属于被孢霉。
本发明的有益效果是:本发明克服了寒冷地区常温单一菌种降解PAHs的不完全性,本发明的复合菌剂能够提高多环芳烃的降解效率。
附图说明
假单胞菌(Pseudomonas sp.)SDR4,保藏单位名称:中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心,简称:CGMCC,保藏单位地址:北京市朝阳区北辰西路1号院3号,邮政编码:100101。保藏日期为2017年4月19日,保藏编号为CGMCC NO.14048。
高山被孢霉(Mortierella alpine)JDR7,保藏单位名称:中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心,简称:CGMCC,保藏单位地址:北京市朝阳区北辰西路1号院3号,邮政编码:100101。保藏日期为2018年1月5日,保藏编号为CGMCC NO.15183。
图1是基于16S rDNA序列和Neighbor-Joining法构建SDR4的系统进化树。
图2是基于ITS序列和Neighbor-Joining法构建JDR7的系统进化树。
图3是三种降解方法降解芘(Pyr)的比较图。
图4是三种降解方法降解苯并[a]芘(Bap)的比较图。
具体实施方式
实施例一种降解冻融土壤中多环芳烃污染物的方法
(一)假单胞菌(Pseudomonas sp.)SDR4的培养
完全培养基:牛肉膏5g,蛋白胨10g,葡萄糖10g,酵母粉5g,NaCl 5g,琼脂20g,蒸馏水1000mL,pH为7.1~7.2,121℃灭菌20min。
取保存于斜面培养基上的、保藏编号为CGMCC NO.14048的假单胞菌(Pseudomonassp.)SDR4,按5%的接种量接种于完全培养基中,15℃,120r/min摇床培养30~40h,至细菌密度为6×108CFU·mL-1,得假单胞菌(Pseudomonas sp.)SDR4细菌菌悬液。
(二)高山被孢霉(Mortierella alpine)JDR7的培养
完全培养基:牛肉膏5g,蛋白胨10g,葡萄糖10g,酵母粉5g,NaCl 5g,琼脂20g,蒸馏水1000mL,pH为7.1~7.2,121℃灭菌20min。
取保存于斜面培养基上的、保藏编号为CGMCC NO.15183的高山被孢霉(Mortierella alpine)JDR7,按5%的接种量接种于完全培养基中,15℃,120r/min摇床培养30~40h,至孢子悬浊液中孢子密度6×108CFU·mL-1,得高山被孢霉(Mortierellaalpine)JDR7真菌菌悬液。
(三)复合菌剂
完全培养基:牛肉膏5g,蛋白胨10g,葡萄糖10g,酵母粉5g,NaCl 5g,琼脂20g,蒸馏水1000mL,pH为7.1~7.2,121℃灭菌20min。
按体积比1:1,取假单胞菌(Pseudomonas sp.)SDR4细菌菌悬液和高山被孢霉(Mortierella alpine)JDR7真菌菌悬液,分别按10%的接种量接种于完全培养基中,15℃,120r/min摇床混合培养3d,得复合菌剂。
(四)降解
降解实验用土壤:采自中国科学院沈阳生态试验站0~20cm表层清洁土,土壤为草甸棕壤,其基本理化性状:pH为6.72,有机碳为17.8g/kg,全氮为1.1g/kg,全磷为0.35g/kg,交换量(CEC)为45.04mg/kg。土壤过2mm筛后,分装培养瓶中,每瓶5g,121℃高温灭菌60min,冷却后每瓶定量加入Pyr和Bap的丙酮溶液,混合均匀,使Pyr和Bap的初始浓度分别为120mg/L和60mg/L,放置过夜,得含有Pyr和Bap污染物的土壤样品。
对比例1:按10%接种量,将被孢霉(Mortierella sp.)JDR7真菌菌悬液加入到上述含有Pyr和Bap污染物的土壤样品中,置冻融循环箱中避光培养,冻融循环模式为-5℃冻结12h,15℃解冻12h,随时补加无菌水,使土壤水分为20%,分别在0、15、30、45和60d取样。
对比例2:按10%接种量,将假单胞菌(Pseudomonas sp.)SDR4细菌菌悬液加入到上述含有Pyr和Bap污染物的土壤样品中,置冻融循环箱中避光培养,冻融循环模式为-5℃冻结12h,15℃解冻12h,随时补加无菌水,使土壤水分为20%,分别在0、15、30、45和60d取样。
本发明:按10%接种量,将步骤(三)制备的复合菌剂加入到上述含有Pyr和Bap污染物的土壤样品中,置冻融循环箱中避光培养,冻融循环模式为-5℃冻结12h,15℃解冻12h,随时补加无菌水,使土壤水分为20%,分别在0、15、30、45和60d取样。
(五)结果
土壤中Pyr和Bap的含量采用超声提取,HPLC法测定。
称取5g处理后土样过筛60目,倒入50ml离心管中,用移液枪加15ml二氯甲烷,超声2次,每次超声2h,超声时保持超声仪内水温在30℃以下。将超声后的离心管放入离心机,以4000r/min的转速离心10min,离心完成后将上清液倒入相应编号的鸡心瓶中进行旋转蒸发。吸取2ml正己烷溶解样品,将其转移到净化柱(1g中性A12O3+1g硅胶+1g无水硫酸钠)中净化,用20mL正己烷、二氯甲烷(体积比为1:1)淋洗,收集滤出液,浓缩至约1mL,用柔和氮气吹干,1mL乙腈定容用液相色谱测定PAHs。
污染土壤的待检测样品均使用荧光及紫外检测器进行检测,色谱条件:色谱柱为多环芳烃分析专用柱ZORBAX EclipsePAH(4.6m*250mm*5um);柱温25℃;流动相为色谱纯乙腈和水,乙腈:水=60%:40%,流速1.000mL/min;进样量为10μL,各种PAHs以色谱峰保留时间定性,外标法定量,方法回收率79.56%~92.48%。
测定结果如图3和图4所示,本实施例说明耐低温菌可用于北方寒冷地区降解冻融土壤中的PAHs,其中混合菌SDR4+JDR7对高环PAHs降解效果好。由图3和图4可看出,各处理组在整个过程对Pyr的去除率增加趋势较明显。0~30d,随修复时间的增加,菌的生长迅速加快,微生物的浓度增大,各菌株组对Pyr的降解率也随之增加,60d后SDR4、JDR7和SDR4+JDR7可分别降解31.17%、38.11%与37.15%的Pyr。而对于高环的BaP,其脂溶性大,水溶性较低,生物可降解性较低。各菌株的降解率都不高,但30~45d,两种菌起到协同作用,SDR4+JDR7对BaP去除率快速增加。60d后混合菌SDR4+JDR7可降解27.41%的BaP,降解率较细菌SDR4和真菌JDR7提高了4.10%和9.15%。