CN108841800B - 木质素过氧化物酶突变体及其在污水处理中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种灰略红链霉菌木质素过氧化物酶突变体,其氨基酸序列为SEQ ID NO.2,核苷酸序列为SEQ ID NO.1,可用于废水,特别是含偶氮类染料的印染废水处理。

Description

木质素过氧化物酶突变体及其在污水处理中的应用
技术领域
本发明涉及酶学领域和污水处理领域,具体地,本发明提供了一种灰略红链霉菌木质素过氧化物酶突变体及其在污水处理中的应用。
背景技术
木质素过氧化物酶(Lignin perxidase,LiP)是木质素的生物降解过程中的主要木质素降解酶类,可在木素聚合物内形成自由基,导致键稳定变差从而破坏木质素大分子。Kent和Ming等1983年首次从白腐真菌属的黄孢原毛平革菌(Phanerochaetechrysosporium)的限制性培养基中发现了LiP,认为其属于氧化还原酶,是真菌分泌的一种含铁血红素的糖基化细胞外蛋白过氧化物酶。后来陆续在彩绒草盖菌(Coridusversicolor)、变色栓菌(Thametes versicolor)、烟管菌(Bjerkandera adusta)、射脉菌(Phlebia radiata)、凤尾菇(Pleurotus pulmonanus)朱红密孔菌(Pycnoporuscinnabarinu)等微生物中发现了木质素过氧化物酶,这些酶分子量一般在30-50kD之间,最适pH为酸性。木质素过氧化物酶可应用于在畜牧业、化工废水处理、制药废水处理等方面。
印染污水富含多种染料(最常见的种类为偶氮类染料),有机物含量高,刺激性大,助剂多,目前常用的活性污泥法的处理效率不高。在印染行业集中的地区,如佛山、潮汕、东莞等迫切序列新的印染污水生物处理方法。利用底物适应性广泛的的过氧化物酶处理此类污水是解决为题的一种有效途径。目前常用的过氧化物酶种类有辣根过氧化物酶、锰过氧化物酶等,CN201410462409.5还从灰略红链霉菌中分离到了一种可用于污水处理的木质素过氧化物酶,这些木质素过氧化物酶普遍存在中性pH适应性差、高温活性和稳定性不足的问题,难以满足直接处理最常见的中性甚至偏碱性、中高温的印染污水的需求,而调整大量污水的pH或等待其冷却需要大量的时间、场地和费用。
发明简述
为克服上述问题,寻找更适合高温和高pH下使用的木质素过氧化物酶,申请人在合作单位CN201410462409.5号申请中克隆的灰略红链霉菌(Streptomyces griseorubens)木质素过氧化物酶基础上,通过定向分子进化获得了一个新的木质素过氧化物酶Lip-15(L140G、A205H),该酶最适pH向碱性方向偏移约1.5,而且在较广泛的碱性pH值中仍然能保持较高的活力,同时对高温的适应性也有所改善。该酶适合处理印染污水、特别适合处理富含甲基橙等偶氮类染料的污水。
一方面,本申请提供了一种灰略红链霉菌木质素过氧化物酶突变体,其具有改善的中性pH适应性。
进一步地,该突变体氨基酸序列为SEQ ID NO.2。
进一步地,该突变体核苷酸序列为SEQ ID NO.1。
另一方面,本申请提供了上述灰略红链霉菌木质素过氧化物酶突变体在处理污水中的应用。
进一步地,所述污水为印染污水。
进一步地,所述污水为富含偶氮类染料的印染污水。
另一方面,本申请提供了一种污水处理制剂,其包含上述灰略红链霉菌木质素过氧化物酶突变体。
附图简述
图1为SG-LIP、Lip-15酶活随pH的变化曲线图;
图2为SG-LIP、Lip-15酶活随pH的变化曲线图;
图3为SG-LIP、Lip-15三维结构计算机模拟图(A部分为野生型SG-LIP、B部分为本申请的突变体Lip-15)。
实施例
如无特殊说明,实施例中使用的试剂均为常规种类,国产与进口品牌无显著区别。
实施例1Lip-15的获得
易错PCR和突变酶文库构建
合成CN201410462409.5中SG-LIP核苷酸序列(CN201410462409.5中的SEQ IDNO.1),连接,转化至大肠杆菌。取单菌落质粒测序,确认质粒所含序列正确,作为模板。
以前一步骤获得的质粒为模板,使用Agilent的GeneMorph II randommutagenesis kit试剂盒进行三轮易错PCR。回收其中的PCR产物,连接于载体上。制备感受态细胞,转化至大肠杆菌,筛选阳性克隆,收集阳性克隆构成突变酶文库。
突变体筛选
接种阳性克隆到培养板上诱导培养120小时,取上清测定酶活性、中性和偏碱性pH下的酶活性,50摄氏度下的酶活性,三轮筛选中得到目的突变酶Lip-15,测序得知Lip-15中含有两个突变位点L140G、A205H。Lip-15的核苷酸序列为SEQ ID NO.1,氨基酸序列为SEQID NO.2。
实施例2SG-LIP、Lip-15在大肠杆菌中的表达纯化
将野生型SG-LIP、Lip-15的阳性克隆工程菌接于50ml烧瓶中的LB培养基中加入100uM的IPTG诱导培养24小时,离心获得粗酶液、再通过透析、浓缩、GST纯化试剂盒纯化获得纯化的野生型SG-LIP、Lip-15,SDS-PAGE均显示为基本单一条带,分子量约45kD。测序后确定其序列为SEQ ID NO.2。
实施例3SG-LIP、Lip-15的酶学性质
木质素过氧化物酶的酶活检测采用本领域中广泛接受的Tien和Kirk的测定方法(Tien M,Kirk T K.Lignin peroxidase of Phanerochaete chrysosporium.MethodsEnzymol,1988,161:238-249),一个酶活力单位定义为每分钟催化产生1umol藜芦醛所需要的酶量。
室温下,pH4.5时,实施例2中SG-LIP、Lip-15的工程菌粗酶液酶活分别为158.2U/L和147.5U/L,在未经专门优化的情况下,两者粗酶液酶活接近。
以丙二酸-丙二酸钠缓冲液配制3.0-7.0的缓冲体系(0.25M),按照上述方法检测SG-LIP、Lip-15粗酶液在不同pH下的酶活(三次重复),将SG-LIP、Lip-15粗酶液在pH 6.0的缓冲液中25摄氏度保温1、2、4小时后,测定两者的酶活(三次重复)。
不同pH下的酶活如图1所示,Lip-15的最适pH相比SG-LIP向碱性方向移动了1个pH单位以上,并且pH适应性,特别是对碱性pH范围的适应性明显更好,例如在6.0的pH下,Lip-15仍然能保持75%左右的活性,而SG-LIP仅有20%左右。
将SG-LIP、Lip-15粗酶液在pH 6.0的缓冲液中25摄氏度保温1、2、4小时后,以初始酶活为100%,SG-LIP的酶活为52.1%、30.5%、7.9%,而Lip-15为75.4%、55.8%、37.1%,如果考虑到两者初始酶活就有接近4倍的差距,两者的实际中性/弱酸性pH性能差距更大。
在pH 4.5下,在20-70摄氏度的范围内,按照上述方法检测SG-LIP、Lip-15粗酶液在不同温度下的酶活(三次重复),将SG-LIP、Lip-15粗酶液在50摄氏度的缓冲液中25摄氏度保温1、2小时后,测定两者的酶活(三次重复)。
不同温度下的酶活如图2所示,Lip-15的最适温度相比SG-LIP向高温方向移动了约5摄氏度,在50摄氏度以上的性能也均优于SG-LIP。
将SG-LIP、Lip-15粗酶液在50摄氏度的缓冲液中25摄氏度保温1、2小时后,以初始酶活为100%,SG-LIP的酶活为38.7%、5.6%,而Lip-15为50.0%、19.2%,证明了Lip-15在高温下的稳定性也优于SG-LIP。
实施例4染料降解实验
将刚果红、甲基橙、亚甲基蓝、溴酚蓝配制成200mg/L的母液;
以PBS缓冲液为SG-LIP、Lip-15配制4.0和5.0的最适反应体系;
30摄氏度下在10mL反应体系中降解上述染料2小时(染料20mg/L、藜芦醇10mM,双氧水0.1mM。加入粗酶液使得酶活为5U/ml);
使用酶标仪检测降解前后染料溶液吸光度(刚果红和甲基橙490nm、溴酚蓝630nm、亚甲基蓝405nm),计算脱色率,每个反应三次重复。
结果:
SG-LIP对刚果红、甲基橙、亚甲基蓝、溴酚蓝的脱色率分别为:
35.21%、28.38%、40.13%、39.77%
Lip-15对刚果红、甲基橙、亚甲基蓝、溴酚蓝的脱色率分别为:
62.35%、59.34%、52.77%、49.21%
考虑到SG-LIP、Lip-15在印染污水常见的中性甚至碱性pH下的酶活差异,实际生产中的染料降解效果差异会更大。
随后,申请人使用东莞某印染厂一批富含甲基橙的污水进行了初步处理实验,结果表明,仅使用Lip-15处理1小时(污水自身pH约为5.8不加调整,反应温度40摄氏度,藜芦醇10mM,双氧水0.1mM。加入粗酶液使得酶活为10U/ml)即可达到48.1%的脱色率,而同样的条件下,SG-LIP几乎没有脱色效果(脱色率小于5%)。
实施例5SG-LIP、Lip-15三维结构研究
为进一步探究Lip-1酶学性能改善的原因,申请人使用SWISS-MODEL(3模型)在线工具对SG-LIP、Lip-15的三维结构进行了初步计算机模拟(一组典型结果的示例见说明书附图3),其中有多组结果表明Lip-15的底物结合部分相比野生型SG-LIP似乎产生了凹陷,该凹陷带来的底物结合紧密度的提升可能是Lip-15pH和温度适应性提高的原因。
序列表
<120> 木质素过氧化物酶突变体及其在污水处理中的应用
<130> 4
<141> 2018-07-26
<160> 2
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 1278
<212> DNA
<213> Lip-15
<400> 1
atggctgacc cttccctgtc gcagactcgc atccccgagg aggacacccg gacggaaccc 60
accgccgccg gcatgtcgcg gcgacgcctg ctcggcacgg ccggcgccac cgggctggtg 120
ctcggggcgg ccggcggtgc cgtcgggtac gcggcggcgc cctccggagc cacccccctc 180
acctcggtcg gcgccacaaa agtgccgttt cacgtgaaac atcagccggg tatcaccgag 240
ccgctccagt cgcgcggcca tctcctcgcc ttcgaccttg cgcccggcgc cgggcgcagg 300
gaggcggccg cactgctgcg ccgctggtcc gacaccgccc gccggctgat ggccggggag 360
ttcgaggccg agggcgacag cgacattgcc cgtgacgccg gaccctcctc gctgaccggg 420
accttcggat tcgggcacag cttcttcgcg cgcaccgggc tggagcaaca gcgtccgact 480
gccctggacc cgttgcccgc cttctcctcc gaccgcctcg accgggcccg cagcgacgga 540
gacctgtggg tgcagatcgg cgccgacgat gcgctggtgg ccttccatgc cctgcgcgcg 600
gtgcagaagg accacggtgc ggcggcccgg gtgcgctggc agatgaacgg cttcaaccgc 660
tcgccgggcg ccaccgcccg cccgatgacc acccgcaatc tgatgggcca ggtcgacgga 720
acccgcaatc cgaagcccca ggaacccgac ttcgacgagc ggatcttcgt tccggagcag 780
ggcgagcccg cctggatggc gaacggctcc tacgtggtcg tccgccggat ccggatgctg 840
ctggacgact gggagaggct gtcgctcagg gagcaggagg gcgtcatcgg gcggcgcaag 900
gcggacggcg ccccgctctc cggcggtgac gagaagaccg acatggacct ggagaagacc 960
gacgcccggg gcaatctggt cgtccccatc aacgcgcacg cgcggatcac ccggcccgac 1020
cagaacggtg gggccgcgat gttgcgccgg ccgttctcct accacgacgg catcgacgcg 1080
gacgggactc cggacgcggg cctgctgttc gtctgctggc aggccgatcc cctgcgcggc 1140
ttcgtgccgg tgcagcgcaa gctcgaccgg ggcgacgcgc tgacgccgtt cgtccgtcac 1200
gagacgagcg ggctgttcgc ggtcccgggc ggggcggcgg agggcgagta tgtgggtcag 1260
gcgctgctgg aggggtga 1278
<210> 2
<211> 425
<212> PRT
<213> Lip-15
<400> 2
Met Ala Asp Pro Ser Leu Ser Gln Thr Arg Ile Pro Glu Glu Asp Thr
1 5 10 15
Arg Thr Glu Pro Thr Ala Ala Gly Met Ser Arg Arg Arg Leu Leu Gly
20 25 30
Thr Ala Gly Ala Thr Gly Leu Val Leu Gly Ala Ala Gly Gly Ala Val
35 40 45
Gly Tyr Ala Ala Ala Pro Ser Gly Ala Thr Pro Leu Thr Ser Val Gly
50 55 60
Ala Thr Lys Val Pro Phe His Val Lys His Gln Pro Gly Ile Thr Glu
65 70 75 80
Pro Leu Gln Ser Arg Gly His Leu Leu Ala Phe Asp Leu Ala Pro Gly
85 90 95
Ala Gly Arg Arg Glu Ala Ala Ala Leu Leu Arg Arg Trp Ser Asp Thr
100 105 110
Ala Arg Arg Leu Met Ala Gly Glu Phe Glu Ala Glu Gly Asp Ser Asp
115 120 125
Ile Ala Arg Asp Ala Gly Pro Ser Ser Leu Thr Gly Thr Phe Gly Phe
130 135 140
Gly His Ser Phe Phe Ala Arg Thr Gly Leu Glu Gln Gln Arg Pro Thr
145 150 155 160
Ala Leu Asp Pro Leu Pro Ala Phe Ser Ser Asp Arg Leu Asp Arg Ala
165 170 175
Arg Ser Asp Gly Asp Leu Trp Val Gln Ile Gly Ala Asp Asp Ala Leu
180 185 190
Val Ala Phe His Ala Leu Arg Ala Val Gln Lys Asp His Gly Ala Ala
195 200 205
Ala Arg Val Arg Trp Gln Met Asn Gly Phe Asn Arg Ser Pro Gly Ala
210 215 220
Thr Ala Arg Pro Met Thr Thr Arg Asn Leu Met Gly Gln Val Asp Gly
225 230 235 240
Thr Arg Asn Pro Lys Pro Gln Glu Pro Asp Phe Asp Glu Arg Ile Phe
245 250 255
Val Pro Glu Gln Gly Glu Pro Ala Trp Met Ala Asn Gly Ser Tyr Val
260 265 270
Val Val Arg Arg Ile Arg Met Leu Leu Asp Asp Trp Glu Arg Leu Ser
275 280 285
Leu Arg Glu Gln Glu Gly Val Ile Gly Arg Arg Lys Ala Asp Gly Ala
290 295 300
Pro Leu Ser Gly Gly Asp Glu Lys Thr Asp Met Asp Leu Glu Lys Thr
305 310 315 320
Asp Ala Arg Gly Asn Leu Val Val Pro Ile Asn Ala His Ala Arg Ile
325 330 335
Thr Arg Pro Asp Gln Asn Gly Gly Ala Ala Met Leu Arg Arg Pro Phe
340 345 350
Ser Tyr His Asp Gly Ile Asp Ala Asp Gly Thr Pro Asp Ala Gly Leu
355 360 365
Leu Phe Val Cys Trp Gln Ala Asp Pro Leu Arg Gly Phe Val Pro Val
370 375 380
Gln Arg Lys Leu Asp Arg Gly Asp Ala Leu Thr Pro Phe Val Arg His
385 390 395 400
Glu Thr Ser Gly Leu Phe Ala Val Pro Gly Gly Ala Ala Glu Gly Glu
405 410 415
Tyr Val Gly Gln Ala Leu Leu Glu Gly
420 425

Claims (2)

1.一种灰略红链霉菌木质素过氧化物酶突变体,其氨基酸序列为SEQ ID NO.2。
2.权利要求1所述的灰略红链霉菌木质素过氧化物酶突变体在处理污水中的应用,其中所述污水为富含偶氮类染料的印染污水。
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