CN110257280B - 一种能够降解磷酸三苯酯的鞘氨醇单胞菌及其驯化方法与应用 - Google Patents

一种能够降解磷酸三苯酯的鞘氨醇单胞菌及其驯化方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种能够降解磷酸三苯酯的鞘氨醇单胞菌及其驯化方法与应用。所述鞘氨醇单胞菌于2019年4月19日保藏于广东省微生物菌种保藏中心,编号为GDMCC No:60633。该菌的驯化方法为:采用梯度浓度法,来驯化磷酸三苯酯降解菌,经过分离纯化,得到所述鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas sp.GY‑1)。该菌对磷酸三苯酯的降解效果较好,使用该菌处理污染水体,成本较低。本发明提供的Sphingomonas sp.GY‑1,5 d后对磷酸三苯酯的降解率能够达到98.77%,实际应用价值高,可为解决水体有机磷阻燃剂污染治理问题提供参考。

Description

一种能够降解磷酸三苯酯的鞘氨醇单胞菌及其驯化方法与 应用
技术领域
本发明属于环境有机污染物生物处理技术领域,具体涉及一种能降解磷酸三苯酯的鞘氨醇单胞菌及其驯化方法与应用。
背景技术
有机磷酸酯阻燃剂(organophosphorus flame retardant,OPFRs)是一类新型阻燃剂,因其腐蚀性低、易代谢和阻燃效率高等特点成为多溴联苯醚、多氯联苯等传统阻燃剂的替代品。如今,全球阻燃剂市场需求以每年5%的增速増加,中国等发展中国家对OPFRs的需求日益增长。
磷酸三苯酯(TPHP)是OPFRs具有代表性的一类阻燃剂,被广泛应用于不饱和聚酯树脂、聚氯乙烯、热塑性塑料、浇铸树脂和商业混合物等。TPHP大多以物理添加而非化学键合的形式加入到这些材料,所以很容易从材料中释放出来进入环境。目前在多种水体环境如地表水、地下水、污水处理厂出水和自来水中被检测到,且呈现较高的污染水平。有研究表明TPHP对生命体具有神经毒性和免疫毒性等多种毒性效应,会改变性激素平衡以及中断繁殖性能,因此安全高效的去除OPFRs是一个亟待解决的问题。
目前关于OPFRs降解的研究还不全面,主要的OPFRs去除方法包括光催化降解、微生物降解等方式。其中光催化降解方法因其较高的运行成本、实施条件较严苛等诸多问题,不能成为污染治理的首选技术。微生物法降解有机污染物具有环境友好性和低成本性,因而可成为最安全、经济、有效的水体有机污染修复途径之一。但是OPFRs微生物法降解在实际应用过程中往往效率不高,因此OPFRs高效降解菌的筛选及应用具有一定的研究意义。
发明内容
为了克服现有技术存在的上述不足,本发明的目的是提供一种能够降解磷酸三苯酯的鞘氨醇单胞菌及其驯化方法与应用。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
本发明提供一种采用鞘氨醇单胞菌降解磷酸三苯酯的方法,是通过鞘氨醇单胞菌实现对磷酸三苯酯的快速高效降解,能够为其污染治理和生物修复提供技术支持。
本发明提供的一种能够降解磷酸三苯酯的鞘氨醇单胞菌,命名为Sphingomonassp.GY-1,于2019年4月19日保藏于广东省微生物菌种保藏中心,保藏编号为GDMCC No:60633。
本发明提供的一种驯化所述能够降解磷酸三苯酯的鞘氨醇单胞菌的方法,包括如下步骤:
(1)将磷酸三苯酯污染土壤接种到无机盐培养基中,摇床振荡培养,静置,取上清液得到原始菌液;
(2)收集步骤(1)所述原始菌液,然后接种于初始磷酸三苯酯降解培养基中,摇床振荡培养,得到一次培养菌液;
(3)将步骤(2)所述一次培养菌液接种至二次磷酸三苯酯降解培养基中,摇床振荡培养,得到二次培养菌液,以此类推,重复此步骤,得到n次培养菌液;
(4)将步骤(3)所述n次培养菌液接种至加强磷酸三苯酯降解培养基中,摇床振荡培养,得到一次加强菌液;
(5)将步骤(4)所述一次加强菌液接种至二次加强磷酸三苯酯降解培养基中,摇床振荡培养,得到二次加强菌液,以此类推,重复此步骤,得到m次加强菌液;
(6)将步骤(5)所述m次加强菌液分离纯化,得到单一菌株,所述能够降解磷酸三苯酯的鞘氨醇单胞菌。
进一步地,步骤(1)所述磷酸三苯酯污染土壤为广东贵屿镇(经度116°20'30.304”纬度23°19'50.746”)电子垃圾污染土壤;所述磷酸三苯酯污染土壤的磷酸三苯酯的含量为4260-1710000ng/g;所述静置的时间为1-2h。
进一步地,所述摇床振荡培养的速率均为120-180rpm,所述摇床振荡培养的温度均为20-40摄氏度;其中,摇床振荡培养时间,除了步骤(1)所述摇床振荡培养时间为2-4h,其余步骤中的摇床振荡培养时间均为3-7d。
进一步地,步骤(1)所述无机盐培养基,以体积为一升计,每升无机盐培养基包含:0.8-1.2g NH4NO3、1.2-1.8g KH2PO4、2-4g K2HPO4、1.5-2.5mL微量元素溶液及1000mL蒸馏水;所述无机盐培养基的pH值为6.5-7.5;步骤(2)所述初始磷酸三苯酯降解培养基,以体积为一升计,每升磷酸三苯酯降解培养基包含:0.8-1.2g NH4NO3、1.2-1.8g KH2PO4、2-4gK2HPO4、0.5-2mg磷酸三苯酯、1.5-2.5mL微量元素溶液及1000mL蒸馏水;所述初始磷酸三苯酯降解培养基的pH值为6.5-7.5。
进一步地,所述微量元素溶液为微量元素化合物加入水中混合均匀得到的溶液;所述微量元素化合物包括MgSO4、ZnSO4、CuSO4、MnSO4、FeSO4·7H2O及CaCl2;在所述微量元素溶液中,MgSO4的浓度为3-5g/L,ZnSO4的浓度为3-5g/L,CuSO4的浓度为0.5-1.5g/L,MnSO4的浓度为0.5-1.5g/L,FeSO4·7H2O的浓度为0.5-1.5g/L及CaCl2的浓度为0.5-1.5g/L。
进一步地,步骤(3)所述二次磷酸三苯酯降解培养基是在步骤(2)所述初始磷酸三苯酯降解培养基的基础上,将磷酸三苯酯的浓度增加至1.5-3mg/L,其他成分均不变,每转接一次菌种,培养基中的磷酸三苯酯的浓度增加1mg/L;最后一次转接的培养基中,磷酸三苯酯的浓度为5-7mg/L;步骤(3)所述n的取值为4-6。
进一步地,步骤(4)所述加强磷酸三苯酯降解培养基是在步骤(2)所述初始磷酸三苯酯降解培养基的基础上,将磷酸三苯酯的浓度增加至10mg/L,其他成分均不变,每转接一次菌种,加强磷酸三苯酯降解培养基中的磷酸三苯酯的浓度增加5mg/L;最后一次转接的加强磷酸三苯酯降解培养基中,磷酸三苯酯的浓度为20-25mg/L,步骤(5)所述m的取值为3-4。
进一步地,步骤(6)所述分离纯化的方式包括稀释梯度法及平板涂布法。
本发明提供的能够降解磷酸三苯酯的鞘氨醇单胞菌可以应用在去除OPFRs中(有机磷阻燃剂污染水体生物修复领域)。
进一步地,所述能够降解磷酸三苯酯的鞘氨醇单胞菌应用在去除OPFRs的方法,包括如下步骤:
(1)将鞘氨醇单胞菌Sphingomonas sp.GY-1接种到已灭菌的富集培养基中,摇床振荡培养(温度为20-40℃,时间为16-32h,转速为120-180rpm),得到富集培养的菌液;
(2)收集步骤(1)培养的菌液,然后接种于磷酸三苯酯的污染物(含OPFRs污染物的水体或土壤)中,摇床振荡培养;
(3)摇床振荡培养处理结束后,测定磷酸三苯酯的污染物(含OPFRs污染物的水体或土壤)中的磷酸三苯酯含量(气相色谱质谱法),分析鞘氨醇单胞菌对磷酸三苯酯的降解效果。
进一步地,步骤(1)所述富集培养基,以体积为一升来计,每升富集培养基包含:3-4g牛肉膏、9-12g蛋白胨、4-6g NaCl以及1000mL蒸馏水;所述富集培养基的pH值为6.5-7.5。
进一步地,本发明所述收集培养的菌种包括:将富集培养的菌液离心取沉淀,用无菌生理水洗涤沉淀,然后加入生理盐水将沉淀重悬为菌悬液。
进一步地,本发明所述接种的接种量为1-2g/L。
优选地,步骤(2)所述磷酸三苯酯降解培养基,以体积为一升计,每升磷酸三苯酯降解培养基包含:0.8-1.2g NH4NO3、1.2-1.8g KH2PO4、2-4g K2HPO4、0.5-2mg磷酸三苯酯、1.5-2.5mL微量元素溶液及1000mL蒸馏水;所述磷酸三苯酯降解培养基的pH值为6.5-7.5;步骤(2)所述磷酸三苯酯降解培养基也可以是其他含OPFRs污染物的水体。
本发明所述微量元素溶液为微量元素化合物加入水中混合均匀得到的溶液;所述微量元素化合物包括MgSO4、ZnSO4、CuSO4、MnSO4、FeSO4·7H2O及CaCl2;在所述微量元素溶液中,MgSO4的浓度为3-5g/L,ZnSO4的浓度为3-5g/L,CuSO4的浓度为0.5-1.5g/L,MnSO4的浓度为0.5-1.5g/L,FeSO4·7H2O的浓度为0.5-1.5g/L及CaCl2的浓度为0.5-1.5g/L。
进一步地,步骤(2)所述摇床振荡培养的温度为20-40℃,摇床振荡培养的转速为120-180rpm,摇床振荡培养的时间为16-32h。
进一步地,步骤(3)所述测定磷酸三苯酯含量的方式包括采用气相色谱质谱联用仪测定。
所述鞘氨醇单胞菌Sphingomonas sp.GY-1可以从广东省微生物菌种保藏中心获取,保藏号为GDMCC No:60633。
此菌株的驯化采用梯度增加污染物的方法,在无机盐培养基中加入磷酸三苯酯,配置磷酸三苯酯的浓度梯度优选为1、2、3、5、10、15、20mg/L的驯化培养基,采用梯度增加污染物浓度的驯化方法进行驯化。
所述无机盐培养基,按体积为一升来计,每升无机盐培养基包括:0.8-1.2g/LNH4NO3,1.2-1.8g/L KH2PO4,2-4g/L K2HPO4,1.5-2.5mL/L微量元素溶液,1000mL蒸馏水,pH为7.0±0.2。
所述微量元素溶液为微量元素化合物加入水中混合均匀得到的溶液;其中微量元素溶液中各物质的浓度为:MgSO4 3-5g/L,ZnSO43-5g/L,CuSO4 0.5-1.5g/L,MnSO4 0.5-1.5g/L,FeSO4·7H2O 0.5-1.5g/L及CaCl2 0.5-1.5g/L。
本发明提供的能够降解磷酸三苯酯的鞘氨醇单胞菌为革兰氏阴性菌,观察外部形态,菌落小,呈圆形,其表面光滑,边缘整齐,呈现黄色,易被挑起。
利用本发明提供的能够降解磷酸三苯酯的鞘氨醇单胞菌来降解磷酸三苯酯污染物,磷酸三苯酯的降解率最高可达到98.77%。
与现有技术相比,本发明具有如下优点和有益效果:
(1)本发明提供的能够降解磷酸三苯酯的鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas sp.GY-1),该菌对有机磷阻燃剂降解效果较好,使用该菌处理污染水体,成本较低。
(2)本发明提供的能够降解磷酸三苯酯的鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas sp.GY-1),对磷酸三苯酯的降解率能够达到98.77%。
附图说明
图1为磷酸三苯酯标准样品的GC-MS图;
图2为不同时间内本发明提供的鞘氨醇单胞菌对磷酸三苯酯的降解曲线图。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明,但本发明的实施和保护不限于此。需指出的是,以下若有未特别详细说明之过程,均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,视为可以通过市售购买得到的常规产品。
实施例1
1、降解菌株的驯化筛选
(1)将磷酸三苯酯污染土壤(取自广东贵屿镇的电子垃圾污染土壤,其中,磷酸三苯酯含量为4260-1710000ng/g)加入到20mL无机盐培养基中(已灭菌),于温度为30℃、转速为160rpm的恒温摇床中培养4h,然后取出,静置分层,得到上清液。每升无机盐培养基包括:1g/L NH4NO3,1.5g/L KH2PO4,3g/LK2HPO4,2mL/L微量元素溶液,1000mL蒸馏水,pH为7.0。微量元素溶液为微量元素化合物加入水中混合均匀得到溶液,其中在微量元素溶液中,各物质的浓度为:4g/L MgSO4,4g/LZnSO4,1g/L CuSO4,1g/L MnSO4,1g/LFeSO4·7H2O,1g/LCaCl2;下同。
(2)取1mL上清液到初始磷酸三苯酯降解培养基中,于温度为30℃、转速为160rpm恒温摇床中培养5天,得到一次培养菌液。每升初始磷酸三苯酯降解培养基包括:1gNH4NO3,1.5g KH2PO4,3g K2HPO4,1mg磷酸三苯酯,2mL微量元素溶液,1000mL蒸馏水,pH为6.5-7.5。
(3)将步骤(2)所述一次培养菌液接种至二次磷酸三苯酯降解培养基中,所述二次磷酸三苯酯降解培养基是在步骤(2)所述初始磷酸三苯酯降解培养基的基础上,将磷酸三苯酯的浓度增加1mg/L,其余成分均不变,摇床振荡培养(温度为30℃、转速为160rpm,时间为5天),得到二次培养菌液,以此类推,重复此步骤,得到五次培养菌液(每5天转接1次,每次转接的同时提高1mg/L磷酸三苯酯的含量;在第4次转接时将磷酸三苯酯的含量提高至5mg/L,培育5天后,得到五次培养菌液);
(3)将步骤(2)所述五次培养菌液加入加强磷酸三苯酯降解培养基中,加强磷酸三苯酯降解培养基是在步骤(2)所述初始磷酸三苯酯降解培养基的基础上,将磷酸三苯酯的浓度增加至10mg/L,其他成分均不变,摇床振荡培养(温度为30℃、转速为160rpm,时间为5天),以此类推,重复此步骤,得到三次加强菌液(每5天转接一次,每次转接的同时提高5mg/L磷酸三苯酯的含量;在第三次转接时磷酸三苯酯的浓度达到20mg/L,培育5天后,得到三次加强菌液)。
(4)将步骤(3)所述三次加强菌液,采用稀释梯度法、平板涂布法对菌株进行分离纯化,挑选生长较快、形态不同的菌落,确保是纯的单一菌株后,将其接种到固体斜面培养基上,于4℃保存于冰箱中,待后续进行降解实验。固体斜面培养基包括:3.5g/L牛肉膏,10g/L蛋白胨,5g/L NaCl,琼脂23g/L,蒸馏水1000mL,pH为7.0。
2、降解菌株的鉴定
(1)菌体及菌落形态特征
该菌株为革兰氏阴性菌,菌落小,呈圆形,其表面光滑,边缘整齐,呈现黄色,易被挑起。
(2)16S rDNA序列
通过16S rDNA序列测定和分析比较,该序列与Sphingopyxis的16S rDNA序列的同源达到99.9%,该菌株确定为鞘氨醇单胞菌,其16S rDNA序列如序列表1所示,将该菌命名为Sphingomonas sp.GY-1,其16S rDNA序列(共1398bp)已提交到genebank,登录号为MK359093。
实施例2鞘氨醇单胞菌对磷酸三苯酯的降解分析(效果验证)
(1)将鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas sp.GY-1)接种到装有已灭菌的200mL富集培养基的500mL三角瓶中,置于恒温摇床内,温度为30℃、转速为160rpm,培养24h,得到富集培养的菌液;每升富集培养基包括:3g/L牛肉膏,10g/L蛋白胨,5g/L NaCl,蒸馏水1000mL,pH为7.0。
(2)将富集培养的菌液(20mL)置于50mL灭菌离心管中,以6000g的转速离心5min后,收集菌体并用无菌生理盐水反复洗涤并离心3次,最后加入生理盐水配置成一定浓度(OD600=0.6)的菌悬液,将1mL配置好的菌悬液加入到含有19mL的灭菌后的降解培养基(磷酸三苯酯降解培养基)中进行降解实验,放入培养箱中培养,温度为30℃、转速为160rpm,培养5d后,样品(培养后的降解培养基)经过GC-MS测定(气相色谱质谱联用仪测定),分析菌体对磷酸三苯酯的降解效果。每升降解培养基包括:1.0gNH4NO3,1.5g KH2PO4,3g K2HPO4,1mg磷酸三苯酯,2mL微量元素溶液,1000mL蒸馏水,pH为6.5-7.5。微量元素溶液为微量元素化合物加入水中混合均匀得到溶液,其中在微量元素溶液中,各物质的浓度为:4g/L MgSO4,4g/LZnSO4,1g/L CuSO4,1g/L MnSO4,1g/L FeSO4·7H2O,1g/L CaCl2;下同。
实施例2为了更好测得本发明提供的鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas sp.GY-1)对磷酸三苯酯的降解相关参数,采用含磷酸三苯酯的培养基(即所述降解培养基)模拟含磷酸三苯酯的污染物。
磷酸三苯酯的浓度采用GC-MS进行测定,分析条件如下:
(1)气相色谱条件
色谱柱:Rxi-5MS;
进样口温度:280℃;
升温程度:初温50℃,以15℃/min升至200℃,保持1min;再以4℃/min升至250℃,保持2min;
载气:高纯氦,纯度大于99.999%;
恒流控制:1mL/min;
模式:不分流进样;
进样量:1mL。
(2)质谱条件
离子源:EI源;
温度:200℃;
接口温度:280℃;
溶剂延迟时间:3min;
扫描质量范围:50-450m/z;
特征离子:326。
配置磷酸三苯酯浓度为0.1、0.5、1、2、5mg/L的标准溶液,绘制磷酸三苯酯浓度-峰面积标准曲线,磷酸三苯酯标准样品的GC-MS图如图1所示。以接种灭活的鞘氨醇单胞菌为对照组(对照组除了接种的菌种被灭活以外,其余操作及参数均与实验组相同),培养5d后,测得对照组的降解培养基中的磷酸三苯酯浓度为0.929mg/L,而上述测试得到实验组的降解培养基中的磷酸三苯酯浓度为0.0123mg/L,通过对照组和实验组(实施例2提供的方法)的比较可以得到,实验组降解效率为98.77%
Figure BDA0002081226350000111
Figure BDA0002081226350000112
结果如图2所示。
实施例3
实施例3同实施例2,只是富集培养过程中,富集培养基pH为6.5,而培养条件为:温度为20℃,摇床转速为120rpm,培养时间为16h。最终测得鞘氨醇单胞菌对磷酸三苯酯的降解率为92.7%。
实施例4
实施例4同实施例2,只是富集培养过程中,富集培养基pH为7.5,而培养条件为:温度为40℃,摇床转速为180rpm,培养时间为32h。最终鞘氨醇单胞菌对磷酸三苯酯的降解率为95.6%。
实施例5
实施例5同实施例2,只是降解实验中,降解培养基中磷酸三苯酯浓度为0.5mg/L,降解培养基pH为6.5,培养条件为:温度为20℃,摇床转速为120rpm,培养时间为3d。最终鞘氨醇单胞菌对磷酸三苯酯的降解率为88.7%。
实施例6
实施例6同实施例2,只是降解实验中,降解培养基中磷酸三苯酯浓度为2mg/L,降解培养基pH为7.5,培养条件为:温度为40℃,摇床转速为180rpm,培养时间为7d。最终鞘氨醇单胞菌对磷酸三苯酯的降解率为87.8%。
以上实施例仅为本发明较优的实施方式,仅用于解释本发明,而非限制本发明,本领域技术人员在未脱离本发明精神实质下所作的改变、替换、修饰等均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种能够降解磷酸三苯酯的鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas sp.)GY-1,其特征在于,于2019年4月19日保藏于广东省微生物菌种保藏中心,保藏编号为GDMCC No:60633。
2.权利要求1所述的能够降解磷酸三苯酯的鞘氨醇单胞菌在去除磷酸三苯酯中的应用。
3.根据权利要求2所述的应用,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas sp.)GY-1接种到已灭菌的富集培养基中,摇床振荡培养,得到富集培养的菌液;
(2)收集步骤(1)所述富集培养的菌液,然后接种于含磷酸三苯酯的污染物中,摇床振荡培养;
(3)步骤(2)摇床振荡培养处理结束后,测定含磷酸三苯酯的污染物中的磷酸三苯酯含量,分析鞘氨醇单胞菌对磷酸三苯酯的降解效果。
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