CN113897295B - 石油污染土壤中苯并[a]芘降解真菌及其菌剂和应用 - Google Patents

石油污染土壤中苯并[a]芘降解真菌及其菌剂和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了石油污染土壤中苯并[a]芘降解真菌及其菌剂和应用。本发明从杭州某石油污染土壤中驯化和分离得到一株以苯并[a]芘为唯一碳源的降解菌株GIG‑3。将菌株GIG‑3在苯并[a]芘初始浓度为50mg·L‑1的无机盐培养液中培养7天后发现,该菌的纯菌对苯并[a]芘的降解率为50%,将其制成菌剂后,其降解率明显增加至79.2%。因此可见,菌株Scedosporium aurantiacum GIG‑3及其菌剂对苯并[a]芘具有较强的修复效果,它们在石油污染,尤其是高分子量多环芳烃的生物修复方面将具有较好的应用潜力。

Description

石油污染土壤中苯并[a]芘降解真菌及其菌剂和应用
技术领域:
本发明属于有机污染物降解领域,具体涉及石油污染土壤中苯并[a]芘降解真菌及其菌剂和应用。
背景技术:
多环芳烃(PAHs)是环境中普遍存在的一类污染物,主要存在于原油中,可随石油的开采、运输和提炼等过程对周围环境造成污染。同时,工矿业、农业等人为活动以及土壤环境背景值高等因素也会导致环境中的PAHs严重超标。PAHs因其具有环境持久性、生物累积性、长距离迁移能力和高生物毒性等特点,已对全球环境和人类健康造成了极大的威胁,因此,PAHs的污染与修复引起了人们的广泛关注。据报道,PAHs分为低分子量多环芳烃(LMW-PAHs)和高分子量多环芳烃(HMW-PAHs)。相对于LMW-PAHs来说,HMW-PAHs由于具有低水溶性、高共振能、毒性更大等特点,更难从污染土壤中去除。例如,HMW-PAHs的典型代表——苯并[a]芘,分布广泛,性质稳定,致癌性极强。它在我国表层土壤中的含量最高可达3.6ppm,远超过我国《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》及《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》中关于农用和建筑用地一类标准(0.55ppm)及建筑用地二类标准(1.5ppm)。2020年,苯并[a]芘还被列为我国“优先控制化学品”。由此可见,苯并[a]芘的污染问题备受关注,苯并[a]芘的有效修复也成为一项亟待解决的问题。
土壤中苯并[a]芘的修复方法有很多,相对于传统的物理、化学等修复手段来说,生物修复技术因其具有成本低、效果好、无二次污染等优点,已成为被广泛认可的具有绿色、可持续、潜力大等优势的修复技术。目前,已报道的苯并[a]芘降解真菌菌株较少,主要包括Trichoderma,Fusarium,Penicillium和Aspergillus等。由于环境中的大部分微生物都是不可培养的,很多微生物尤其是具有特定功能的微生物都不能通过纯培养的方式分离获得。此外,PAHs的生物可降解性随苯环数和苯环密集程度的增加而降低,尤其是四环以上的PAHs常以共代谢的方式进行降解。因此,筛选出能以苯并[a]芘为唯一碳源,且能够有效降解高浓度苯并[a]芘的降解菌株具有重要的应用价值和现实意义。本研究采用50mg·L-1的苯并[a]芘作为菌株降解底物,以期为多环芳烃生物处理提供数据支持。
发明内容:
本发明的第一个目的是提供一种具有苯并[a]芘降解能力的Scedosporiumaurantiacum GIG-3,其于2021年7月12日保藏于广东省微生物菌种保藏中心(GDMCC),地址:广东省广州市先烈中路100号大院59号楼5楼,邮编:510070,保藏编号为:GDMCC No:61801。
本研究报道菌株为Scedosporium aurantiacum GIG-3,目前关于该菌对污染物的降解研究较少,国内外也暂未有其对苯并[a]芘降解的相关报道。本研究从杭州某石油污染场地中驯化和分离得到1株以高浓度苯并[a]芘作为碳源的菌株GIG-3,并对其进行菌种鉴定,生长特性研究。此外,将其制成菌剂,以探究GIG-3菌剂对苯并[a]芘的降解特性,为石油污染土壤中高分子量PAHs的生物修复提供参考。
本发明的第二个目的是提供Scedosporium aurantiacum GIG-3在降解苯并[a]芘中的应用。
优选,所述的降解苯并[a]芘是降解石油污染土壤中的苯并[a]芘。
优选是将Scedosporium aurantiacum GIG-3应用在苯并[a]芘污染的环境中对苯并[a]芘进行降解。
本发明的第三个目的是提供一种苯并[a]芘降解菌剂,其包含Scedosporiumaurantiacum GIG-3作为活性成分。
优选,所述的苯并[a]芘降解菌剂的制备方法为:
a.将玉米与水按质量比1:5比例加热制成糊状后,按质量比例150:100:10:1加入木屑,麦麸和木质素磺酸钠,挼搓成团,将团状培养基质混合物放入搓丸机中制得球状培养基质,灭菌烘干备用;
b.将Scedosporium aurantiacum GIG-3制成菌液。
c.将菌液按质量比1:10的比例加入到质量分数3%的海藻酸钠溶液中,将球状培养基质与此溶液充分混合,完成后加入质量浓度为4%的无菌氯化钙溶液,硬化处理,得到丸状的包封真菌;
d.将包封后的真菌小丸装入无菌培养袋内,于28℃培养箱内,培养3-7天,待表面长满白色菌丝后即为苯并[a]芘降解菌剂。
优选,所述的步骤b的菌液是菌丝含量10g/L的菌液。
本发明的第四个目的是提供一种降解苯并[a]芘的方法,将所述的Scedosporiumaurantiacum GIG-3洒于含有苯并[a]芘的环境中,对苯并[a]芘进行降解。
优选,是将Scedosporium aurantiacum GIG-3洒于苯并[a]芘污染的环境中对苯并[a]芘进行降解。
优选,是将Scedosporium aurantiacum GIG-3洒于石油污染土壤中对苯并[a]芘进行降解。
本发明从杭州某石油污染土壤中驯化和分离得到一株以苯并[a]芘为唯一碳源的降解菌株GIG-3。本研究通过对该菌的菌株形态、生理特征、ITS基因测序以及系统发育分析等方面进行分析,确定该菌株为Scedosporium aurantiacum GIG-3,生长最佳环境条件为:28℃,pH为5.0,不添加氯化钠。该菌株的ITS基因测序分析结果显示,菌株GIG-3的基因序列与菌株Scedosporium aurantiacum PWQ23具有99%的相似性。将菌株GIG-3在苯并[a]芘初始浓度为50mg·L-1的无机盐培养液中培养7天后发现,该菌的纯菌对苯并[a]芘的降解率为50%,将其制成菌剂后,其降解率明显增加至79.2%。因此可见,菌株Scedosporiumaurantiacum GIG-3及其菌剂对苯并[a]芘具有较强的修复效果,它们在石油污染,尤其是高分子量多环芳烃的生物修复方面将具有较好的应用潜力。
Scedosporium aurantiacum GIG-3,其于2021年7月12日保藏于广东省微生物菌种保藏中心(GDMCC),地址:广东省广州市先烈中路100号大院59号楼5楼,邮编:510070,保藏编号为:GDMCC No:61801。
附图说明:
图1是菌株GIG-3在PDB培养基上生长72小时的正面和反面。
图2是菌株GIG-3和其相关菌的基于ITS基因序列的系统发生关系,构建方法为邻接法,自展值设定重复1000次,图中仅展示了自展值大于50%的结果,比例尺0.01代表每个核苷酸的替换率。
图3是菌株GIG-3在不同温度、pH和耐盐度条件下生长。
图4是菌株GIG-3和GIG-3菌剂(GIG-3-agent)在含苯并[a]芘的无机盐培养基中的降解效率(初始浓度50mg·L-1)。
具体实施方式:
以下实施例是对本发明的进一步说明,而不是对本发明的限制。
实施例1:Scedosporium aurantiacum GIG-3的分离和鉴定
1、材料与方法
1.1样品来源
供试土壤采自杭州某石油污染场地表层土壤,以高浓度苯并[a]芘为碳源对其进行长期驯化,通过多次筛选和分离纯化得到高效苯并[a]芘降解真菌。
1.2培养基
1.2.1无机盐培养基
土壤微生物的富集培养以及纯菌条件下苯并[a]芘的降解实验,均采用无机盐培养基培养,其配方如表1。其配制方法是将各成分加入到溶剂水中,混合均匀,灭菌制得。
表1无机盐培养基配方
Figure BDA0003235640260000051
1.2.2营养培养基
营养培养基用于真菌的分离、纯化、保藏、活化等常规微生物的培养。本实验所用的液体营养培养基种类及成分见表2。若实验需要配制固体培养基,仅需在原有培养基配方的基础上增添质量分数1.5-2%的琼脂粉。若菌株的培养条件无特别说明,培养基pH均调节至6。其配制方法是将各成分加入到溶剂水中,混合均匀,灭菌制得。
表2 Potato-Dextrose broth培养基(PDB)成分
Figure BDA0003235640260000061
1.3菌株的驯化、筛选和分离
将样品土壤加至无机盐培养基中,并加入硫酸链霉素和青霉素(浓度为100ug·mL-1)以抑制细菌生长。之后加入50mg·L-1的苯并[a]芘作为降解底物,于28℃培养箱中避光震荡培养。利用以苯并[a]芘为碳源的无机盐培养基进行菌株驯化,7d为一个驯化周期。取10%的接种量转接到具有相同培养体系的新鲜的含50mg·L-1的苯并[a]芘的无机盐培养基中,并重复上述富集过程三次。
将获得的第四代富集培养样品在营养培养基上以稀释平板法涂布分离。涂布好的样品于原培养温度条件下培养48小时左右时,培养基表面形成了明显的单菌落。根据菌落的形态大小、颜色、菌丝等特征,挑取不同的若干单菌落于营养培养基平板上划线纯化及培养。经划线纯化的平板上,若仍有不同特征的单菌落,则将其再次划线分离,直至同一平板上只能观察到相同特征的单菌落为止。
本实验筛选得到1株对苯并[a]芘有高效降解性能的菌株GIG-3。将其单菌落挑取到相应固体试管营养培养基中培养,将培养后的菌液加至无菌液体石蜡中封存,并放置于4℃长期保存。
A、形态特征
如图1所示,GIG-3是一株从杭州石油污染土壤中分离出的真菌,经活化以后,在PDB平板上,于28℃有氧的条件下,培养72h后,可形成直径为4-8mm,灰白色至淡棕色,边缘不规则的类圆形,灰色绒毛状菌丝向上生长的菌落,背面呈红棕色,可分泌漆酶。该菌为专性好氧菌。
B、分子生物学特征
分子生物学特性鉴定主要包括测序及系统发育树的构建。在进行测序和构建系统发育树之前,需先用真菌基因组DNA快速提取试剂盒(生工生物工程(上海)股份有限公司)提取真菌DNA。为了对真菌的分类学进行研究,通常需要扩增ITS基因以及构建系统发育树,扩增的基因为真核中编码rRNA所组成部分中的一段DNA,因其具有高度的保守性、特异性和较合适的序列长度,通常被用于检测和鉴定真菌。
聚合酶链式反应(PCR)主要是用来扩增不同的基因片段,PCR需要不同的引物(ITS1:5'-TCCGTAGGTGAACCTGCGG-3';ITS4:5′-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3′),PCR扩增反应的体系:10×buffer 2.5μl,Mg2+(25mmol/l)1.5μl,dNTP(25mmol/l)0.3μl,正向引物(10mmol/l)0.5μl,反向引物(10mmol/l)0.5μl,Taq酶0.25μl,DNA组模板0.1μl,去离子水19.35μl。PCR扩增反应条件:95℃预变性3min;95℃变性45s,56℃退火30s,72℃延伸45s,循环30次;72℃延伸10min;反应结束后于4℃条件下保存。扩增所需基因后,将核酸染色剂GelRed加至0.75-1%的琼脂糖中,配制成凝胶块,在凝胶块中加入PCR产物和包含各种长度片段的DNA标记物(maker),之后将其放置于装有TBE(Tris硼酸)缓冲液的电泳仪内,并在一定电压下使其工作20min。电泳结束后,将凝胶块取出,并放置于300nm的紫外灯下进行观察,以确定PCR产物扩增反应是否成功。之后,将扩增成功的PCR产物送往华大基因科技有限公司测序,测序引物与扩增引物相同。
将测序所得的真菌ITS基因序列上传到NCBI上,此网站会将提交的序列与已被公认的典型菌株的ITS基因序列进行比对,得到序列间的相似度信息。根据序列比对的结果分析即可选取相应的典型菌株作为本实验分离菌株的模式菌,同时还可以获得模式菌的ITS基因序列,构建系统发育分析以证明模式菌与实验分离菌株具有差异,从而鉴定分离的菌株。系统发育树的构建主要通过MEGA 5.05程序,采用邻接法构建,自展值常设定为重复1000次计算。
通过PCR和基因测序得到一个长为583bp ITS基因序列。通过ITS基因比对发现,该菌株与Scedosporium aurantiacum strain PWQ23的基因相似度为99%。由以上结果可得出本实验所分离的真菌GIG-3为Scedosporium aurantiacum这个种。
利用GIG-3的ITS基因序列和与其相似度较高的ITS基因序列制作系统发育树,从而获得GIG-3的ITS基因和其相似性较高的ITS基因之间的同源性结果。采用邻位相接法构建的系统发育树如图2所示。目前,在环境领域内关于该菌株的应用报道较少。因此,高效苯并[a]芘降解菌的获得对PAHs污染水土的处理和深度修复,尤其是苯并[a]芘污染的治理,具有重要的理论指导和实际应用意义。
由以上结果可得出本实验所分离的真菌GIG-3为Scedosporium aurantiacumGIG-3这个种。命名为Scedosporium aurantiacum GIG-3,于2021年7月12日保藏于广东省微生物菌种保藏中心(GDMCC),地址:广东省广州市先烈中路100号大院59号楼5楼,邮编:510070,保藏编号为:GDMCC No:61801。
实施例2:Scedosporium aurantiacum GIG-3的生长条件
A、生长温度的测定:
配置菌株生长所需的液体营养培养基(实施例1的PDB培养基),配好后拿到灭菌锅进行灭菌。将活化好的菌种Scedosporium aurantiacum GIG-3 0.1ml接入到10ml PDB培养基中(实验组),用不接种真菌的PDB培养基作为对照(对照组),将培养基放入不同温度下培养7天,对照组和每个温度对应的实验组均有三个重复,每天都需观察真菌的生长情况,7天后将培养基倒入称重的离心管后5000转离心30min,倒掉上清液后,放入60度烘箱烘至恒重,称重计算真菌菌丝干重。测试温度如下:18℃、23℃、28℃、33℃和38℃。
B、生长pH的测定:
配置菌株生长所需的液体营养培养基(实施例1的PDB培养基),用如下缓冲体系调节培养液的pH,pH 4.0-5.0,0.1mol/l柠檬酸钠和0.1mol/l柠檬酸;pH 6.0–8.0,0.1mol/lNaOH和0.1mol/l KH2PO4;pH 9.0,0.1mol/l NaHCO3和0.1mol/l Na2CO3。将活化好的菌种Scedosporium aurantiacum GIG-3 0.1ml接入到10ml不同pH值的PDB培养基中(实验组),每个pH做三个重复,用不接种真菌的培养基作为对照,将培养基放入新菌生长最适温度下培养7d,每天都需观察真菌的生长情况,7天后将培养基倒入称重的离心管后5000转离心30min,倒掉上清液后,放入60度烘箱烘至恒重,称重计算真菌菌丝干重。测试的pH如下:4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0。
C、盐浓度耐受:配置菌株生长所需的液体营养培养基(实施例1的PDB培养基),调节培养基的盐浓度。将活化好的菌种Scedosporium aurantiacum GIG-3 0.1ml接入到10ml不同盐浓度的PDB培养基中(实验组),每个盐浓度做三个重复,用不接菌的培养基作为对照,将培养基放置在新菌生长最适温度下培养7d,7天后将培养基倒入称重的离心管后5000转离心30min,倒掉上清液后,放入60度烘箱烘至恒重,称重计算真菌菌丝干重最好得到新菌所能耐受的盐浓度范围。测试盐浓度如下:质量分数0%、2%、4%、6%、8%、10%。
如图3所示,在营养培养基中,GIG-3能够在18-38℃的温度条件下生长,最适生长温度为28℃;该菌能够在4.0-9.0的pH条件下生长,最适生长pH为5.0;该菌的盐耐受能力较好,能在盐浓度为0%到8%的条件下生长,且在无盐条件下长势最好。
实施例3:苯并[a]芘降解实验
一、菌剂的制备
1.将玉米与水按质量比1:5比例加热制成糊状后,按质量比例150:100:10:1加入木屑(过200目筛),麦麸和木质素磺酸钠,挼搓成团。将团状培养基质混合物放入搓丸机中制得直径为8mm的球状培养基质,灭菌烘干备用。
2.将培养好的GIG-3真菌制成菌丝含量为10g/L的菌液。
3.将菌液按质量比1:10的比例加入到质量分数3%的海藻酸钠溶液中,将上述球状培养基质与此溶液充分混合,完成后加入质量浓度为4%的无菌氯化钙溶液,硬化处理20min,得到丸状的包封真菌。
4.将包封后的真菌小丸装入无菌培养袋内,于28℃培养箱内,培养3-7天,待表面长满白色菌丝后即为GIG-3菌剂。
二、将活化培养7天后的菌株GIG-3或GIG-3菌剂按10%的接种量分别接种于含有初始为50mg·L-1的苯并[a]芘的无机盐培养基(实施例1,去掉NaCl,pH 5.0)中,温度28℃避光振荡培养7d,并做平行实验3次。不添加纯菌Scedosporium aurantiacum GIG-3和GIG-3菌剂的处理为对照处理。
取各处理样品用于化学分析,具体步骤如下:
(1)样品预处理:将各培养样品加入二氯甲烷萃取,同时添加5μL浓度为200mg/L的苝-d12作为回收率指示剂,充分震荡后,转移至分液漏斗中。静置分层后,收集有机相,把下层液体放回摇瓶中,再用等体积二氯甲烷重复萃取,合并萃取液,并将其转移至含有适量已活化铜片的平底烧瓶中,旋转蒸发浓缩至2mL左右,加入少量正己烷(约5mL),再次旋转蒸发至2mL左右,重复洗三次,以达到将有机溶剂置换为正己烷的目的。置换后的浓缩液用玻璃填充柱(直径约为9mm)净化。柱填料自下而上为3cm 3%去活化中性氧化铝,3cm3%去活化硅胶和1cm的无水硫酸钠。用适量正己烷活化柱子,用15mL正己烷/二氯甲烷(体积比为1:1)混合试剂淋洗填充柱,并用棕色试剂瓶收集洗脱液约15mL,氮吹使其浓缩至约0.5mL,最后转移至1.5mL细胞瓶中,冷冻保存。上机测定前,加入5μL,浓度为200mg/L的六甲基苯作为内标物。
(2)仪器分析:采用安捷伦7890气相色谱仪-5975质谱仪联用测定各处理样品中PAHs含量。色谱柱为安捷伦DB 5-MS毛细管色谱柱(柱长30m,内径0.25mm,膜厚度0.25μm)。所得数据用安捷伦色谱工作站处理分析,苯并[a]芘定量的分析用6点校正曲线和内标法进行。微生物细胞浓度的测定采用烘干称重法。
根据GC-MS的测定结果可知,菌株GIG-3及其菌剂均能够降解苯并[a]芘(图4),且在含有50mg/L的苯并[a]芘的无机盐培养液中,培养7天后,降解率均可达到50%以上。其中,GIG-3纯菌的降解率为50.0%,菌剂对苯并[a]芘的降解率为79.21%,同比增加29.2%,由此可见,菌株GIG-3是一种能够降解苯并[a]芘的强效菌,且在制成菌剂后,对苯并[a]芘的降解效果可得到显著强化。
结论:
1、从杭州石油污染土壤中富集分离获得1株能以苯并[a]芘为碳源生长的苯并[a]芘降解菌GIG-3,并将其制成固体菌剂。
2、该菌株为专性好氧菌,可形成4-8mm,灰白色至淡棕色,边缘不规则的类圆形,灰色绒毛状菌丝向上生长的菌落,背面呈红棕色,可分泌漆酶。根据分子生物学手段分析,可得出本实验所分离的真菌GIG-3为Scedosporium aurantiacum菌株,并绘制了其进化树。目前针对该菌株应用的报道很少,且尚未有关于利用该菌降解苯并[a]芘的研究报道。
3、菌株的最佳生长条件为确定菌株的最佳生长条件为温度28℃,pH 5.0,不添加NaCl。GIG-3能够以苯并[a]芘作为唯一碳源,并对其进行降解。在苯并[a]芘初始浓度在50mg·L-1的无机盐培养液中,培养7天后,其降解率可达50%。在将其制成固体菌剂后,其降解效果可提高至79.21%。综上,GIG-3是一种能够降解苯并[a]芘的菌株,对多环芳烃适应性强,并且用其制成的菌剂具有更好的降解效果,在生物修复苯并[a]芘方面也将具有较好的应用潜力。
序列表
<110> 中国科学院广州地球化学研究所
<120> 石油污染土壤中苯并[a]芘降解真菌及其菌剂和应用
<160> 1
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 583
<212> DNA
<213> Scedosporium aurantiacum GIG-3
<400> 1
acctgcggag ggatcattac agagttacta ctccaaaccc attgtgaacc ttacctatgt 60
tctgttgcct cggcggcgcg gtcagcgtcc ccacggacga cggcccccgc cggcagcacc 120
aaactcttga attttacagc ggattacagt tctgatttga aacaaaaaaa caagttaaaa 180
ctttcaacaa cggatctctt ggttctggca tcgatgaaga acgcagcgaa atgcgataag 240
taatgtgaat tgcagaattc agtgaatcat cgaatctttg aacgcacatt gcgcccggca 300
gtaatctgcc gggcatgcct gtccgagcgt catttcaacc ctcgaacctc cgtttcctca 360
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cgcattgggt cccggcggag gcctgccgtc aaaccactat aactccagat ggtttgacct 540
cggatcaggt agggttaccc gctgaactta agcatatcaa taa 583

Claims (10)

1.桔黄赛多孢(Scedosporium aurantiacum)GIG-3,保藏编号为:GDMCC No:61801。
2.权利要求1所述的桔黄赛多孢GIG-3在降解苯并[a]芘中的应用。
3.根据权利要求2所述的应用,其特征在于,所述的降解苯并[a]芘是降解石油污染土壤中的苯并[a]芘。
4.根据权利要求2所述的应用,其特征在于,是将桔黄赛多孢GIG-3应用在苯并[a]芘污染的环境中对苯并[a]芘进行降解。
5.一种苯并[a]芘降解菌剂,其特征在于,包含权利要求1所述的桔黄赛多孢GIG-3作为活性成分。
6.根据权利要求5所述的苯并[a]芘降解菌剂,其特征在于,所述的苯并[a]芘降解菌剂的制备方法为:
a.将玉米与水按质量比1:5比例加热制成糊状后,按质量比例150:100:10:1加入木屑,麦麸和木质素磺酸钠,挼搓成团,将团状培养基质混合物放入搓丸机中制得球状培养基质,灭菌烘干备用;
b.将桔黄赛多孢GIG-3制成菌液;
c.将菌液按质量比1:10的比例加入到质量分数3%的海藻酸钠溶液中,将球状培养基质与此溶液充分混合,完成后加入质量浓度为4 %的无菌氯化钙溶液,硬化处理,得到丸状的包封真菌;
d.将包封后的真菌小丸装入无菌培养袋内,于28℃培养箱内,培养3-7天,待表面长满白色菌丝后即为苯并[a]芘降解菌剂。
7. 根据权利要求6所述的苯并[a]芘降解菌剂,其特征在于,所述的b中的菌液是菌丝含量10 g/L的菌液。
8.一种降解苯并[a]芘的方法,其特征在于,将权利要求1所述的桔黄赛多孢GIG-3洒于含有苯并[a]芘的环境中,对苯并[a]芘进行降解。
9.根据权利要求8所述的降解苯并[a]芘的方法,其特征在于,是将桔黄赛多孢GIG-3洒于苯并[a]芘污染的环境中对苯并[a]芘进行降解。
10.根据权利要求8所述的降解苯并[a]芘的方法,其特征在于,是将桔黄赛多孢GIG-3洒于石油污染土壤中对苯并[a]芘进行降解。
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