CN113956984B - 一种高效磺胺类抗生素降解菌及其菌丝球的应用 - Google Patents

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Abstract

一种高效磺胺类抗生素降解菌及其菌丝球的应用,本发明属于环境微生物领域,它为了解决磺胺类抗生素生物去除法中功能菌流失、磺胺类抗生素对功能微生物的抑制作用强和降解效率低等问题。本发明高效磺胺类抗生素降解菌为白囊耙齿菌(Irpex lacteus),保藏于中国普通微生物菌种保藏管理中心,保藏地址是北京市朝阳区北辰西路1号院3号,保藏日期是2021年7月7号,保藏编号为CGMCC No.22457。本发明将高效磺胺类抗生素降解菌的菌丝球用于磺胺类抗生素的降解。白囊耙齿菌菌丝球在水体中能够利用磺胺二甲基嘧啶作为唯一碳源和能源进行生长代谢和繁殖,无需额外添加碳源,短时间内可达到较高去除效率。

Description

一种高效磺胺类抗生素降解菌及其菌丝球的应用
技术领域
本发明属于环境微生物领域,具体涉及一种高效磺胺类抗生素降解菌及其菌丝球的应用。
背景技术
抗生素作为抑菌或杀菌类药物被广泛应用于医疗、畜禽及水产养殖等多个领域,由于其结构复杂和抑菌特征,常规水处理方法难以解决,造成水体中抗生素残留,抗生素水污染已经成为威胁人类,动植物的关键环境问题。
磺胺类抗生素(SAs)是氨基苯磺酰胺的衍生物,因其对大多数革兰氏阳性和许多革兰氏阴性微生物的广泛拮抗作用得到广泛应用。磺胺类抗生素结构复杂、不容易被代谢分解,约有30%~90%的磺胺类抗生素会以本体、结合物或氧化水解产物的形式随着动物的排泄物排到体外,使得磺胺类抗生素在人类和动植物生活环境中广泛存在,具有持久性和累积效应,阻碍植物叶绿素的合成,影响根系生长,对生物有较大的生态毒理效应,并且会诱导抗性基因的产生,出现“超级细菌”,造成微生物种群结构失衡,对生态环境及人类健康造成极大的危害,如何解决环境体系中抗生素残留已经成为近年来研究的热点。
目前水体中残留磺胺类抗生素去除方法主要有物理法(吸附法、膜技术)、化学法(氯化法、高级氧化技术)和生物法。其中物理和化学方法成本高、操作复杂、有毒副产物多,难以推广使用。生物法操作简单、经济实用、适用范围广、绿色无二次污染等优点使其在实际应用中有很大优势,但因为抗生素对微生物的抑制作用,功能菌流失和降解效率低等问题受到限制。
白腐真菌是一类能够利用木质素进行生长繁殖的真菌种类的集合,因其可以附着在木材上生长并使木材腐烂呈现白色腐朽而得名。白腐真菌能够产生并分泌胞外氧化酶系统,这些胞外酶通过生成自由基对有机物进行氧化分解,具有非特异性和广谱的底物范围。胞外酶与辅助酶、介质和有机酸的组合使得白腐真菌在异生质降解方面具有巨大潜力。
发明内容
本发明的目的是为了解决磺胺类抗生素生物去除法中功能菌流失、磺胺类抗生素对功能微生物的抑制作用强和去除效率低等问题,而提供一株高效磺胺类抗生素降解菌及其菌丝球的应用。
本发明高效磺胺类抗生素降解菌为白囊耙齿菌(Irpex lacteus)HITECO-CYQ,保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心,保藏地址是北京市朝阳区北辰西路1号院3号,保藏日期是2021年7月7号,保藏编号为CGMCC No.22457。
本发明高效磺胺类抗生素降解菌的应用是将白囊耙齿菌(Irpex lacteus)HITECO-CYQ 的菌丝球用于磺胺类抗生素的降解。
本发明高效磺胺类抗生素降解菌用于磺胺类抗生素的降解是向含有磺胺类抗生素的溶液中接种白囊耙齿菌的菌丝球。
本发明筛选得到的高效磺胺类抗生素降解菌HITECO-CYQ经ITS鉴定为白囊耙齿菌(Irpex lacteus),属于非褶菌目、多孔菌科、耙齿菌属,为白腐真菌的一种。该菌菌丝结构发达,在固体培养基上生长可形成乳白色棉絮状菌落,菌丝存在简单分隔和锁状联合,没有产孢结构,生长快速,易于培养,PDA固体培养基中央接种约0.5×0.5cm菌落片段于30℃下培养3天菌落直径可达8~9cm,能产生并分泌非特异性胞外氧化酶系统(主要有锰过氧化物酶、木质素过氧化物酶、漆酶和通用过氧化物酶),在异生质降解方面拥有巨大潜力,本发明所述的磺胺类抗生素降解菌对高浓度磺胺二甲基嘧啶耐受性良好,10mg/L磺胺二甲基嘧啶胁迫下能以较快速度生长,20mg/L磺胺二甲基嘧啶胁迫下仍能缓慢生长,且能够以磺胺二甲基嘧啶为唯一碳源进行生长代谢、繁殖。
本发明高效磺胺类抗生素降解菌菌丝球的菌丝片段接种培养方法按照以下步骤实现:
一、菌丝扩培:在PDA固体培养基上采用中央点种的方法,在30℃下培养3~4d得到满板白囊耙齿菌菌丝;
二、菌丝片段悬液制备:将无菌水倾倒在满板(铺满平板)的白囊耙齿菌菌丝上,沿菌落生长方向用接种环刮取菌丝(注意不要弄破培养基且保证刮取的菌丝团尽量小),将菌丝团和无菌水倒入装有磨砂玻璃珠的锥形瓶中,封口膜密封后以4℃、200rpm震荡24h 进行菌丝破碎和均质化,得到菌丝片段悬液;
三、菌丝球培养:用移液枪吸取菌丝片段悬液注入菌丝球液体培养基中,以30℃、140 rpm培养,生长的菌丝以菌丝片段为核心自缠绕得到乳白色球形或椭球型、表面粗糙多孔的高效磺胺类抗生素降解菌的菌丝球。
本发明培养方法是在无菌环境下进行的。
本发明一种高效磺胺类抗生素降解菌及其菌丝球的应用包括以下有益效果:
本发明中的白囊耙齿菌是从实验林的枯枝落叶上经过大规模分离筛选获得的一株具有较高活力,对磺胺类抗生素具有较强耐受能力,培养方法简单,生长速度快,能产生多种非专一性胞外氧化酶的功能菌株;通过菌丝片段接种培养法能快速制备得到自固定菌丝体—白囊耙齿菌菌丝球,相对其他菌丝球制备方法操作更加简便、成球时间大大缩短,菌丝球表面粗糙多孔,吸附能力强,易于固液分离,功能微生物不易流失。
本发明中的白囊耙齿菌对磺胺类抗生素降解效果较好,短时间内可达到较高去除效率。白囊耙齿菌菌丝球在水体中能够利用磺胺二甲基嘧啶作为唯一碳源和能源进行生长代谢和繁殖,无需额外添加碳源,磺胺二甲基嘧啶初始浓度为10mg/L时,12h去除率可达89.43%,降解速度快,效率高。本发明白囊耙齿菌菌丝球是单一丝状菌的自固定生物材料,以自身菌丝碎片为核心,通过自身菌丝缠绕和胞外聚合物的自粘附实现自固定化,与固态菌剂相比无需额外添加固定载体,单一菌丝缠绕形成的球形菌丝体即可实现磺胺类抗生素的处理,便于固液分离和生物材料的回收利用,从而降低成本,也减少额外添加的固定材料对水质的影响。
本发明提供的高效磺胺类抗生素降解菌及其菌丝球的应用成功解决了磺胺类抗生素生物去除法中功能菌流失、磺胺类抗生素对功能微生物的抑制作用强和降解效率低的问题,具有工业化应用前景,对磺胺类抗生素污染水体的有效修复和生态环境的保护具有重要价值。
附图说明
图1为本发明菌株HITECO-CYQ系统发育树;
图2为实施例得到的白囊耙齿菌生长曲线(Logistic拟合)图;
图3为实施例中不同浓度磺胺二甲基嘧啶(SM2)条件下白囊耙齿菌生长曲线图,其中■代表0mg/L SM2,●代表1mg/L SM2,▲代表5mg/L SM2,▼代表10mg/L SM2,◆代表20mg/L SM2;
图4为实施例中白囊耙齿菌菌丝球照片;
图5a为实施例中白囊耙齿菌菌丝球放大30倍的扫描电镜图;
图5b为实施例中白囊耙齿菌菌丝球放大1000倍的扫描电镜图;
图6为实施例中白囊耙齿菌菌丝球傅里叶红外光谱图;
图7a为实施例中不同温度下反应12h磺胺二甲基嘧啶剩余浓度柱状图;
图7b为实施例中不同转速下反应12h磺胺二甲基嘧啶剩余浓度柱状图;
图7c为实施例中不同pH下反应12h磺胺二甲基嘧啶剩余浓度柱状图;
图7d为实施例中不同葡萄糖添加量下反应12h磺胺二甲基嘧啶剩余浓度柱状图;
图8为不同初始浓度条件下磺胺二甲基嘧啶剩余浓度随时间变化测试图,其中■代表 1mg/L SM2,●代表5mg/L SM2,▲代表10mg/L SM2,▼代表15mg/L SM2,◆代表20mg/LSM2。
具体实施方式
具体实施方式一:本实施方式高效磺胺类抗生素降解菌HITECO-CYQ为白囊耙齿菌(Irpex lacteus),保藏于中国普通微生物菌种保藏管理中心,保藏地址是北京市朝阳区北辰西路1号院3号,保藏日期是2021年7月7号,保藏编号为CGMCC No.22457。
本实施方式高效磺胺类抗生素降解菌能在一定剪切力条件下自固定成球,制备简便快速,无需额外固定,可直接产业化利用;所述菌丝球对磺胺二甲基嘧啶的去除主要依靠生物降解作用,吸附作用可忽略不计;所述菌丝球在水体中能利用磺胺二甲基嘧啶作为唯一碳源和能源进行生长代谢和繁殖,无需额外添加简单碳源,节约成本;菌丝球在短时间内能达到较高的磺胺二甲基嘧啶降解效率,固液分离简单,功能微生物易于保留,能有效解决水体中磺胺类抗生素残留问题。
具体实施方式二:本实施方式高效磺胺类抗生素降解菌菌丝球的菌丝片段接种培养方法按照以下步骤实现:
一、菌丝扩培:在PDA固体培养基上采用中央点种的方法,在30℃下培养得到满板白囊耙齿菌菌丝;
二、菌丝片段悬液制备:将无菌水倾倒在满板(铺满平板)的白囊耙齿菌菌丝上,沿菌落生长方向用接种环刮取菌丝(注意不要弄破培养基且保证刮取的菌丝团尽量小),将菌丝团和无菌水倒入装有磨砂玻璃珠的锥形瓶中,封口膜密封后以4℃、200rpm震荡24h 进行菌丝破碎和均质化,得到菌丝片段悬液;
三、菌丝球培养:用移液枪吸取菌丝片段悬液注入菌丝球液体培养基中,以30℃、140 rpm培养,大量生长的菌丝以菌丝片段为核心自缠绕得到高效磺胺类抗生素降解菌的菌丝球。
本实施方式所述白囊耙齿菌菌丝球大小不均,直径多为2~5mm,形状多为球体或椭球体,表面粗糙,拥有狭缝孔隙结构,具有酰胺、烷烃、羧基、羟基和磷酸基团。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式二不同的是步骤一中在30℃下培养时间为3~4d。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式二或三不同的是步骤一中PDA固体培养基中包括:葡萄糖(C6H12O6)10g/L,MgSO4·7H2O 1g/L,马铃薯粉2g/L,KH2PO4 1g/L, pH为4~6。
具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式二或三不同的是步骤三中培养时间为 24-30h。
具体实施方式六:本实施方式高效磺胺类抗生素降解菌的应用是将白囊耙齿菌(Irpex lacteus)HITECO-CYQ的菌丝球用于磺胺类抗生素的降解。
具体实施方式七:本实施方式与具体实施方式六不同的是向含有磺胺类抗生素的溶液中接种白囊耙齿菌的菌丝球。
具体实施方式八:本实施方式与具体实施方式六不同的是所述的磺胺类抗生素为磺胺二甲基嘧啶。
实施例1:本实施例高效磺胺类抗生素降解菌HITECO-CYQ为白囊耙齿菌(Irpexlacteus),保藏于中国普通微生物菌种保藏管理中心,保藏编号为CGMCC No.22457。该白囊耙齿菌是从实验林的枯枝落叶上经过大规模分离筛选获得的一株具有较高活力,生长速度快,对磺胺类抗生素具有较强耐受能力的功能菌株。
1.ITS鉴定
采用ITS鉴定方法对筛选得到的磺胺类抗生素耐受菌HITECO-CYQ进行菌种鉴定,利用Ezup柱式真菌基因组DNA抽提试剂盒(SK8259)对菌株的DNA进行提取,然后对其ITS序列片段进行PCR扩增。真菌通用引物为ITS1:5'-TCCGTAGGTGAACCTGCGG-3', ITS4:5'-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3'。PCR反应体系见表1,PCR扩增程序见表2。
表1 PCR反应体系
表2 PCR扩增程序
PCR扩增结束后产物经1%琼脂糖凝胶电泳(150V,100mA,20min)观察,在573bp处有明显特征条带。将样品菌送至上海生工生物工程股份有限公司进行ITS测序。
将DNA测序结果登录GenBank Blast进行在线比对,并用MEGA7软件构建系统发育树(见图1)。本发明菌株HITECO-CYQ与Irpex lacteus KA17-0562和Irpex lacteus ZJLD002 的同源性最高,达到100%,最终鉴定为白囊耙齿菌Irpex lacteus。
2.生长曲线的测定
(1)制备PDA固体培养基:葡萄糖20g/L,KH2PO4 3g/L,氯霉素0.2g/L,马铃薯粉10g/L,MgSO4·7H2O 1.5g/L,琼脂20g/L,自然pH,115℃高压灭菌30min。
(2)于无菌环境中,分别在3个直径为9cm的无菌玻璃培养皿中加入20ml灭菌未冷却的PDA固体培养基,冷却凝固后用接种环挑取约0.5×0.5cm2白囊耙齿菌菌落片段点种在平板中央,30℃倒置培养,每24h用十字交叉法(每个菌落直径最大值与最小值的平均值)测定菌落直径,绘制菌落直径随时间变化曲线,并运用IBM SPSS(Statistics 24)进行Logistic拟合分析(见图2),本发明白囊耙齿菌生长符合Logistic生长模型,具有较高活力,生长速度较快,3-4d即可长满整个平板。
3.对磺胺二甲基嘧啶的耐受性
(1)1000(100)mg/L磺胺二甲基嘧啶溶液的配制:准确称取磺胺二甲基嘧啶粉末0.100 (0.010)g,逐滴加入0.1M HCl溶液直至粉末全部溶解,倒入100mL容量瓶中用超纯水定容,于无菌环境中用一次性尼龙有机系无菌滤膜(0.22μm)过滤除菌,于4℃避光保存,可储备3个月。
(2)不同磺胺二甲基嘧啶浓度培养基的制备:分别取20、19.8、19.9、19.8、19.7、19.6ml PDA固体培养基(未凝固)分装到50ml锥形瓶中,115℃高压蒸汽灭菌30min。于无菌环境下待培养基温度降至50℃时,分别用移液枪吸取0、0.2(100mg/L)、0.1、0.2、 0.3、0.4ml 1000mg/L的磺胺二甲基嘧啶溶液一一对应注入上述培养基中,混合均匀后倒平板,即可得到含有0、1、5、10、15、20mg/L磺胺二甲基嘧啶的无菌PDA固体培养基。
(3)挑取约0.5×0.5cm2白囊耙齿菌菌落片段在上述培养基中央点种,30℃避光培养 12d,每天测定并记录不同浓度磺胺二甲基嘧啶胁迫下菌落直径随时间变化(见图3)。随磺胺二甲基嘧啶浓度升高,白囊耙齿菌受到抑制,生长速度减慢,10mg/L磺胺二甲基嘧啶胁迫下该白囊耙齿菌仍能较快生长,20mg/L胁迫下尽管生长速度变慢,但仍可正常生长,所以该白囊耙齿菌具有较高磺胺二甲基嘧啶耐受性。自然水体、污水厂和养殖水体中磺胺类抗生素以ng/L~mg/L水平存在,20mg/L已达到较高残留浓度水平,白囊耙齿菌在此浓度下仍能正常生长,证实该白囊耙齿菌对实际水体中残留磺胺二甲基嘧啶的去除拥有潜在应用前景。
实施例2:本实施例高效磺胺类抗生素降解菌菌丝球的菌丝片段接种培养方法按照以下步骤实现:
(1)菌丝扩培:配制PDA固体培养基,115℃高压蒸汽灭菌30min,于超净工作台中倒平板,挑取白囊耙齿菌菌丝点种到平板中央,30℃倒置培养3~4d,获得满板菌丝。
(2)菌丝片段悬液制备:于无菌环境下取20ml无菌水倾倒在满板白囊耙齿菌菌丝上,延菌落生长方向用接种环缓慢刮取菌丝(注意不要弄破培养基且保证刮取的菌丝团尽量小),将刮下的菌丝团和无菌水倒入装有20个直径6mm磨砂玻璃珠的250ml锥形瓶中,封口膜密封后于4℃、200rpm震荡24h进行菌丝破碎和均质化,得到菌丝片段悬液;
(3)菌丝球的培养:制备菌丝球液体培养基,115℃高压蒸汽灭菌30min,冷却至室温后,于超净工作台中用5ml移液枪吸取菌丝片段悬液接种,30℃、140rpm培养24-30h,得到白囊耙齿菌菌丝球;菌丝球液体培养基配方为:葡萄糖10g/L,KH2PO4 1g/L,马铃薯粉2g/L,MgSO4·7H2O 1g/L,pH为6。
菌丝片段接种培养法制备的白囊耙齿菌菌丝球及其扫描电镜图见图4和图5,乳白色圆形或椭圆形小球,直径多为1~5mm,成球时间较短,表面粗糙多孔,比表面积大,吸附作用强。FTIR红外光谱图见附图6,白囊耙齿菌菌丝球含酰胺、烷烃、羧基、羟基和磷酸基团。
表3白囊耙齿菌菌丝球表面性质
表4白囊耙齿菌菌丝球元素分析
实施例3
本实施例应用白囊耙齿菌菌丝球对水体中磺胺二甲基嘧啶的高效降解。
1.降解条件优化
取49.5mL培养液置于100mL锥形瓶中,115℃灭菌30min,冷却后加入0.5mL 1000mg/L无菌磺胺二甲基嘧啶溶液,得到50mL含10mg/L磺胺二甲基嘧啶的反应液,接种湿重0.5g菌丝球(无菌滤纸吸干表面水分且菌丝球不变形),设置不同培养温度(10、20、 30、37℃),不同转速(120、140、160、180rpm),不同初始pH(3、4、5、6、7、8)和不同葡萄糖添加量(0、1、5、10、15、20g/L),反应12h取样UPLC(Acquity UPLC,Waters) 测定磺胺二甲基嘧啶剩余浓度,不同条件下12h菌丝球对磺胺二甲基嘧啶的去除率见图 7a-7d。综合去除效率、实际环境和经济因素,白囊耙齿菌菌丝球对磺胺二甲基嘧啶的最佳处理条件:30℃、160rpm、pH值为5、葡萄糖添加量为0。
培养液:MgSO4·7H2O 1g/L,酒石酸铵0.2g/L,KH2PO4 2g/L,微量元素液100mL/L,pH为5。微量元素液:Na2MoO4·2H2O 0.01g/L,NaCl 1.0g/L,ZnSO4·7H2O 0.1g/L,CaCl20.1g/L,CuSO4·5H2O 0.01g/L,CoCl2·6H2O 0.18g/L,MnSO4·H2O 0.5g/L,AlK(SO4)2·12H2O 0.01g/L,H3BO3 0.01g/L,FeSO4·7H2O 0.1g/L,NTA 1.5g/L。
2.所述菌丝球对不同浓度磺胺二甲基嘧啶的去除效果
依次取49.5、49.75、49.5、49.25、49mL培养液置于100ml锥形瓶中,115℃高压灭菌30min。冷却至室温后用移液枪依次加入0.5、0.25、0.5、0.75、1mL 1000mg/L的无菌磺胺二甲基嘧啶溶液,混匀得到含1mg/L、5mg/L、10mg/L、15mg/L、20mg/L磺胺二甲基嘧啶的反应液,分别接种湿重0.3g白囊耙齿菌菌丝球(无菌滤纸吸干表面水分且菌丝球不变形),30℃,160rpm进行降解,每2h取样UPLC(Acquity UPLC,Waters)测定磺胺二甲基嘧啶剩余浓度(见图8)。随反应时间磺胺二甲基嘧啶去除率变化见表5。1~20mg/L初始浓度磺胺二甲基嘧啶在反应12h后,去除率分别达到98.10%、91.14%、89.43%、58.61%、 47.57%,去除速度较快,降解效果较好,本发明提供的白囊耙齿菌菌丝球对水体中磺胺二甲基嘧啶的去除有良好应用前景。
表5不同初始浓度条件下不同反应时间的磺胺二甲基嘧啶去除率
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tccgtaggtg aacctgcgg 19
<210> 3
<211>20
<212> DNA
<213>人工序列
<220>
<223>PCR引物ITS4核苷酸序列。
<400> 3
tcctccgctt attgatatgc 20

Claims (7)

1.高效磺胺类抗生素降解菌,其特征在于该高效磺胺类抗生素降解菌为白囊耙齿菌(Irpex lacteus) HITECO-CYQ,保藏于中国普通微生物菌种保藏管理中心,保藏地址是北京市朝阳区北辰西路1号院3号,保藏日期是2021年7月7号,保藏编号为CGMCC No.22457;所述的磺胺类抗生素为磺胺二甲基嘧啶。
2.如权利要求1所述的高效磺胺类抗生素降解菌的菌丝球的应用,其特征在于将白囊耙齿菌(Irpex lacteus) HITECO-CYQ的菌丝球用于磺胺类抗生素的降解,所述的磺胺类抗生素为磺胺二甲基嘧啶。
3.根据权利要求2所述的高效磺胺类抗生素降解菌的菌丝球的应用,其特征在于向含有磺胺二甲基嘧啶的溶液中接种白囊耙齿菌的菌丝球。
4.根据权利要求3所述的高效磺胺类抗生素降解菌的菌丝球的应用,其特征在于白囊耙齿菌的菌丝球培养方法按照以下步骤实现:
一、菌丝扩培:在PDA固体培养基上采用中央点种的方法,在30℃下培养3~4 d得到满板白囊耙齿菌菌丝;
二、菌丝片段悬液制备:将无菌水倾倒在满板的白囊耙齿菌菌丝上,沿菌落生长方向用接种环刮取菌丝,将菌丝团和无菌水倒入装有磨砂玻璃珠的锥形瓶中,封口膜密封后以4℃、200 rpm震荡24 h进行菌丝破碎和均质化,得到菌丝片段悬液;
三、菌丝球培养:用移液枪吸取菌丝片段悬液注入菌丝球液体培养基中,以30℃、140rpm培养,生长的菌丝以菌丝片段为核心自缠绕得到白囊耙齿菌的菌丝球。
5.根据权利要求4所述的高效磺胺类抗生素降解菌的菌丝球的应用,其特征在于步骤一中在30℃下培养时间为3 d。
6.根据权利要求4所述的高效磺胺类抗生素降解菌的菌丝球的应用,其特征在于步骤一中PDA固体培养基中包括:葡萄糖10 g/L,MgSO4·7H2O 1 g/L,马铃薯粉2 g/L, KH2PO4 1g/L,pH为 4~6。
7.根据权利要求4所述的高效磺胺类抗生素降解菌的菌丝球的应用,其特征在于步骤三中培养时间为24 h-30 h。
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