CN116042484B - 耐碱微生物菌pdc-1及其原位修复矿区有机污染土壤的应用 - Google Patents
耐碱微生物菌pdc-1及其原位修复矿区有机污染土壤的应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种耐碱微生物菌PDC‑1及其应用。本发明从山东某煤矿煤矸石堆场土壤中筛选和分离得到PDC‑1菌株,该菌株可利用萘、菲、蒽或芘为唯一碳源,并对重金属具有一定耐受性。本发明的菌株具有重金属背景下多种PAHs的降解能力,同时具备较强的耐碱能力,且培养简单,应用范围广,在多环芳烃及重金属复合污染场地生物修复具有较好应用前景。
Description
技术领域
本发明属于有机污染物降解领域,具体涉及一种耐碱微生物菌PDC-1及其原位修复矿区有机污染土壤的应用。
背景技术
多环芳烃(PAHs)是持久性有机污染物中的一类代表,是广泛存在的疏水性芳香族化合物。多环芳烃的来源主要分为人为源和自然源两大类,环境中人为来源是多环芳烃污染的主要方式。在高度污染的土壤中,多环芳烃主要来自石油等污染物意外泄漏以及石化、炼钢和煤炭行业。在炼油和焦炭生产期间尤其如此,大量多环芳烃在这些工业生产中产生并传播。其中16种多环芳烃被美国环保署列为优先污染物,环境研究中的关注广泛,因为它们大多是已证实的致癌物质。由于它们在环境中的毒性和持久性,仍然需要研究多环芳烃污染土壤的修复。
微生物降解技术作为一种公认的绿色、高效、低成本的修复方法,在有机污染修复中,已经有了较完善的研究基础。铜绿假单胞菌属于假单胞菌属,是生物修复应用中应用前景较好的微生物之一,对芳香族化合物、有机农药等难降解物质具有良好的降解能力。由于矿区土壤属于复合污染体系,常规的生物修复方法在实地应用中有较大的局限性,且重金属也具有毒性,影响降解菌的活性。因此,在进行生物修复时,除了微生物自身多环芳烃的耐受和降解能力外,重金属耐受性也是一个重要的考量标准。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一株耐碱微生物菌PDC-1。
为实现上述目的,本发明提供耐碱微生物菌PDC-1,所述菌株为铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa,保藏编号为CGMCC NO.25957,2022年10月24日保藏于中国普通微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(简称CGMCC)。
该菌株分离自山东省新泰市某煤矿煤矸石堆场土壤。菌株PDC-1为革兰氏阴性细菌,在LB固体平板上菌落呈圆形、淡绿色、表面隆起、光滑、湿润。
本发明也提供所述微生物菌PDC-1的培养物或者传代后的培养物。
本发明还提供所述的微生物菌PDC-1在多环芳烃污染和/或重金属污染水体或土壤修复中的应用。
具体地,所述多环芳烃选自萘、菲、蒽和/或芘;所述多环芳烃选自NAP、PHE、ANT、PYR、BaP、BghiP中的一种或多种;所述重金属是镉、铬、锑等重金属;更优选地,所述复合污染修复菌的菌悬液施于土壤中。
本发明也提供所述的耐碱微生物菌PDC-1的培养方法,其特征在于,
S1.含多环芳烃母液的固体无机盐培养基涂布后,30-35 ℃培养,培养约48-72h;
S2.挑取单菌落接种至LB液体培养基中,再在30-35℃下,150-180 rpm振荡培养后,制成OD600=0.5-1.5的菌悬液;
S3.接种至新的LB液体培养基内,在在30-35℃下,150-180 rpm振荡发酵24-48h,得到培养液。
优选地,所述发酵培养基配方为玉米油20g/L,葡萄糖5g/L, 酵母粉5g/L,NaNO35g/L, NaCl 5g/L,K2HPO42g/L,蒸馏水1L。
另外优选地,所述降解菌剂中菌体数量不低于1.0×108CFU/ml,优选为1.0×109CFU/ml至1.0×1010CFU/ml。
在一个具体实施方式中,本发明的还提供一种菌株PDC-1的多环芳烃降解菌剂的制备方法:
(1)含多环芳烃母液的固体无机盐培养基涂布后,30-35 ℃培养,培养48-72 h后,待看到有完整的直径1-2mm的单菌落;
(2)挑取单菌落接种至LB液体培养基中,再在30-35℃下,150-180 rpm振荡培养后,制成OD600=1的菌悬液;
(3)按接种量10%,接种至发酵培养基内,再在30-35℃下,150-180 rpm振荡发酵72h,得到培养液即为降解多环芳烃的降解菌剂。
所述无机盐培养基为Na2HPO42800mg,(NH4)2SO4500mg, CuCl2·2H2O 0.001mg,H3BO30.03mg, FeSO4·7H2O 0.2mg, MnCl2·4H2O 0.003mg, NiCl2·6H2O 0.002mg,KH2PO41000mg, Na2EDTA 0.5mg, CoCL2·6H2O 0.02mg, ZnSO4·7H2O 0.01mg, Na2MoO4·2H2O 0.003mg,蒸馏水 1L。
所述LB培养基的配方为蛋白胨10g/L,酵母浸粉5g/L,NaCl 10g/L,蒸馏水1L,pH7.0-7.2。
所述发酵培养基的配方为玉米油20g/L,葡萄糖5g/L, 酵母粉5g/L, NaNO35g/L,NaCl 5g/L,K2HPO42g/L,蒸馏水1L,pH7.2-7.5。
本发明还提供含有所述的耐碱微生物菌PDC-1的降解多环芳烃的降解菌剂。
优选地,所述微生物菌PDC-1以菌悬液形式存在。
进一步地,其按上述的培养方法获得的培养液作为菌悬液。
本发明从煤矿厂区的煤矸石堆场土壤样品中富集并筛选出铜绿假单胞菌菌株,该菌株在中性和碱性环境下均有良好的活性和代谢能力,并且对典型多环芳烃NAP、PHE、ANT、PYR、BaP、BghiP等都有不错的降解能力,同时对重金属Cd2+有较好的耐受能力,在Cd2+浓度20mg/kg土壤中,实现60%以上的降解率,表明菌株PDC-1不仅能修复多环芳烃污染水体,还能用于重金属和多环芳烃复合污染的土壤中,实现不同环境下对多环芳烃的降解。
附图说明
图1为本发明PDC-1平板菌落形态;
图2为本发明PDC-1的细胞形态;
图3为基于16S rRNA基因序列同源性的PDC-1系统发育树;
图4为本发明PDC-1对菲的降解动力学曲线;
图5为本发明PDC-1对不同浓度菲的降解能力;
图6为本发明PDC-1在不同温度对菲的降解能力;
图7为本发明PDC-1在不同pH值对菲的降解能力;
图8为本发明PDC-1对不同6种典型多环芳烃的降解能力;
图9为本发明PDC-1在不同Cd2+浓度对菲的降解能力。
图10为本发明PDC-1在不同Cd2+浓度土壤中菲的降解能力。
生物材料保藏信息
微生物菌PDC-1,其保藏编号为CGMCC NO.25957,分类命名为铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa,于2022年10月24日保藏于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。
实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明。
实施例1:PDC-1的分离和鉴定
1、样品来源
从山东煤矿煤矸石堆场污染场地中采集土壤,以高浓度菲为碳源进行长期驯化,通过多次筛选和分离纯化得到高效的菲降解菌。
2、培养基
2.1无机盐培养基
无机盐培养基用于样品微生物培养,纯菌以及菌剂条件下多环芳烃降解实验。该培养基配方见表1。配制方法为将各成分加入到蒸馏水中,搅拌混匀,调节pH至7.2-7.5,灭菌制得。
表1无机盐培养基配方
2.2营养培养基
本实验所用的液体营养培养基种类及成分见表2和3。相应固体培养基为原有培养基配方添加12-15g/L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7.2-7.5。其配制方法是将各成分加入到水中,搅拌混匀,高温湿热灭菌121℃15分钟灭菌制得。
表2 LB培养基成分
表3 发酵培养基成分
3、菌株的驯化、筛选和分离
将采集的污染土壤加入到灭菌后的无机盐培养基中,两者质量比为1:10,在150-180rpm、30-35 ℃下培养5d。而后将其接种于浓度为100mg·L-1菲的无机盐培养基中,接种比例为10%,放置于30℃培养箱中避光震荡培养,该操作重复3次。
菌株驯化是以菲为无机盐培养基中的唯一碳源,5d为一个驯化周期。周期结束后取10%的接种量转接到相同体系的新鲜培养基中并重复上述过程三次。
将上述获得的培养样品稀释后进行涂布分离,样品用含有100mg/L菲的无机盐培养基分离。将涂布好的样品置于30℃下避光培养,培养1-2d,根据菌落的形态大小、颜色、透明度等特征挑取不相同的若干单菌落,并在营养培养基平板上进行划线纯化,培养。挑取纯化后的单菌落进行保存。
4、菌株鉴定
根据菌株的革兰氏染色反应结果、形态特性、生理特性对菌株进行初步鉴定。菌株PDC-1的平板菌落形态如图1所示,光学显微镜下的形态如图2所示。其主要生物学特性:菌体呈短杆状,革兰阴性杆菌,在LB固体平板上菌落呈圆形、淡绿色,表面隆起、光滑、边缘不整齐且不透明。
菌株16S rDNA鉴定: 取单菌落裂解为模板,采用通过用引物进行PCR。PCR反应条件为: 94℃预变5min,94℃变性30s,54℃退火30s,72℃延伸1min30s,24次循环,最后72℃延伸10min。对其16S rRNA基因序列进行测序,并与NCBI库进行比对,显示菌株PDC-1与铜绿假单胞菌的同源性达99.93%,确定该菌株为假单胞菌属。构建系统发育树如图3所示。
实施例2:PDC-1多环芳烃降解实验
1、菌剂的制备
(1)挑取平板中纯化的单菌落接种至LB液体培养基中,在30℃下,180 rpm振荡培养后,制成OD600=1的菌悬液;
(2)菌悬液按接种量10%,接种至新的发酵培养基内,在30℃下,180 rpm振荡发酵72h,检测发酵液的浓度为108-10CFU/ml,所得发酵液即为PDC-1液体菌剂。
2、菌剂降解PHE
取2mL制得的PDC-1液体菌剂接种到50mL含有50mg/L菲的无机盐培养基中,以菲为唯一碳源,将培养基放置于30℃的恒温摇床中进行培养,对照组不接种菌剂,共设置3组重复实验,每天测定培养基中的PHE浓度和OD600。
将20mL色谱纯正己烷加入培养基的锥形瓶中,密封后200rpm震荡30min,而后通过分液漏斗进行液液萃取,将正己烷分离收集,重复两次。将收集到的所有正己烷萃取液通过氮吹仪进行氮吹浓缩,定容至10mL后,取1mL氮吹至近干后用色谱纯甲醇定容至1mL过0.22μm滤膜,装入棕色液相小瓶,采用高效液相色谱仪的方法(HJ 478-2009)测定多环芳烃浓度。OD600的测定是取1mL溶液在紫外分光光度计调至600nm时,以初始含菲无机盐培养基进行调零,而后测定样品。添加菌剂后的菲降解动力学曲线和生长曲线如图4所示,培养基在2d时菌密度达到最高,6d后降解至25mg/L以下。
3、液体培养基中不同条件下PHE降解
取2mL制得的PDC-1液体菌剂分别接种到50mL含有25mg/L、50mg/L、100mg/L、150mg/L和200mg/L菲的无机盐培养基中,将培养基放置于30℃的恒温摇床中180rpm进行培养, 6天后测定培养基中的PHE浓度,重复测定3次。不同PHE浓度下的降解率如图5所示,PDC-1菌剂在PHE浓度为50mg/L和150mg/L时降解率较高,分别为54%和57%。
取2mL制得的PDC-1液体菌剂接种到pH值为50mL含有50mg/L菲的无机盐培养基中,将培养基分别放置于20℃、25℃、30℃、35℃和40℃的恒温摇床中180rpm进行培养, 6天后测定培养基中的PHE浓度,重复测定3次。不同温度下PHE的降解率如图6所示,30-35℃时菌剂的降解效果较好,降解率维持在50%以上。
将50mL含有50mg/L菲的无机盐培养基pH值分别调至为5、6、7、8、9、10,取2mL制得的PDC-1液体菌剂接种到这些培养基中,放置于30℃的恒温摇床中180rpm进行培养, 6天后测定培养基中的PHE浓度,重复测定3次。不同pH值条件下菲的降解率如图7所示,当培养基pH值在7-8之间,菌剂降解率最高,保持在50%-53%;在pH达到10时,菌剂仍然能实现30%左右的降解率。
配制50mL含有NAP 50mg/L、PHE 50mg/L、ANT 50mg/L、PYR 20mg/L、BaP 20mg/L、BghiP 20mg/L的无机盐培养基,取2mLPDC-1菌剂接种至培养基放置于30℃的恒温摇床中180rpm进行培养, 6天后测定培养基中的多环芳烃浓度,重复测定3次。PDC-1对六种多环芳烃的降解率如图8所示,六种多环芳烃的降解率分别为NAP 93.2%、PHE 45.8%、ANT 63.2%、PYR 33.7%、BaP38.1%、BghiP27.5%.
配制50mL含有50mg/L菲的无机盐培养基,在每个培养基内分别加入0.8mL、1.6mL、3.2mL、4.8mL浓度为10g/L的CdCl2溶液,将其制成Cd2+浓度为5mg/L、10mg/L、20mg/L、40mg/L,而后将2mLPDC-1菌剂加入到各个培养基中,放置于30℃的恒温摇床中180rpm进行培养,6天后测定培养基中的PHE浓度,重复测定3次。PDC-1在不同Cd2+浓度下的降解率如图9所示,在Cd2+浓度≤5mg/L时,菌剂的代谢活性均未受到抑制,降解率维持在45%以上,当Cd2+浓度达到20mg/L时,PHE降解率基本能维持在25%以上。
4、污染土壤中不同条件下PHE的降解
实验设置:土壤经过挑选后过10目筛后混合均匀。将20mgPHE溶解于10mL丙酮后加入到100g土壤中制备200mg/kg的PHE污染土壤亚样,将1.6mL浓度为10g/L的CdCl2溶液加入到10g土壤中制备1g/kg的Cd2+污染土壤亚样。在烧杯中加入86-90g土壤、10gPHE污染土壤亚样和1-4gCd2+污染土壤亚样,混合均匀制备成PHE浓度20mg/kg 、Cd2+浓度为10mg/kg、20mg/kg、40mg/kg的污染土壤。取5mLPDC-1菌剂加入到100g污染土壤中混合均匀,使含水率保持在20%左右,并将其放置于恒温培养箱中30℃避光培养20天,间隔10天取一次土壤样品测定其PHE的浓度。
土壤中PHE浓度的测定:参照中华人民共和国国家环境保护标准《土壤和沉积物多环芳烃的测定高效液相色谱法》提取土壤中的PAHs。称取5g土壤样品进行冷冻干燥,研磨过60目筛后加入15mL丙酮-正己烷(1:1)混合溶液,密封避光浸泡8小时后超声处理30min,而后离心倒出溶液,重复提取3次。将提取液混合后氮吹浓缩至约1mL,利用硅酸镁固相萃取柱净化。将净化后的洗脱液再次氮吹浓缩至近干,加入约3mL甲醇,重复三次,最终定容至1mL。利用高效液相色谱仪进行测定,进样量为10μL,柱温35℃,流动相选择A甲醇: B水(80:20),检测波长选择252nm。
不同Cd2+浓度土壤中菲的降解率如图10所示,在土壤Cd2+浓度≤20mg/kg时,菌剂活性未受到明显抑制,土壤中PHE的降解率维持在61%-73%;当土壤Cd2+浓度达到40mg/kg时,代谢活性受到抑制,降解率降至47%左右。
以上仅是本发明的优选实施方式,应当指出的是,上述优选实施方式不应视为对本发明的限制,本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明的精神和范围内,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种耐碱微生物菌PDC-1,其分类命名为铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa,于2022年10月24日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心,保藏编号为CGMCC NO.25957。
2.根据权利要求1所述的耐碱微生物菌PDC-1在多环芳烃污染和/或重金属污染水体或土壤修复中的应用;所述多环芳烃选自NAP、PHE、ANT、PYR、BaP、BghiP中的一种或多种;所述重金属是镉。
3.根据权利要求2所述的应用,其特征在于,所述耐碱微生物菌PDC-1的菌悬液施于多环芳烃污染和/或重金属污染水体或土壤以进行修复。
4.如权利要求1所述的耐碱微生物菌PDC-1的培养方法,其特征在于,包括如下步骤:
取如权利要求1所述的耐碱微生物菌PDC-1单菌落接种至LB液体培养基中,再在30℃下, 180 rpm振荡培养后,制成OD600=1的菌悬液;接种至发酵培养基内,在30℃下,180 rpm振荡发酵72h,得到培养液。
5.根据权利要求4所述的培养方法,其特征是,所述发酵培养基的配方为玉米油20g/L,葡萄糖5g/L,酵母粉5g/L, NaNO3 5g/L, NaCl 5g/L,K2HPO4 2g/L和蒸馏水1L。
6.根据权利要求5所述的培养方法,其特征是,所述培养液中菌体数量为1.0×108CFU/ml-1.0×1010CFU/ml。
7.含有权利要求1所述的耐碱微生物菌PDC-1的降解多环芳烃的降解菌剂。
8.根据权利要求7所述的降解多环芳烃的降解菌剂,其特征在于,所述微生物菌PDC-1以菌悬液形式存在。
9.根据权利要求7所述的降解多环芳烃的降解菌剂,其特征在于,按如权利要求4至6任一项所述的培养方法获得。
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CN116042484A (zh) | 2023-05-02 |
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