一株石油烴降解菌的固定化及其降解特性研究
2016-01-05 08:05:45盧方斌,李榮超,張蕾等
化學(xué)與生物工程 2015年11期
關(guān)鍵詞：耐鹽
一株石油烴降解菌的固定化及其降解特性研究
盧方斌，李榮超，張蕾，王君
(濱州學(xué)院生命科學(xué)系，山東 濱州 256600)
摘要：從石油污染鹽漬土壤中篩選出一株對(duì)液蠟乳化效果明顯、對(duì)原油降解率達(dá)56.8%的菌株，命名為BZ-L。經(jīng)生理生化和16S rRNA序列分析，初步鑒定該菌株屬于沙雷氏菌屬。以海藻酸鈉和活性炭為包埋劑，對(duì)該菌株進(jìn)行固定化研究。結(jié)果表明，當(dāng)活性炭含量為0.8%時(shí)，固定化微球的破損率最低、滲透性最好；在接種量為35.0 g·L-1、NaCl濃度為6.0%時(shí)，固定化微球?qū)υ偷慕到饴士蛇_(dá)61.7%；菌株BZ-L的固定化微球?qū)υ偷慕到饴拭黠@高于游離菌，且比游離菌的耐鹽性能更強(qiáng)，可用于石油污染鹽漬土壤的生物修復(fù)。
關(guān)鍵詞：石油烴降解菌；固定化微球；降解特性；耐鹽
基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃(201310449146),山東省科學(xué)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011YD21005)
收稿日期：2015-06-02
作者簡(jiǎn)介：盧方斌(1993-)，男，山東濟(jì)寧人，研究方向：微生物修復(fù)研究，E-mail:mxzlushang@126.com；通訊作者：王君，副教授，E-mail：ivywangjun@163.com。
doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2015.11.013
中圖分類號(hào)：X 172文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
在石油污染土壤或水體的修復(fù)技術(shù)中，微生物修復(fù)技術(shù)因安全、高效、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)成為人們處置石油污染的重要手段[1-3]。土壤中的某些土著微生物可以降解原油，但由于單位菌濃度較低或受環(huán)境因素的影響，并不能很好地降解原油。固定化微生物技術(shù)是一種高效、可重復(fù)、不產(chǎn)生二次污染的治理技術(shù)，具有微生物單位密度大、微生物流失少、抗外界脅迫能力強(qiáng)、產(chǎn)物易分離、反應(yīng)過(guò)程易控制的優(yōu)點(diǎn)[4-6]。
關(guān)于石油降解菌的固定化技術(shù)已有報(bào)道，固定化手段和材料豐富多樣[7-9]。關(guān)曉燕等[10]報(bào)道了以聚氨酯泡沫為載體制備固定化菌的研究，在120 h內(nèi)該菌株對(duì)柴油的降解率達(dá)85%；單海霞等[11]以硅藻土/活性炭作為降解菌群的固定化載體，對(duì)最佳固定化條件進(jìn)行研究，其固定化菌群對(duì)柴油的平均降解率達(dá)65%。作者從黃河三角洲地區(qū)石油污染鹽漬土壤中分離篩選出一株耐鹽降解烴的菌株，采用包埋法對(duì)該菌株進(jìn)行了固定化研究，并測(cè)定了固定化微球?qū)υ偷慕到庑Ч湍望}程度。
1實(shí)驗(yàn)
1.1 材料和培養(yǎng)基
土壤樣品采自黃河三角洲濱州石油開(kāi)采區(qū)；原油來(lái)自勝利油田孤東采油廠。
無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基(g·L-1)：(NH4)2SO44，NaH2PO41.5，K2HPO43.48，MgSO40.7。自然pH值，121 ℃滅菌30 min。
富集培養(yǎng)基：在無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基中添加液蠟2%(v/v)。
降解培養(yǎng)基：在無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基中添加原油0.5%(w/v)。
牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基(g·L-1)：牛肉膏3，蛋白胨5，NaCl 5。pH值7.2，121 ℃滅菌30 min。
1.2 石油降解菌的富集和分離純化
將2 g土壤樣品加入200 mL富集培養(yǎng)基中，160 r·min-1、37 ℃下振蕩培養(yǎng)5 d后，以10%接種量轉(zhuǎn)接至新的富集培養(yǎng)基中培養(yǎng)，連續(xù)轉(zhuǎn)接培養(yǎng)數(shù)次。將富集培養(yǎng)液進(jìn)行梯度稀釋，涂布于牛肉膏蛋白胨固體培養(yǎng)基上培養(yǎng)，挑取單菌落分別接種至富集培養(yǎng)基中，選取對(duì)液蠟乳化良好的菌株進(jìn)行下一步研究。
1.3 菌種的鑒定
1.3.1生理生化特征鑒定
菌株的生理生化特征鑒定參照《常見(jiàn)細(xì)菌系統(tǒng)鑒定手冊(cè)》[12]。
1.3.2菌株的16S rRNA分析
用試劑盒提取已篩選菌的DNA，利用細(xì)菌16S rRNA基因通用引物27F和1492R擴(kuò)增基因序列[13]。PCR反應(yīng)體系的反應(yīng)條件為：94 ℃預(yù)變性5 min;94 ℃變性1 min，55 ℃退火1 min，72 ℃延伸1 min，30個(gè)循環(huán);72 ℃延伸10 min。擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)電泳檢測(cè)后送北京三博遠(yuǎn)志公司測(cè)序，測(cè)序結(jié)果在NCBI網(wǎng)站進(jìn)行BLAST比對(duì)。利用Clustal 2.0和Mega 4.1軟件構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)。
1.4 固定化菌株的構(gòu)建
1.4.1細(xì)胞懸液的制備
將得到的石油降解菌株接種于牛肉膏蛋白胨液體培養(yǎng)基中，37 ℃恒溫?fù)u床振蕩培養(yǎng)18 h，培養(yǎng)液于8 000 r·min-1離心5 min，沉淀加入無(wú)菌水重懸，使菌懸液中的細(xì)胞濃度為1.2×108個(gè)·mL-1，保存?zhèn)溆谩?/p>
1.4.2固定化微球的制備
采用注射器滴落法制備固定化微球[14]。稱取0.7 g海藻酸鈉放入50 mL的燒杯中，加入10 mL水后用酒精燈加熱，邊加熱邊攪拌至海藻酸鈉完全溶化，用蒸餾水定容至10 mL。將溶化好的海藻酸鈉溶液冷卻到室溫，加入已制備好的細(xì)胞懸液和終含量分別為0.0%、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%的活性炭粉末，充分?jǐn)嚢枋蛊浠旌暇鶆颍俎D(zhuǎn)移至注射器中，以恒定的速度緩慢地將注射器中的溶液滴加到濃度為0.05 mol·L-1的CaCl2溶液中(CaCl2溶液需提前放入冰槽內(nèi))。反應(yīng)完成后將固定化微球取出，用生理鹽水洗滌，備用。
1.5 固定化微球物理性能的測(cè)定
1.5.1固定化微球的破損率
隨機(jī)取活性炭含量分別為0.0%、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%的固定化微球各50顆，放入裝有100 mL蒸餾水的250 mL錐形瓶中，置于37 ℃、160 r·min-1恒溫?fù)u床中振蕩72 h，記錄微球的破碎顆數(shù)并計(jì)算破損率。
1.5.2固定化微球的滲透性
隨機(jī)取活性炭含量分別為0.0%、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%的固定化微球浸入墨水中，每隔 4 min 取球剖開(kāi)，直到微球被墨水完全滲透為止[15]，記錄所需的時(shí)間。
1.6 固定化微球?qū)υ偷慕到?/h2>
1.6.1接種量對(duì)原油降解率的影響
分別向降解培養(yǎng)基中接種5.0 g·L-1、15.0 g·L-1、25.0 g·L-1、30.0 g·L-1、35.0 g·L-1、40.0 g·L-1的固定化微球，在37 ℃下振蕩培養(yǎng)10 d，測(cè)定原油降解率。
1.6.2固定化微球?qū)aCl的耐受性
配制NaCl濃度分別為0.5%、1.0%、2.0%、4.0%、6.0%、10.0%、15.0%的降解培養(yǎng)基，以35.0 g·L-1的接種量加入固定化微球，37 ℃下振蕩培養(yǎng)10 d，測(cè)定原油降解率，以游離菌株作為對(duì)照。
1.7 原油降解率的測(cè)定
由于固定化載體材料表面會(huì)吸附原油，簡(jiǎn)單的萃取并不能將原油全部萃出。首先向原油培養(yǎng)基中加入50 mL正己烷，用膠塞緊塞瓶口，充分振蕩，萃取培養(yǎng)液中殘留原油，然后把固定化微球取出，用正己烷作溶劑進(jìn)行索氏抽提，最后合并兩部分含油溶液，用紫外分光光度法測(cè)定原油降解率[16]。
2結(jié)果與討論
2.1 菌種的篩選及分離
經(jīng)富集培養(yǎng)，從石油污染鹽漬土壤中篩選得到一株石油烴降解菌，命名為BZ-L。該菌株對(duì)液蠟具有明顯的乳化效果(圖1)，且在NaCl濃度為4.0%時(shí)，對(duì)原油的降解率達(dá)到56.8%。
A.實(shí)驗(yàn)組 B.對(duì)照組 圖1 菌株BZ-L對(duì)液蠟的乳化 Fig.1 Emulsification of liquid paraffin by strain BZ-L
2.2 菌株BZ-L的分類鑒定
將菌株BZ-L接種在牛肉膏蛋白胨固體平板上，37 ℃下培養(yǎng)48 h，菌落呈橘紅色，圓形，邊緣整齊，表面光滑不透明，易挑??；革蘭氏染色為陰性，菌體呈短桿狀，兩端鈍圓。該菌株可利用葡萄糖、蔗糖、D-果糖發(fā)酵產(chǎn)酸，不能利用D-阿拉伯糖、D-木糖發(fā)酵產(chǎn)酸；不能利用尿素、精氨酸產(chǎn)生硫化氫；甲基紅、丙二酸、明膠、酯酶、檸檬酸鹽、賴氨酸脫氫酶、鳥(niǎo)氨酸脫氫酶、V-P反應(yīng)均為陽(yáng)性。
將擴(kuò)增得到的 16S rRNA 基因序列在NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行BLAST比對(duì)，發(fā)現(xiàn)菌株 BZ-L跟粘質(zhì)沙雷氏菌(Serratiamarcescens)的同源性最近，相似度達(dá)99%。采用Clustal 2.0和Mega 4.1軟件構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)，見(jiàn)圖2。
圖2 菌株BZ-L與相關(guān)菌株的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù) Fig.2 Phylogenetic trees of BZ-L and related strains
根據(jù)生理生化特征和16S rRNA序列分析，初步鑒定菌株BZ-L屬于沙雷氏菌屬。
2.3 固定化微球物理性能的測(cè)定
2.3.1固定化微球的破損率(圖3)
圖3 活性炭含量對(duì)固定化微球破損率的影響 Fig.3 The effect of content of activated carbon on damage rate of immobilized microspheres
由圖3可知，當(dāng)活性炭含量在0.0%~0.8%之間時(shí)，固定化微球的破損率隨著活性炭含量的增加而下降，這是由于活性炭可以提升固定化微球的韌性；而當(dāng)活性炭含量大于0.8%后，微球的破損率上升，可能是由于活性炭的過(guò)多加入導(dǎo)致固定化微球空隙過(guò)大、松散。
2.3.2固定化微球的滲透性(圖4)
圖4 活性炭含量對(duì)固定化微球滲透性的影響 Fig.4 The effect of content of activated carbon on permeability of immobilized microspheres
由圖4可知，當(dāng)活性炭含量為0.8%時(shí)，固定化微球的滲透時(shí)間為16 min；再增加活性炭含量，固定化微球的滲透時(shí)間幾乎保持不變。因此，選取固定化微球中活性炭含量為0.8%。
2.4 固定化微球?qū)υ偷慕到馓匦?/h2>
2.4.1接種量對(duì)原油降解率的影響(圖5)
圖5 接種量對(duì)原油降解率的影響 Fig.5 The effect of inoculation amount on degradation rate of crude oil
由圖5可知，隨著接種量的增大，固定化微球?qū)υ偷慕到饴什粩嗌撸划?dāng)接種量達(dá)到35.0 g·L-1時(shí)，
固定化微球?qū)υ偷慕到饴蔬_(dá)到58.3%；再增大接種量，固定化微球?qū)υ偷慕到饴史炊陆怠?/p>
2.4.2固定化微球?qū)aCl的耐受性(圖6)
圖6 固定化微球和游離菌在不同NaCl濃度下對(duì)原油的降解率 Fig.6 Degradation rates of crude oil by immobilized microspheres and free strains in presence of different concentrations of NaCl
由圖6可知，固定化微球在NaCl濃度為6.0%時(shí)，對(duì)原油的降解率最高，達(dá)到61.7%；而游離菌在NaCl濃度為4.0%時(shí)，對(duì)原油的降解率最高，為56.8%；當(dāng)NaCl濃度高達(dá)10.0%以上時(shí)，游離菌和固定化微球都對(duì)原油有一定的降解，并且在相同NaCl濃度下，固定化微球?qū)υ偷慕到庑Ч黠@好于游離菌。
3結(jié)論
從黃河三角洲石油污染的鹽漬土壤中分離得到一株石油烴降解菌BZ-L，初步鑒定為沙雷氏菌屬。用海藻酸鈉和活性炭對(duì)該菌進(jìn)行固定化，在活性炭含量為0.8%的條件下，固定化微球的破損率較低，并具有良好的滲透性。以35.0 g·L-1接種量接種至降解培養(yǎng)基中，發(fā)現(xiàn)該固定化微球?qū)υ偷慕到饴时扔坞x菌有顯著提高，達(dá)到61.7%，對(duì)NaCl的耐受性提高到6.0%。菌株BZ-L及其固定化微球在石油污染土壤的生物修復(fù)中有良好的應(yīng)用前景[17]。
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Immobilization and Degradation Characteristics of A Petroleum-Degrading Strain
LU Fang-bin，LI Rong-chao，ZHANG Lei,WANG Jun
(DepartmentofLifeSciences，BinzhouUniversity，Binzhou256600，China)
Abstract：A petroleum-degrading strain named as BZ-L was isolated from the petroleum contaminated saline soil，which could emulsify liquid paraffin well and degradation rate of petroleum was 56.8%.The strain was belonged to Serratia marcescens，according to physical and biochemical characteristics and 16S rRNA sequence analysis.Sodium alginate and activated carbon were employed as embedding agents to study the immobilization of the strain.Results showed that damage rate of the immobilized microspheres were the lowest and the permeability was the best when content of activated carbon was 0.8%.The degradation rate of petroleum by the immobilized microspheres was 61.7%，with the inoculation amount of 35.0 g·L-1 and the NaCl concentration of 6.0%.The degradation rate of petroleum by the immobilized microspheres was higher than that of the free strain，and they were more halotolerant.Strain BZ-L and the immobilized microspheres could be used in the bioremediation of the petroleum contaminated saline soil.
Keywords：petroleum-degrading strain;immobilized microspheres;degradation characteristics;halotolerant
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