新疆準(zhǔn)東油田石油污染土壤萘雙加氧酶基因的多態(tài)性

薄明森　呂杰　李興海　馬媛

摘要：為了分析新疆準(zhǔn)東油田石油污染土壤中萘雙加氧酶功能基因的多態(tài)性，采用無機(jī)鹽培養(yǎng)基，以萘為唯一的碳源物質(zhì)，對(duì)準(zhǔn)東油田石油污染土壤中的萘降解菌進(jìn)行液體富集培養(yǎng)，用高效液相色譜法（high performance liquid chromatography，簡(jiǎn)稱HPLC）對(duì)降解產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)采用萘雙加氧酶基因通用引物對(duì)萘雙加氧酶基因片段進(jìn)行擴(kuò)增、測(cè)序及分析。高效液相色譜檢測(cè)結(jié)果顯示，萘被降解成小分子產(chǎn)物，證明液體培養(yǎng)基均富集培養(yǎng)獲得了萘降解菌群。從準(zhǔn)東油田共分離得到了49條萘雙加氧酶基因片段，共編碼35條氨基酸序列，GenBank登錄號(hào)為KY304781～KY304829。獲得的萘雙加氧酶基因系統(tǒng)發(fā)育樹結(jié)果顯示，研究獲得的萘雙加氧酶基因分為4個(gè)類群。通過高效液相色譜分析及萘雙加氧酶基因的分子檢測(cè)，證明準(zhǔn)東油田石油污染土壤中含有萘降解菌株，這些萘降解菌株是可以通過液體富集培養(yǎng)獲得的，并且可以通過固體平板獲得降解萘的單菌株。

關(guān)鍵詞：萘降解菌;高效液相色譜;萘雙加氧酶基因;克隆文庫(kù)

中圖分類號(hào)： S151.9+5;S182;X53文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2019）09-0110-05

芳香族烴類化合物是煤炭、石油等化石燃料的天然組成成分，植物體內(nèi)含有多種酚類產(chǎn)物，它們不完全燃燒亦可產(chǎn)生芳香烴類化合物。另外，在應(yīng)對(duì)石油短缺問題時(shí)，“煤變油”過程中會(huì)產(chǎn)生大量結(jié)構(gòu)復(fù)雜的芳香烴化合物[1]。極低含量的多環(huán)芳烴（polycyclic aromatic hydrocarbons，簡(jiǎn)稱PAHs）便會(huì)對(duì)人體造成嚴(yán)重危害，是芳香烴化合物中對(duì)環(huán)境危害最大的一類[2]。PAHs家族包括150多種成員，其中16種被美國(guó)環(huán)境保護(hù)署列為優(yōu)先考慮的污染物[3]。原油中含有2%～4%的芳香烴，1～5個(gè)不等的縮合芳烴[4]，因此，從石油開采區(qū)原油污染土壤中可以檢測(cè)到高含量的PAHs[5]。該類物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，難溶于水，在自然環(huán)境中很難降解，因而如何消除此類有機(jī)污染物，在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)一直困擾著人們。微生物降解被認(rèn)為是去除PAHs的有效手段，隨著微生物降解菌中雙加氧酶的分離及研究的深入，這一難題正被安全有效地解決[6]。

雙加氧酶基因是芳烴開環(huán)降解的第1步，是關(guān)鍵酶及限速酶基因。將自然界中的雙加氧酶基因按照α亞基序列信息的聚類分析，可以分為4類：甲苯/聯(lián)苯雙加氧酶，萘或多環(huán)芳烴雙加氧酶，苯甲酸雙加氧酶，鄰苯二甲酸雙加氧酶。因?yàn)槎喹h(huán)芳烴雙加氧酶具有其獨(dú)特的特征，所以能夠利用芳香烴雙加氧酶α亞基的保守域設(shè)計(jì)通用引物，用于研究環(huán)境中PAHs降解的功能菌群，是行之有效的手段[7-10]。

研究微生物降解PAHs的途徑以及對(duì)降解過程中涉及的酶的研究可以為了解微生物對(duì)PAHs的轉(zhuǎn)化能力及代謝方式提供基礎(chǔ)，是將微生物降解應(yīng)用于污染修復(fù)的前提。雙加氧酶基因作用于多環(huán)芳烴氧化開環(huán)的初始步驟，其多態(tài)性及含量決定了土壤的自我修復(fù)能力。對(duì)于萘雙加氧酶而言，因其活性中心具有相對(duì)較小的結(jié)構(gòu)上的保守性，其底物范圍相對(duì)比較廣泛[1]，因此，萘雙加氧酶的基因也常被作為原油污染土壤中微生物菌群降解多環(huán)芳烴的指標(biāo)物進(jìn)行分子檢測(cè)[5]。萘雙加氧酶的催化能力差異較大，因此需要對(duì)萘雙加氧酶基因資源進(jìn)行多態(tài)性研究，并以此為指導(dǎo)依據(jù)，篩選高效降解菌進(jìn)行污染物的原位修復(fù)仍是未來工作的熱點(diǎn)[11]。

本研究采集新疆準(zhǔn)東油田原油污染不同年限的沙質(zhì)土壤，用以分析不同年限原油污染土壤中nah基因的多態(tài)性變化，同時(shí)以萘為唯一碳源，液體富集培養(yǎng)萘降解菌群，對(duì)可培養(yǎng)萘降解菌群中nah基因的多態(tài)性進(jìn)行研究。通過對(duì)準(zhǔn)東油田石油污染土壤中非培養(yǎng)、可培養(yǎng)萘降解菌群雙加氧酶基因多態(tài)性的研究，揭示其原位基因的組成特征，并通過對(duì)可培養(yǎng)萘降解菌群雙加氧酶基因的分析，研究降解菌群的培養(yǎng)規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗(yàn)材料 準(zhǔn)東油田采油區(qū)位于新疆準(zhǔn)噶爾盆地東部，地理位置為88°40′～89°22′E，43°40′～44°20′N。試驗(yàn)采集準(zhǔn)東油田同一個(gè)采油區(qū)3個(gè)不同石油污染年限的土壤，土壤樣本編號(hào)為ZD1、ZD2、ZD3。于2015年6月采集樣本，采集樣本時(shí)與采油區(qū)工作人員了解具體情況，ZD1為廢棄單罐井，石油污染時(shí)間為5年以上;ZD2為閘閥井，污染時(shí)間為1年（持續(xù)污染）;ZD3位于采油井邊，污染時(shí)間為3年。采樣時(shí)去除表面土壤，采集深度為2～20 cm，每個(gè)樣點(diǎn)采集5份土樣。將采集的土樣裝入無菌密封聚丙烯袋中，在低溫下運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室，于4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.1.2 試驗(yàn)試劑 PowerSoilTM DNA Isolation Kit土壤基因組DNA抽提試劑盒，購(gòu)自MO BIO公司;細(xì)菌基因組DNA提取試劑盒，購(gòu)自生工生物工程（上海）股份有限公司;LA Taq DNA聚合酶和DNA marker，購(gòu)自大連TaKaRa公司;DNA凝膠回收試劑盒，購(gòu)自杭州Axygen公司;pCR2.1-T vector，購(gòu)自美國(guó)Invitrogen公司;DH5α大腸桿菌感受態(tài)細(xì)胞，購(gòu)自北京全式金生物技術(shù)有限公司;Hha Ⅰ、Rsa Ⅰ、Hinf Ⅰ，購(gòu)自美國(guó)NEB公司;其余試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.1.3 試驗(yàn)儀器 PCR儀（TC-412），購(gòu)自TECHNE公司;凝膠成像儀，購(gòu)自SYNGENE公司;離心機(jī)（SIGMA 3-18K），購(gòu)自Sartorius AG公司;瓊脂糖水平電泳儀（DYCP-31DN），購(gòu)自北京六一生物科技有限公司。

1.1.4 培養(yǎng)基 液體富集培養(yǎng)基為無機(jī)鹽基礎(chǔ)培養(yǎng)基，由大量元素（99 mL）和微量元素（1 mL）2個(gè)部分組成。大量元素成分：1.0 g/L （NH4）2SO4，0.8 g/L K2HPO4，0.2 g/L KH2PO4，0.2 g/L MgSO4·7H2O，0.1 g/L CaCl2·2H2O，0.005 g/L FeSO4·7H2O。

微量元素成分：0.039 9 g/L MnSO4·H2O，0.042 8 g/L ZnSO4·H2O，0.034 7 g/L （NH4）6Mo7O24·4H2O[12]。pH值為7.0±0.2，于121 ℃滅菌30 min。在固體培養(yǎng)基中添加 1.5% 瓊脂粉。

1.2 方法

1.2.1 液體富集培養(yǎng)萘降解菌群 等量混合5份石油污染土壤，稱取10 g，加入100 mL液體富集培養(yǎng)基中，再加入 0.05 g 萘作為唯一碳源及能源物質(zhì)，于180 r/min、32 ℃避光培養(yǎng)7 d。培養(yǎng)結(jié)束后吸取10 mL富集培養(yǎng)液，離心收集菌體，將無菌培養(yǎng)基在洗脫后加入新的液體培養(yǎng)基中，此過程重復(fù)5次。

1.2.2 高效液相色譜法（high performance liquid chromatography，簡(jiǎn)稱HPLC）檢測(cè)萘降解產(chǎn)物 高效液相色譜法檢測(cè)的樣本為液體培養(yǎng)96 h后的樣本（外源添加的萘肉眼不可見），用15 mL乙酸乙酯萃取，重復(fù)3次。將含有降解產(chǎn)物的乙酸乙酯于12 000 r/min離心3 min，棄沉淀，干燥后加 1 mL 甲醇溶液溶解。測(cè)試條件：以甲醇和水（體積比為 82 ∶18）為流動(dòng)相，流動(dòng)速度為1 mL/min，進(jìn)樣量為10 μL，檢測(cè)波長(zhǎng)為 270 nm，采用C18柱，整個(gè)過程的溫度為40 ℃[13]。

1.2.3 土壤基因組DNA的提取與萘降解菌基因組DNA的提取 等量混合每個(gè)樣點(diǎn)采集的土樣，分別稱取0.4 g土樣，采用PowerSoilTM DNA Isolation Kit土壤基因組DNA抽提試劑盒對(duì)土壤基因組DNA進(jìn)行提取，操作過程按照說明書相關(guān)步驟進(jìn)行。液體富集萘降解菌群采用生工生物工程（上海）股份有限公司生產(chǎn)的細(xì)菌基因組DNA提取試劑盒進(jìn)行提取，提取時(shí)離心收集5 mL富集培養(yǎng)菌液中的菌體。3個(gè)土壤所對(duì)應(yīng)的樣品編號(hào)為ZD1、ZD2、ZD3，液體搖瓶對(duì)應(yīng)的編號(hào)為Y。

1.2.4 萘雙加氧酶基因片段的PCR擴(kuò)增 采用萘雙加氧酶基因（nah基因）的通用引物（NAH-F：5′-CAAAARCACCTGATTYATGG-3′;NAH-R：5′-AYRCGRGSGACTTCTTTCAA-3′），以不同石油污染年限的土壤總DNA和液體富集培養(yǎng)萘降解菌群總DNA為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增。PCR反應(yīng)條件參照已報(bào)道的條件進(jìn)行[14]。每個(gè)樣本平行擴(kuò)增3個(gè)重復(fù)，擴(kuò)增結(jié)束后，電泳檢測(cè)。

1.2.5 萘雙加氧酶基因克隆文庫(kù)的構(gòu)建與限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性（restriction fragment length polymorphism，簡(jiǎn)稱RFLP）分型篩選陽性克隆子 為了避免單次擴(kuò)增的偏向性，混合3個(gè)PCR擴(kuò)增平行樣本產(chǎn)物進(jìn)行凝膠回收。將回收產(chǎn)物與 pUC18-T 載體連接，轉(zhuǎn)化大腸桿菌（Escherichia coli） DH5α感受態(tài)細(xì)胞，每個(gè)樣本隨機(jī)挑取96個(gè)白斑，從而構(gòu)建準(zhǔn)東油田不同年限石油污染土壤以及液體富集培養(yǎng)萘降解菌群中萘雙加氧酶基因的克隆文庫(kù)。

用堿裂解法提取克隆文庫(kù)質(zhì)粒DNA，用M13-F、M13-R通用引物對(duì)進(jìn)行載體PCR擴(kuò)增，反應(yīng)條件：94 ℃ 4 min;94 ℃ 30 s，51 ℃ 30 s，72 ℃ 1 min，35個(gè)循環(huán);72 ℃ 5 min。對(duì)PCR產(chǎn)物進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)，對(duì)陽性克隆子進(jìn)行篩選，之后將陽性克隆PCR產(chǎn)物用限制性內(nèi)切酶HhaⅠ、RsaⅠ、Hinf Ⅰ進(jìn)行3輪酶切，酶切產(chǎn)物用2.5%瓊脂糖凝膠進(jìn)行電泳檢測(cè)，將不同RFLP條帶類型對(duì)應(yīng)的克隆子送至生工生物工程（上海）股份有限公司進(jìn)行測(cè)序，將測(cè)序與比對(duì)正確的序列信息提交至GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.2.6 系統(tǒng)發(fā)育分析 將測(cè)序獲得的萘雙加氧酶基因序列在GenBank中進(jìn)行BLAST同源性比對(duì)，下載相似性最高的萘雙加氧酶基因作為標(biāo)準(zhǔn)序列，用MEGA 7軟件，采用鄰接法進(jìn)行聚類分析，并構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹，并用該軟件對(duì)萘雙加氧酶的氨基酸序列進(jìn)行聚類分析[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 萘降解菌群降解產(chǎn)物的檢測(cè)結(jié)果

由圖1和圖2可以看出，萘標(biāo)準(zhǔn)品的保留時(shí)間為 4.591 min，而對(duì)萘降解培養(yǎng)液提取物進(jìn)行檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在 7.5 min 時(shí)出現(xiàn)1個(gè)大的吸收峰，在6.7 min時(shí)出現(xiàn)1個(gè)小峰。HPLC試驗(yàn)結(jié)果表明，在液體培養(yǎng)基中添加的萘，在96 h后已被降解成2個(gè)分子量小于萘的降解產(chǎn)物，證明通過液體培養(yǎng)獲得了準(zhǔn)東油田萘降解菌的可培養(yǎng)菌群，而對(duì)于2個(gè)組分的降解產(chǎn)物，有待進(jìn)一步研究其結(jié)構(gòu)。

2.2 nah基因片段的PCR擴(kuò)增結(jié)果

以不同石油污染年限的土壤總DNA和液體富集培養(yǎng)萘降解菌群的總DNA為模板，進(jìn)行PCR擴(kuò)增。如圖3所示，通過PCR擴(kuò)增，得到了清晰的特異性條帶，條帶大小為400 bp左右，目標(biāo)條帶大小與預(yù)期擴(kuò)增的nah基因片段大小相符。

2.3 nah基因片段的RFLP分析結(jié)果

對(duì)克隆文庫(kù)中的陽性克隆子進(jìn)行PCR篩選，將篩選獲得的陽性克隆子PCR產(chǎn)物用限制性內(nèi)切酶Hha Ⅰ、Rsa Ⅰ和Hinf Ⅰ進(jìn)行3輪酶切。原本預(yù)期采用2種識(shí)別4個(gè)堿基的限制性內(nèi)切酶，但是nah基因的部分PCR條帶不能被Hha Ⅰ、Rsa Ⅰ酶切，因此最終采用2種限制性內(nèi)切酶。用3種限制性內(nèi)切酶進(jìn)行RFLP分析的部分結(jié)果如圖4、圖5和圖6所示，進(jìn)一步分析可知，ZD1共有18個(gè)帶型，ZD2有13個(gè)帶型，ZD3有13個(gè)帶型，Y有12個(gè)帶型。

2.4 萘雙加氧酶基因的系統(tǒng)發(fā)育分析

將測(cè)序結(jié)果經(jīng)過BLAST同源比對(duì)，去除錯(cuò)誤結(jié)果，最終獲得的nah基因片段數(shù)如下：ZD1有16條，ZD2有11條，ZD3有11條，Y有11條。將序列信息提交至GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)，GenBank登錄號(hào)為KY304781～KY304829。

將獲得的萘雙加氧酶基因序列在GenBank中進(jìn)行BLAST相似性比對(duì)，將相似性較高的序列作為標(biāo)準(zhǔn)序列，用MEGA 7軟件，采用鄰接法聚類分析構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹。由圖7的系統(tǒng)發(fā)育樹可以看出，從準(zhǔn)東油田石油污染土壤中獲得的萘雙加氧酶基因可以分為Cluster a（Cluster表示簇）、Cluster b、Cluster c、Cluster d 4個(gè)類群，其中Cluster b含有2個(gè)不同的小類群，Cluster c含有2個(gè)不同的小類群，Cluster d含有3個(gè)不同的小類群，每個(gè)小類群內(nèi)的相似性在98%以內(nèi)。Cluster a、Cluster b和Cluster c兩兩間的相似性均在95.5%以上，其中Cluster d與其他類群的相似性均低于85%。

萘雙加氧酶BLAST同源比對(duì)得分最高的序列多來自石油污染土壤中的免培養(yǎng)細(xì)菌，僅2條序列來自Pseudomonas（假單胞菌屬）菌株的萘雙加氧酶基因，且這2條序列均存在于Cluster b類群中。此外，比對(duì)獲得的來源于免培養(yǎng)細(xì)菌nah基因的標(biāo)準(zhǔn)序列，除登錄號(hào)為KC878841的序列外，其他標(biāo)準(zhǔn)序列均來自大慶油田石油污染土壤[5]，相似性均高于98%，而搖瓶培養(yǎng)獲得的nah基因與Yang等研究得到的來源于克拉瑪依油田土壤細(xì)菌的nah基因序列信息相比，相似性反而均低于97%[16]。

將萘雙加氧酶基因序列翻譯成氨基酸序列，用MEGA 7進(jìn)行聚類分析，由圖8可以看出，本試驗(yàn)獲得的萘雙加氧酶α亞基的核酸序列為49條，共編碼35條氨基酸序列，與核酸序列聚類結(jié)果相同，共分為4個(gè)類群，其中Cluster b占整個(gè)文庫(kù)的70%，Cluster a占整個(gè)文庫(kù)的22%，為最大的2個(gè)類群。從聚類結(jié)果可以看出，來自3個(gè)不同石油污染年限土壤中的nah基因并沒有很好地聚類，但是從搖瓶培養(yǎng)獲得的nah基因卻聚類成獨(dú)自的類群。

3 結(jié)論

新疆地區(qū)的石油儲(chǔ)量豐富，但是在幾十年的開采過程中，難免會(huì)有原油污染物隨著開采加工過程進(jìn)入土壤中。準(zhǔn)東油田采油區(qū)大部與古爾班通古特沙漠重合，其土壤微生態(tài)環(huán)境脆弱，原油滲漏極易破壞微生物菌群結(jié)構(gòu)。原油滲漏后所含的烴類能給微生物提供足夠的碳源，因此沙質(zhì)土壤中的原核微生物多樣性往往大于背景土壤，認(rèn)為有機(jī)污染物降解主要由原核微生物完成[17]。目前未見針對(duì)新疆準(zhǔn)東油田開展的原油污染土壤中芳香烴降解酶基因多態(tài)性以及石油污染土壤中不同污染物降解菌株分離的報(bào)道。

萘雙加氧酶的底物范圍相對(duì)比較廣泛，因此萘雙加氧酶基因也常被作為原油污染土壤中微生物菌群降解多環(huán)芳烴的指標(biāo)物進(jìn)行分子檢測(cè)。本研究選擇萘作為限制性培養(yǎng)因子，液體培養(yǎng)萘降解菌群，通過HPLC檢測(cè)證明，通過試驗(yàn)富集培養(yǎng)獲得了萘降解菌群。如果采用該菌群進(jìn)行污染物的原位修復(fù)，會(huì)極大地避免采用外來菌株受到土著微生物的競(jìng)爭(zhēng)捕食作用。此外本研究針對(duì)新疆準(zhǔn)東油田原油污染土壤中來源的非培養(yǎng)和可培養(yǎng)萘降解菌的功能基因進(jìn)行多態(tài)性研究。結(jié)果表明，從3個(gè)不同年限石油污染土壤內(nèi)獲得的nah基因并沒有很好地聚類，但是從搖瓶中獲得的nah基因卻聚類形成獨(dú)自的類群，證明萘降解菌群結(jié)構(gòu)與環(huán)境中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)成分相關(guān)，但是與萘含量并不相關(guān)。搖瓶獲得的萘降解菌群的nah基因并未在環(huán)境樣本中獲得，說明該菌群在土壤中的含量極低。

通過對(duì)準(zhǔn)東油田石油污染土壤中非培養(yǎng)和可培養(yǎng)萘降解菌群雙加氧酶基因的多態(tài)性研究，揭示其原位功能基因的結(jié)構(gòu)特征，并通過對(duì)可培養(yǎng)萘降解菌群雙加氧酶的基因分析，研究降解菌群的培養(yǎng)規(guī)律，可以為進(jìn)一步從準(zhǔn)東油田石油污染土壤中獲得萘降解單菌株及其他稠環(huán)芳香烴降解菌株提供借鑒。

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