陳天宇, 孫 敏, 馮 紅
(四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 成都 610065)
鈾的原子序數(shù)為92,元素符號為U,相對原子質(zhì)量238.03 Dalton,屬錒系金屬,是在自然界中能找到的最重的金屬物質(zhì)[1].鈾的天然同位素有三種,分別是U235、U234和U238且都具有放射性,三者中豐度最高的U238為99.28%,最低的U234為0.006%.這三種同位素都有極長的半衰期,分別為(U238) 4.51×109、(U235)7.09×108和(U234) 2.35×105年[2].
鈾作為一種重要的核燃料,是核工業(yè)不可缺少的重要資源,但是鈾也是一種具有強(qiáng)烈化學(xué)毒性和放射性的元素,其污染對自然環(huán)境和生物可能帶來較大的危害.近年來,隨著核工業(yè)的發(fā)展,對鈾的需求越來越多,可溶性鈾帶來的原位污染及其容易進(jìn)入其他環(huán)境的遷移性[3],已成為人類所面臨的重大環(huán)境挑戰(zhàn).現(xiàn)有的鈾污染治理方法可分為物理修復(fù)和化學(xué)修復(fù),物理修復(fù)法主要依靠土壤封埋來處理污染物,而化學(xué)修復(fù)法則主要是通過化學(xué)物質(zhì)淋洗的方式來處理鈾污染[4-5].但無論是化學(xué)修復(fù)法還是物理修復(fù)法,都因其成本、有效程度、易造成二次污染等原因存在著局限.因此,為了更好的實(shí)現(xiàn)對鈾污染的控制,生物修復(fù)的方法逐漸開始進(jìn)入人們的視線.
在鈾污染的治理材料中,微生物擁有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢,微生物生長迅速,幾小時(shí)即可繁殖一代,且不具化學(xué)毒性不會對環(huán)境造成二次污染.有報(bào)道稱微生物中藻類、細(xì)菌、真菌和酵母都可以對金屬元素進(jìn)行吸附,可以發(fā)展成為一種環(huán)保、高效的鈾污染治理材料[6-8].微生物細(xì)胞的表面吸附通常是指作為陽離子的鈾酰離子與細(xì)胞表面的陰離子配體結(jié)合,該過程主要涉及靜電吸附與表面絡(luò)合.部分微生物可以通過代謝活動在自身的細(xì)胞壁外產(chǎn)生名為胞外聚合物(EPS)的大分子物質(zhì),EPS主要由多糖,蛋白質(zhì),腐殖質(zhì),糖醛酸,核酸和脂質(zhì)組成,并且含有羧基、磷酸基團(tuán)等官能團(tuán)[9-11].它可以作為細(xì)胞抵御惡劣外部環(huán)境的屏障,也能為鰲合鈾離子提供潛在的結(jié)合位點(diǎn).除了EPS之外,細(xì)胞表面自身還含有豐富的官能團(tuán),這也有助于對鈾元素的吸附.本研究通過對142株具有輻射抗性的細(xì)菌分離物進(jìn)行篩選,得到了一株好氧的、具有較高輻射抗性并能夠高效吸附可溶性鈾的嗜麥芽糖寡氧單胞菌H002,并分析了其與鈾的相互作用,為發(fā)展鈾污染的生物治理提供幫助.
2.1.1 菌 種 嗜麥芽糖寡養(yǎng)單胞菌(Stenotrophomonasmaltophilia) H002菌株由本實(shí)驗(yàn)室從60Co輻照場中分離所得,并保存.
2.1.2 試劑及培養(yǎng)基 TGY培養(yǎng)基(1 L):蛋白胨5 g,酵母粉3 g,葡萄糖1 g.
偶氮胂Ⅲ溶液(0.1% w/v):將100 mg的偶氮胂Ⅲ [2,7-雙(2-苯胂酸-1-偶氮)變色酸]試劑溶解在100 mL的10%乙醇中.
標(biāo)準(zhǔn)鈾溶液(1 g/L):1.78 g乙酸鈾酰加水溶解后定容至1 000 mL.
其它試劑:乙酸鈾酰購于奧克公司;Trizol試劑購于Invitrogen;溶菌酶購于上海懋康生物科技有限公司;DNase Ⅰ 購于大連寶生物;Taq DNA 聚合酶購于南京諾唯贊.
2.2.1 耐鈾細(xì)菌分離物的篩選 將活化后的142株細(xì)菌分離物按1%的接種量接種到1 mL至于96孔深孔板的含鈾TGY培養(yǎng)基中,并設(shè)置不加鈾的空白對照,每隔12 h取100 μL菌液用酶標(biāo)儀測定其600 nm波長處的光密度值,以此繪制0~72 h的細(xì)菌分離物生長曲線,通過比較生長情況篩選耐受鈾的細(xì)菌分離物.
2.2.2 H002分離物16S rRNA擴(kuò)增及比對 使用細(xì)菌16s rRNA的保守引物(27F: 5′-AGAGTTTGATCMTGGCTCAG-3′; 1492R: 5′-TACGGYTACCTTGTTACGACTT-3′),挑取少許菌落細(xì)胞,采用PCR擴(kuò)增H002分離物的16 s rRNA基因.反應(yīng)條件:95 ℃預(yù)變性5 min,94 ℃變性30 s,52 ℃退火30 s,72 ℃延伸120 s,30個(gè)循環(huán),最后72 ℃延伸10 min.將PCR產(chǎn)物送擎科生物科技有限公司進(jìn)行DNA測序,并與Ezbiocloud數(shù)據(jù)庫[12]進(jìn)行比對.
2.2.3S.maltophilia生長曲線的測定 在50 mL TGY培養(yǎng)基中接入0.5 mL過夜活化的菌液,將培養(yǎng)基置于200 r/min的搖床中30 ℃培養(yǎng),每隔12 h取1 mL菌液,經(jīng)適當(dāng)稀釋后用酶標(biāo)儀測定600 nm波長處的光密度值,以此表示細(xì)胞密度.然后將培養(yǎng)不同時(shí)間的細(xì)胞密度作圖,繪制細(xì)菌細(xì)胞的生長曲線.
2.2.4 偶氮胂Ⅲ法測定鈾離子濃度 取鈾標(biāo)準(zhǔn)溶液(1.0 g/L),分別稀釋至10 mg/L、20 mg/L、30 mg/L、40 mg/L、50 mg/L,按照1∶1∶1依次加入0.5 N鹽酸、偶氮胂Ⅲ試劑.室溫顯色3 min,用酶標(biāo)儀測量652 nm的光密度值,根據(jù)其OD652的數(shù)值,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線.
2.2.5 H002細(xì)胞吸附鈾的分析測定 將活化后的S.maltophilia按照1%的接種量接入TGY液體培養(yǎng)基中30 ℃,200 r/min擴(kuò)大培養(yǎng)12 h,然后在4 ℃、5 000 r/min離心15 min收集菌體,并用滅菌的1 mmol/L的NaCl溶液洗滌三次,將細(xì)胞重新懸浮于水,調(diào)整細(xì)胞濃度到相當(dāng)于2 g/L干重(測定細(xì)胞含水量約為90%).
然后,在細(xì)胞懸液中加入終濃度分別為200 mg/L、400 mg/L、600 mg/L的U(VI)溶液.將菌、鈾混合物置于30℃,200 r/min條件下吸附24 h.在此期間,定點(diǎn)取樣,10 000 r/min離心2 min去除細(xì)菌細(xì)胞,取上清按照1∶1∶1的比例依次加入0.5 N鹽酸、偶氮胂Ⅲ試劑.室溫顯色3 min,用酶標(biāo)儀測量652 nm的光密度值,根據(jù)其OD652的數(shù)值,按照2.2.4所繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算鈾含量.同時(shí)設(shè)置不加細(xì)胞的對照.按照下列公式計(jì)算鈾的去除率.
鈾的去除率= (對照中鈾濃度-樣品殘留鈾濃度)/對照鈾濃度 × 100%
2.2.6 細(xì)胞不同生長狀態(tài)對鈾吸附的影響 將在TGY中活化后的S.maltophilia細(xì)胞,按照1%的接種量接入TGY液體培養(yǎng)基中,30 ℃,200 r/min進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng),分別在培養(yǎng)8 h、12 h和24 h三個(gè)時(shí)間點(diǎn)離心收集菌體(4℃,5 000 r/min離心15 min),用滅菌的1 mmol/L NaCl溶液洗滌三次洗去殘存培養(yǎng)基.然后配制500 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)鈾溶液,分別與相當(dāng)于干重1 g/L的細(xì)菌細(xì)胞混合.最后將反應(yīng)體系放在30 ℃,200 r/min的條件下作用4 h后測定上清中的鈾含量.
2.2.7 共存離子對鈾吸附的影響 配制標(biāo)準(zhǔn)鈾濃度300 mg/L,分別加入終濃度為1 mmol/L和5 mmol/L的K+、Na+、Mg2+、Mn2+陽離子和CO32-、SO42+、HCO3-陰離子,然后與H002細(xì)胞(相當(dāng)于1 g/L的干重)混合,30 ℃, 200 r/min 反應(yīng)14 h.最后,取樣測定上清中殘余的鈾含量.
2.2.8 不同表面活性劑對鈾吸附的影響 使用鈾濃度為300 mg/L的鈾(Ⅵ)溶液分別配置0.1%和0.5%的SDS、Triton-X100、Tween-80溶液,將S.maltophilia按照1 g/L的干重加入到上述溶液中30 ℃,200 r/min作用14 h,取樣測定殘余鈾濃度.
2.2.9 羧基酯化反應(yīng) 將5.4 mL濃鹽酸和10 mL無水乙醇混合均勻,與相當(dāng)于干重為0.1 g的S.maltophilia細(xì)菌混合,放置于37 ℃搖床中,200 r/min反應(yīng)4 h,再用滅菌的超純水反復(fù)洗滌三次,離心收集細(xì)胞沉淀,再用250 mg/L的U(Ⅵ)溶液重新懸浮,置于37 ℃,200 r/min反應(yīng)24 h,最后取樣,測定上清中殘留的鈾濃度.
2.2.10 氨基乙酰化反應(yīng) 將乙醇和乙酸酐按照10∶1的比例混合,取10 mL混合液加入到相當(dāng)于干重0.1 g的S.maltophilia的細(xì)菌中,混合均勻,置于37 ℃搖床中,200 r/min反應(yīng)4 h,用滅菌的超純水反復(fù)洗滌三次,離心沉淀細(xì)胞,然后與250 mg/L的U (Ⅵ)混合均勻,于37 ℃,200 r/min反應(yīng)24 h,然后取樣測定上清中的鈾濃度.
2.2.11 X射線光電子能譜分析(XPS) 離心收集吸附鈾以后的S.maltophilia細(xì)胞(吸附條件:300 mg/L鈾濃度,1 g/L菌量,12 h培養(yǎng)的細(xì)胞),用超純水洗滌三次,經(jīng)-80 ℃預(yù)凍,-58 ℃抽真空(真空度0.180 mbar)主凍48 h,獲得凍干細(xì)胞樣品,然后使用XSAM800 X射線光電子能譜儀分析.
本實(shí)驗(yàn)室從60Co輻照環(huán)境中分離獲得了142株具有不同輻射抗性的細(xì)菌分離物.為了探討這些抗性細(xì)菌在治理放射性重金屬離子中的應(yīng)用潛力,對這142株細(xì)菌分離物耐受重金屬鈾的能力進(jìn)行了篩選.在接種有細(xì)菌分離物的TGY培養(yǎng)基中,分別加入終濃度為80和150 mg/L的六價(jià)金屬鈾[U(VI)],進(jìn)行了兩輪篩選,發(fā)現(xiàn)只有細(xì)菌分離物H002能夠在不同程度上,耐受測試的2個(gè)鈾濃度.圖1顯示在80 mg/L的U(Ⅵ)脅迫條件下,細(xì)菌分離物H002細(xì)胞的生長動態(tài),從中可以看出,在此濃度的鈾并未抑制H002細(xì)胞的生長.因此,認(rèn)為H002具有耐受U(Ⅵ)的能力.

圖1 H002分離物在80 mg/L鈾脅迫下的生長曲線Fig.1 Growth curves of bacteria isolate H002 under uranium stress (80 mg/L)
為了確定篩選到的細(xì)菌分離物H002的屬種,方便后續(xù)研究,本研究通過測定H002的生理生化特性和16S rRNA序列對H002進(jìn)行了鑒定.利用細(xì)菌16S rRNA保守引物,通過PCR技術(shù),擴(kuò)增出H002全長的16S rRNA序列,并與Ezbiocloud[12]數(shù)據(jù)庫中的序列進(jìn)行比對.結(jié)果如圖2所示,H002的16S rRNA與嗜麥芽糖寡養(yǎng)單胞菌(Stenotrophomonasmaltophilia)聚類在一起,其序列與S.maltophilia MTCC434 (type)的16S rRNA相似度高達(dá)99%以上.因此,根據(jù)16S rRNA序列初步判斷H002的分類學(xué)地位應(yīng)屬于嗜麥芽糖寡養(yǎng)單胞菌(S.maltophilia).

圖2 H002分離物16S rRNA基因序列比對
生物吸附是從液相中去除重金屬離子的一種重要手段,與其它治理重金屬污染的方式相比,更為綠色環(huán)保,具有一定的應(yīng)用前景.為了探討S.maltophiliaH002在去除重金屬離子污染方面的可能性,首先在1.0 g/L干重的初始細(xì)胞懸液中,分別加入終濃度200和600 mg/L的U(Ⅵ),在30 ℃,200 r/min振蕩條件下,測定了細(xì)胞對鈾的吸附動態(tài)(圖3a).在初始的1 h以內(nèi),細(xì)胞吸附鈾的速率快速增加,隨著緩慢降低,4 h后基本達(dá)到平衡.截至8 h,在鈾的初始濃度為200 mg/L條件下,1 g/L干重的H002細(xì)胞能夠基本上去除所有的U(Ⅵ),去除率約為80%;在600 mg/L的鈾溶液下,去除率約30%.隨后,進(jìn)一步分析了H002不同培養(yǎng)時(shí)間的細(xì)胞對吸附鈾的影響(圖3b),不同生長狀態(tài)的細(xì)胞在1 g/L干重菌量和300 mg/L初始鈾濃度的條件下,對U(Ⅵ)的吸附能力存在很大的差異.培養(yǎng)12 h的細(xì)胞,其生物吸附量比培養(yǎng)8 h細(xì)胞的吸附量高了將近2.5倍,比24 h提高約1.5倍.由此可見,在利用微生物細(xì)胞吸附去除重金屬時(shí),應(yīng)考慮細(xì)胞生長特性.
考慮到現(xiàn)實(shí)中的重金屬污染環(huán)境有許多干擾微生物吸附鈾的因素,比如外部現(xiàn)實(shí)環(huán)境中,大多會存在各種陰、陽離子等其它物質(zhì).因此,分析了幾種常見的陰陽離子和表面活性劑對鈾生物吸附的影響,結(jié)果見圖3c.在低濃度下,各種供試的陰、陽離子對H002吸附鈾具有一定的的促進(jìn)作用;但是在高濃度CO32-和HCO31-的條件下,H002細(xì)胞對鈾的吸附量顯著下降,這可能是因?yàn)镃O32-易與UO22+形成絡(luò)合.此外,在供試的三種表面活性劑中,SDS對H002細(xì)胞吸附鈾具有明顯的促進(jìn)作用,無論是在高濃度(0.5%)還是低濃度(0.1%)下,H002細(xì)胞的鈾吸附量均較對照提高了近1倍;但Triton和Tween對H002的吸附影響不大,在低濃度下略有一定的促進(jìn)作用.

圖3 H002對U(Ⅵ)的吸附能力和影響生物吸附的因素(a)H002在不同濃度U(Ⅵ)中的吸附能力, (b)不同生長狀態(tài)對U(Ⅵ)生物吸附的影響,(c)共存離子和表面活性劑對U(Ⅵ)吸附的影響 Fig.3 The biosorption capacity of H002 and the factors affecting the adsorption(a) Adsorption of S.maltophilia H002 on U (Ⅵ) with different concentrations, (b) the influence of different growing status on U(Ⅵ) biosorption, (c) the influence of coexisting ions and surfactant on U(Ⅵ) adsorption
細(xì)菌表面有具有豐富的各種帶電官能團(tuán),比如氨基和羧基.這些官能團(tuán)可能涉及H002細(xì)胞對鈾的吸附.為此,通過酯化反應(yīng)和酰胺化反應(yīng)分別屏蔽H002細(xì)胞表面的氨基和羧基,然后加入鈾,分析了這兩種基團(tuán)對鈾吸附的影響.結(jié)果如圖4a所示,在250 mg/L U(Ⅵ)濃度和同樣的菌量(1 g/L)條件下吸附24 h,屏蔽羧基的H002細(xì)胞對鈾的吸附與對照組相比,其去除率急劇下降;但是屏蔽氨基后,并不影響對鈾的吸附,其去除率相差無幾.這說明羧基在H002菌株對U (Ⅵ)的生物吸附中發(fā)揮了非常重要的作用,而氨基的作用可能很小.

圖4 細(xì)胞表面官能團(tuán)對六價(jià)鈾吸附的影響(a)和XPS能譜分析(b)Control:未處理細(xì)胞;NH-A:氨基乙酰化后的細(xì)胞;CH-E:羧基酯化后的細(xì)胞Fig.4 Effect of functional gruops of cell surface on U(Ⅵ) adsorption (a) and XPS spectra analysis (b)Control: cells without treated; NH-A; cells after amino acetylation; CH-E: cells with carboxylic esterification
X射線光電子能譜(X-ray photoelectron spectroscopy XPS)利用X射線輻射樣品,使樣品原子或分子的內(nèi)層電子受激發(fā)射出來,通過測定這些受激發(fā)的光電子的能量,并結(jié)合脈沖強(qiáng)度即可得到光子能譜圖,通過對光電子能譜圖的分析就可以了解到樣品的化學(xué)組成及化學(xué)狀態(tài)的變化.本研究采用XPS分析了與鈾作用后的H002細(xì)胞以及未吸附鈾的H002細(xì)胞.結(jié)果如圖4b顯示,在吸附鈾的細(xì)胞樣品中,光電子能譜顯示了在U 4f5/2和U 4f7/2兩個(gè)軌道都出現(xiàn)了代表UO22+的特征峰,其結(jié)合能分別為392.70 eV和381.95 eV;相反,未進(jìn)行鈾處理的細(xì)胞樣品中沒有出現(xiàn)明顯的能譜峰.這些結(jié)果證明S.maltophiliaH002細(xì)胞確實(shí)吸附了金屬鈾.
在放射性廢物中,鈾元素因其容易遷移以及能造成長期污染的特性,一直被視為最主要和嚴(yán)重的污染物之一.微生物治理重金屬污染作為一種新興的治理方式,具有更綠色環(huán)保的特點(diǎn).研究微生物與鈾相互作用的機(jī)制,將有助于管理者制定合理的放射性廢物處理策略,以及針對被損害環(huán)境的補(bǔ)救措施.
本實(shí)驗(yàn)室從60Co輻照場分離獲得一批抗輻射的細(xì)菌分離物,經(jīng)過篩選發(fā)現(xiàn)一個(gè)分離物H002具有一定的耐受鈾的能力,經(jīng)生理生化和分子鑒定為S.maltophilia.嗜麥芽糖寡養(yǎng)單胞菌(S.maltophilia)是一種革蘭氏陰性、好氧的細(xì)菌.菌體呈桿狀,極生鞭毛,大小0.7~1.8 × 0.4~0.7 μm, 略小于同屬的其他成員.嗜麥芽糖寡養(yǎng)單胞菌廣泛存在于自然界的水體、土壤或者植物體中,在人的腸道和呼吸道中也有發(fā)現(xiàn)[13].該菌作為一種條件致病菌,能感染免疫功能不全的人群,可造成嚴(yán)重的呼吸道和尿路感染,并且具有很強(qiáng)的耐藥性,是一種臨床治療難度極大的醫(yī)源感染病原菌[14].目前嗜麥芽糖寡養(yǎng)單胞菌主要作為病原微生物.研究其致病性、傳染性、耐藥性和一些流行病學(xué)特征,而涉及其他方面的研究較少.根據(jù)報(bào)道,嗜麥芽糖寡養(yǎng)單胞菌具有耐受并吸附Cd,Pb,Co,Zn,Hg,Ag,鈾酰等重金屬污染的能力[15],有潛力治理重金屬鈾污染.
因此,本實(shí)驗(yàn)將S.maltophiliaH002作為研究材料,著重分析研究了H002分離物對可溶性六價(jià)鈾的吸附,以及共存離子、表面活性劑、細(xì)菌生長狀態(tài)等對鈾吸附的影響,并發(fā)現(xiàn)細(xì)胞表面羧基是吸附鈾的主要官能團(tuán).Ca2+、Mg2+和CO32-會通過與鈾結(jié)合的方式來影響對微生物對鈾的去除[16-17],本研究發(fā)現(xiàn)環(huán)境中CO32-和HCO31-的存在會影響H002對鈾的去除能力,但其他的共存離子(包括Mg2+)不影響H002的去除能力.這可能是因?yàn)镠002并不是通過生物還原的機(jī)制去除鈾,而Ca2+、Mg2+等多是影響生物還原來降低鈾的去除率.十二烷基硫酸鈉(SDS)是一種常見的陰離子表面活性劑,本研究發(fā)現(xiàn),SDS的加入能顯著地促進(jìn)S.maltophiliaH002細(xì)胞對U(Ⅵ)的吸附,無論在低濃度(0.1%)還是在高濃度(0.5%)條件下,均可以將S.maltophiliaH002細(xì)胞對U(Ⅵ)的吸附能力提高一倍以上.有研究表明,部分表面活性劑能夠極大地改變S.maltophilia細(xì)胞表面的脂肪酸組成,增加其中的支鏈酸的含量[18].支鏈酸的增加也許可能提高表面羥基的數(shù)量,從而促進(jìn)H002細(xì)胞對鈾的吸附.
微生物表面的官能團(tuán)能影響自身對鈾的積累,其中很可能涉及到離子交換的過程[8],直接對細(xì)胞表面官能團(tuán)的屏蔽實(shí)驗(yàn)也表明,氨基、羧基、磷酸基團(tuán)在微生物對U(Ⅵ)的吸附過程中發(fā)揮著重要作用.通過電位滴定分析可知氨基和羧基都是U(Ⅵ)的主要結(jié)合位點(diǎn)[19],并且有研究發(fā)現(xiàn)在黑曲霉Aspergillusniger中屏蔽氨基和羧基會顯著的影響它對U(Ⅵ)的吸附[20].在本研究中屏蔽S.maltophiliaH002細(xì)胞表面的羧基導(dǎo)致鈾吸附下降80%,但屏蔽氨基并沒有影響細(xì)胞對U(Ⅵ)的吸附.這說明在S.maltophiliaH002的細(xì)胞表面的羧基官能團(tuán)參與鈾的吸附,但氨基則可能與鈾的互作無關(guān).
本實(shí)驗(yàn)從142株具有輻射抗性的細(xì)菌分離物中篩選獲得了一株能夠穩(wěn)定耐受高濃度鈾的嗜麥芽糖寡氧單胞菌(S.maltophilia) H002菌株,其具有輻射抗性的特點(diǎn)能使其能在具有放射性的實(shí)際污染環(huán)境中更好的發(fā)揮生物吸附作用.本實(shí)驗(yàn)分析研究了H002菌株對可溶性六價(jià)鈾的吸附及影響的因素,發(fā)現(xiàn)在TGY培養(yǎng)基中培養(yǎng)12 h的H002細(xì)胞對鈾具有最強(qiáng)的吸附能力;而且細(xì)胞表面的羧基在鈾的吸附中扮演重要作用.這些分析與實(shí)驗(yàn)為進(jìn)一步研究微生物對重金屬的耐受機(jī)理提供了線索,也為發(fā)展利用微生物治理鈾污染提供了一定的依據(jù).
四川大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2021年5期