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一株耐鹽Cr(Ⅵ)還原菌的分離鑒定和還原特性研究

2023-04-29 21:16:26楊曉宇靳寶林王熙寧白林含
四川大學學報(自然科學版) 2023年1期
關鍵詞:生長環境

楊曉宇 靳寶林 王熙寧 白林含

為解決高無機鹽廢水中的鉻(Chromium,Cr)的六價鉻Cr(Ⅵ)污染問題,從高鹽環境中分離得到一株Cr(Ⅵ)還原菌,命名為KL01,經分子鑒定為墓畫大洋芽孢桿菌(Oceanobacillus picturae),通過對KL01的生理特征分析發現其為一株中度嗜鹽菌.以SEM、TEM結合能譜對Cr(Ⅵ)脅迫下的菌體進行了檢測,發現KL01對Cr僅有少量的胞內吸附,無胞外吸附,且高濃度的Cr(Ⅵ)可使菌體長度增加.通過KL01在不同環境條件還原Cr(Ⅵ)能力的影響研究,發現其在有氧條件下,30 ℃,pH 7.5,NaCl濃度6%時,具有較好的還原Cr(Ⅵ)的效果;當Cr(Ⅵ)濃度為20 mg/L時,對其的還原率可達96%以上.這表明KL01對高鹽環境中的Cr(Ⅵ)具有良好的去除效果,可用于處理高鹽含Cr(Ⅵ)廢水.

鉻污染; 高鹽環境; 墓畫大洋芽孢桿菌; 生物還原

Q93A2023.016004

收稿日期: 2022-05-05

基金項目: 成都市科技項目(2021-YF05-01171-SN); 國家重點研發計劃(2018YFC1802605)

作者簡介: 楊曉宇(1997-), 女, 四川綿陽人, 碩士研究生, 研究方向為資源微生物. E-mail: 2019222040084@stu.scu.edu.cn

通訊作者: 白林含. E-mail: bailinhan@scu.edu.cn

Isolation, identification and reduction characteristics of a salt-tolerant Cr(Ⅵ) reducing strain

YANG Xiao-Yu, JIN Bao-Lin, WANG Xi-Ning, BAI Lin-Han

(Key Laboratory of Bio-Resources and Eco-Environment of Ministry of Education, College of Life Sciences, Sichuan University, Chengdu 610064, China)

In order to solve the problem of hexavalent chromium Cr(Ⅵ) pollution in high inorganic salt wastewater, a strain of Cr(Ⅵ) reducing bacteria, named KL01, was isolated from the hypersaline environment and molecularly identified as Oceanobacillus picturae. The physiological characteristics of KL01 revealed that it is a moderately halophilic strain. The cells under Cr(Ⅵ) stress were examined by SEM and TEM combined with EDS, and it was found that KL01 showed only a small amount of intracellular adsorption of chromium, but no extracellular adsorption and the high concentration of Cr(Ⅵ) caused an increase in the length of the bacteria. Single-factor experiments were conducted to investigate the ability of different environmental conditions on the reduction of Cr(Ⅵ) by KL01. It was found that KL01 had a better Cr(Ⅵ) reduction effect under aerobic conditions, 30 ℃, pH 7.5 and 6% NaCl concentration, and the reduction rate for 20 mg/L Cr(Ⅵ) was above 96%. It was shown that KL01 has a good removal effect on Cr(Ⅵ) in hypersaline environment and can be used for the treatment of Cr(Ⅵ) in the hypersaline wastewater.

Chromium contamination; Hypersaline environment; Oceanobacillus picturae; Bioreduction

1 引 言

自工業化以來,重金屬的污染一直持續影響著水體與土地,其中包括《污水綜合排放標準》[1]中規定的第一類污染物——鉻.鉻常被用于工業生產中,如電鍍廠[2],化工廠[3]和采礦廠[4]等,不當的排放則會導致鉻污染.自然界中,鉻離子的主要存在形式為六價鉻(Cr(Ⅵ))和三價鉻(Cr(Ⅲ)).Cr(Ⅲ)作為一種哺乳動物代謝所需的微量元素,具有一定毒性,但低濃度時不呈現,毒性僅為Cr(Ⅵ)的百分之一[5].且Cr(Ⅲ)化合物可被土壤吸附,形成溶解度極低的沉淀.相反,Cr(Ⅵ)因其極強的水溶性隨廢水排放或經土壤滲透進入地表水,影響到河流及沿岸的生態,甚至通過食物鏈進入人體.Cr(Ⅵ)可破壞生物體的生化代謝,引起氧化和非氧化形式的DNA損傷[5],引起突變.對人體還可誘發皮膚潰瘍、腎衰竭甚至癌癥等.工業上處理含Cr(Ⅵ)廢水常用的物理及化學方法如吸附法[8]、絮凝沉淀法[9]和電化學法[10]等,具有運行成本高、再生工藝復雜及二次污染等不足.

使用微生物來去除Cr(Ⅵ)為含Cr(Ⅵ)廢水的處理提供了一種低成本且環境友好的方法.但由于許多工業廢水中含鹽量較高,大部分除Cr(Ⅵ)菌在高鹽環境下能力受限[11, 12],包括近年來分離出的多株能夠除Cr(Ⅵ)的細菌,如希瓦氏菌(Shewanella oneidensis)[13]、銅綠假單胞桿菌(Pseudomonas aeruginosa)[14]和無色桿菌(Achromobacter)[15]等,均不能耐受高鹽濃度,在處理時必須增加除鹽工序,提高成本.因此,挖掘更多能在高鹽環境中除Cr(Ⅵ)的細菌具有重要的意義.

本研究從高無機鹽環境中分離得到一株Cr(Ⅵ)還原菌KL01,對其進行了分子生物學鑒定,研究了該菌對Cr(Ⅵ)的耐受及還原特性,為微生物治理無機高鹽含Cr(Ⅵ)廢水提供了理論依據及實體資源.

2 材料與方法

2.1 實驗材料

2.1.1 菌株來源 實驗室保存的一株耐鹽菌KL01.

2.1.2 培養基 使用6% NaCl LB培養基,成分為蛋白胨10 g,酵母浸提粉5 g,NaCl 60 g,蒸餾水定容至1000 mL.調pH至7.0,固體培養基含1.5%瓊脂.121 ℃高壓蒸汽滅菌20 min.NaCl量及pH需根據實驗所需鹽濃度和pH微調.

2.2 實驗方法

2.2.1 菌落形態觀察 接種KL01菌株至含鹽的固體LB培養基30 ℃培養2 d后,觀察并記錄菌落形態.

2.2.2 掃描電鏡(SEM)觀察 將KL01在含鹽液體LB培養基中培養后,離心,取沉淀進行洗滌,經戊二醛固定、磷酸緩沖液漂洗、乙醇梯度脫水、臨界點干燥及噴鍍后,上機觀察.

2.2.3 透射電鏡(TEM)觀察 將KL01在含鹽液體LB培養基中培養后,離心,取沉淀使用戊二醛固定、丙酮逐級脫水、Epon812環氧樹脂滲透、包埋、超薄切片及醋酸鈾和枸櫞酸鉛染色后,上機觀察.

2.2.4 16S rDNA鑒定 接種KL01菌株至含鹽LB液體培養基中培養,以煮沸法提取DNA,使用16S rDNA通用引物:27F:5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′;1492R:5′-GGTTACCTTGTTACGACTT-3′,PCR擴增該菌株的16S rDNA序列.將擴增產物送至擎科生物科技有限公司測序,并將結果在NCBI進行上blast比對,使用鄰接法構建系統發育樹.

2.2.5 KL01的最適生長條件和生長曲線 按1∶100接種KL01菌株至梯度pH、梯度鹽濃度的LB培養基中,在不同溫度條件下震蕩培養2 d,平行3個樣本.每12 h取樣一次,使用酶標儀測定OD600 nm.按KL01的最適生長條件對其進行培養,每2 h取樣使用酶標儀測定OD600 nm,繪制KL01的生長曲線.

2.2.6 KL01的耐鹽能力 按1∶100接種KL01菌株至NaCl濃度梯度的LB培養基中,在最適生長溫度下培養48 h,使用分光光度計測定OD600 nm值,檢測菌株是否生長.

2.2.7 KL01的耐Cr(Ⅵ)能力 Cr(Ⅵ)以K2Cr2O7的形式提前配制成1 g/L Cr(Ⅵ)標準貯藏液,使用時稀釋至10 mg/L.按1∶100接種KL01菌株培養基中,再加入Cr(Ⅵ)至梯度終濃度,于2.2.5所得的最適生長條件下培養24 h,使用分光光度計測定OD600 nm值,檢測Cr(Ⅵ)對KL01的最小抑制濃度(MIC).

2.2.8 Cr(Ⅵ)脅迫后KL01的SEM -EDS檢測 將KL01在含不同濃度的Cr(Ⅵ)培養基中在最適生長條件培養48 h后,制樣方法同2.2.2,上機進行掃描電鏡-X射線能譜(SEM-EDS)檢測.

2.2.9 Cr(Ⅵ)脅迫后KL01的TEM-EDS Mapping檢測 將KL01在含175 mg/L Cr(Ⅵ)培養基中在最適生長條件培養48 h后,制樣方法同2.2.3,上機進行TEM-EDS Mapping檢測.

2.2.10 KL01的馴化培養 將KL01菌株接種入初始濃度為100 mg/L Cr(Ⅵ)的含鹽培養基中,每日加入Cr(Ⅵ)標液及新鮮培養基,逐步濃度增加至350 mg/L,馴化培養15 d.

2.2.11 KL01的除Cr(Ⅵ)能力 按1∶100接種KL01菌株培養基中,再加入Cr(Ⅵ)至終濃度為20、40、60、80和100 mg/L,于最適生長條件下培養48 h,體系中Cr(Ⅵ)的濃度按國標GB/T 7467-1987[16]中的二苯碳酰二肼法測定,計算Cr(Ⅵ)去除率.Cr(Ⅵ)去除率=(Cr(Ⅵ)初始濃度-測得的剩余Cr(Ⅵ)濃度)/ Cr(Ⅵ)初始濃度 × 100%.

2.2.12 溫度對KL01去除Cr(Ⅵ)的影響 將KL01按1∶100接種入含20 mg/L Cr(Ⅵ)的最適生長條件下的培養基中,每個梯度設置3個重復,于25、30和35 ℃的溫度下培養48 h,測定體系中Cr(Ⅵ)濃度,計算去除率.

2.2.13 pH對KL01去除Cr(Ⅵ)的影響 將KL01按1∶100接種入含20 mg/L Cr(Ⅵ)的,pH為6.5~9.0培養基中,每個梯度設置3個重復,于最適生長條件下培養48 h,測定體系中Cr(Ⅵ)濃度,計算去除率.

2.2.14 鹽濃度對KL01去除Cr(Ⅵ)的影響 將KL01按1∶100接種入含20 mg/L Cr(Ⅵ)的,鹽濃度為4%~14%培養基中,每個梯度設置3個重復,于最適生長條件下培養48 h,測定體系中Cr(Ⅵ)濃度,計算去除率.

3 結果與分析

3.1 形態特征

KL01菌落(圖1a)在固體培養基上呈奶白色,圓形,直徑約2 μm,邊緣波紋狀不整齊.由SEM觀察到,菌體平均長度約為2.4 μm,表面光滑,呈桿狀(圖1b).由TEM觀察到菌體質壁清晰分明,胞質較均勻(圖1c).

3.2 分子鑒定結果

KL01的16S rDNA序列經NCBI網站BLAST工具比對后,使用ClustalW進行多序列比對,采用鄰接法(Neighbor-Joining法)構建系統發育樹(圖2).可見KL01與Oceanobacillus picturae SQA-14(序列登錄號:MT110647.1)在同一分支中,相似性為99.93%,鑒定為墓畫大洋芽孢桿菌(Oceanobacillus picturae).其所屬的大洋桿菌屬(Oceanobacillus)曾被發現存在于韓國傳統發酵食品辣醬中,芽孢桿菌可能產生抗生素抑制酵母菌的生長,控制發酵的產氣量[17].

3.3 KL01的最適生長條件及生長曲線

KL01在不同溫度、pH及鹽濃度下的生長情況如圖3a~3c所示.KL01在35 ℃和37 ℃下初始生長速度較快,但會快速進入衰退期.而在25 ℃下KL01雖能保持較長的生長期,但生長速度緩慢,故KL01的最適生長溫度為30 ℃.KL01在pH為7.0時的生長狀態最好,但在6.5 ~ 9.0的環境中都能生存.KL01在鹽濃度過高(8%)或過低(0%~3%)時生長菌受到一定的抑制,而在4%~7%的鹽濃度下的生長情況差異不大,在6%鹽濃度時的生長狀態最好,屬于中度嗜鹽菌.綜上,KL01的最適生長條件為30 ℃,pH 7.0,鹽濃度6%.

將KL01在最適生長條件下培養后,測定OD600 nm值并繪制了KL01的生長曲線,見圖3 d.KL01菌株生長的前8 h為延遲期,8 h時進入對數生長期,14 h時為菌株生長最活躍的時期,至20 h時進入穩定期.

3.4 KL01的抗逆性分析

3.4.1 KL01的耐鹽性 在高鹽濃度下,KL01的生長情況如圖4a所示.KL01在6%~16%的鹽濃度下可以生長,但在14%鹽濃度下的生長已受到強烈抑制,在18%鹽濃度下則完全被抑制.

3.4.2 KL01的耐Cr(Ⅵ)能力 KL01在不同濃度的Cr(Ⅵ)下的生長情況如圖4b所示,隨Cr(Ⅵ)濃度增加,OD600 nm值逐漸降低,表明Cr(Ⅵ)抑制了細菌的生長.KL01在200 mg/L Cr(Ⅵ)濃度下OD600 nm為0.37,仍可生長,但在225 mg/L Cr(Ⅵ)下培養后OD600 nm為0.15(<0.2),說明已嚴重抑制了細菌的生長,繼續提升濃度至250 mg/L后,KL01的生長幾乎完全被抑制,即Cr(Ⅵ)對中度嗜鹽菌KL01的MIC為225 mg/L.

3.5 Cr(Ⅵ)脅迫后KL01的SEM-EDS檢測

受Cr(Ⅵ)脅迫后的KL01菌體的SEM顯微圖見圖5,在掃描電鏡觀察區域中隨機選擇3個區域,每個區域隨機選擇5個統計菌體長度.發現在100 mg/L Cr(Ⅵ)下,少部分菌體長度達到5 μm;在125 mg/L Cr(Ⅵ)下,菌體長度普遍在3~5 μm;在175 mg/L Cr(Ⅵ)下,菌體的平均長度甚至可以達到5~7 μm.相較于脅迫前的菌體,在含Cr(Ⅵ)環境下生長的菌體長度明顯變長.但KL01菌體表面始終保持光滑,未見吸附有塊狀物.結合EDS分析(圖6),無論KL01在20 mg/L還是100 mg/L Cr(Ⅵ)下,菌體表面的鉻原子百分比均小于0.05(表1),說明KL01表面不吸附Cr(Ⅵ).

3.6 Cr(Ⅵ)脅迫后KL01的TEM - EDS Mapping檢測

在175 mg/L的Cr(Ⅵ)環境下培養后,對KL01進行了TEM觀察及TEM-EDS Mapping檢測.TEM觀察圖像見圖7,高Cr(Ⅵ)脅迫后KL01部分菌體破裂,內容物流出.完整菌體內部胞質部分可見清晰黑點,分布較均勻,經TEM-EDS Mapping后據Cliff Lorimer進行定量分析,發現菌體內部含有少量鉻(表2),據Mapping圖像(圖8)可見這些鉻均勻分布于胞質中,未在胞壁或質膜上集中分布.

3.7 KL01去除Cr(Ⅵ)能力

KL在馴化前后的除Cr(Ⅵ)能力如圖所示圖9a,在馴化前,KL01在2 d內對Cr(Ⅵ)的去除量為96.09%.經馴化后,KL01在2 d內對Cr(Ⅵ)的去除量為96.55%,除Cr(Ⅵ)效率有所提高.而KL01對于更高濃度的Cr(Ⅵ)時的處理效果并不理想,在40 mg/L時去除率僅有46%左右(圖9b).

3.8 不同因素對KL01除Cr(Ⅵ)的影響

3.8.1 溫度對KL01除Cr(Ⅵ)的影響 溫度對KL01除Cr(Ⅵ)的影響如圖10a,選擇了與KL01最適生長溫度30 ℃及附近的25 ℃和35 ℃進行實驗.發現在30 ℃時KL01的除Cr(Ⅵ)效果最好,提高或降低培養溫度至25 ℃和35 ℃時,KL01對Cr(Ⅵ)的去除效果均大幅降低.

3.8.2 pH對KL01除Cr(Ⅵ)的影響 如圖10b所示,pH對于KL01除Cr(Ⅵ)的影響較小.在pH為7.5時除Cr(Ⅵ)效果最好,在pH小于等于7.0或大于等于8.0的情況下,KL01對Cr(Ⅵ)的去除效果稍差.在pH 9.0的環境下KL01對Cr(Ⅵ)的還原率仍可達88.28%,說明KL01具有在偏堿環境下除Cr(Ⅵ)的能力.

3.8.3 鹽濃度對KL01除Cr(Ⅵ)的影響 以KL01能夠生存的4%至14%的鹽濃度設計了實驗,鹽濃度對于KL01還原Cr(Ⅵ)的影響見圖10c.在KL01的最適生長鹽濃度6%下,對Cr(Ⅵ)的去除效果最好,為97.51%.隨體系內鹽濃度增加,KL01的除Cr(Ⅵ)率逐漸降低,鹽濃度在4%和8%時對Cr(Ⅵ)的去除率分別為85.44%和88.28%,說明KL01具有在高鹽環境下仍然具有一定的除Cr(Ⅵ)的能力.但在更高的鹽濃度下,KL01的除鉻能力已低于80%,受到嚴重影響.

4 討 論

本研究從實驗室中分離到了一株耐鹽Cr(Ⅵ)還原菌Oceanobacillus picturae KL01,其最高可耐受200 mg/L Cr(Ⅵ)和16%的鹽濃度,具有良好的耐Cr(Ⅵ)及耐鹽能力.馴化后的KL01能在48 h內其最適生長條件(6%鹽濃度)下,對20 mg/L Cr(Ⅵ)的還原率在96%以上,能夠在高NaCl濃度下的有氧環境中去除Cr(Ⅵ).使用SEM對KL01在高濃度Cr(Ⅵ)環境下脅迫后的菌體進行觀察發現KL01菌體表面無塊狀吸附物,且菌體長度明顯變長.在菌體長度增加這點上,與假單胞桿菌G1DM21(Pseudomonas sp.G1DM21)在Cr(Ⅵ)環境下培養后的觀察到的變化一致[18],表現為阻滯細胞正常的生長周期,干擾了正常的細胞分裂[19],說明了高濃度Cr(Ⅵ)對于細胞的毒性.由SEM-EDS可檢測到無論在高濃度還是低濃度的Cr(Ⅵ)環境下,KL01菌體表面均無鉻的存在,不進行體外吸附.通過TEM觀察了KL01脅迫后的內部情況,發現胞質部分可見均勻分布的黑點,經TEM-EDS Mapping進一步檢測后確定為胞內吸附的少量鉻.同時,還使用單因素法考察了不同環境因素對于KL01還原Cr(Ⅵ)的影響,發現其在30 ℃,pH 7.5,鹽濃度6%時,具有較好的除Cr(Ⅵ)效果.溫度對于其Cr(Ⅵ)還原能力影響較大,在25 ℃和35 ℃下的除Cr(Ⅵ)率較30℃時大幅降低.鹽濃度在4%~8%時,KL01對Cr(Ⅵ)的去除率維持在85%以上,在高鹽濃度下仍然能很好的去除體系中的Cr(Ⅵ).而這正好對應著目前很大一部分高鹽含Cr(Ⅵ)廢水的鹽濃度[20, 21],體現了其應用在工業廢水除Cr(Ⅵ)中的優勢.pH對于KL01的Cr(Ⅵ)還原效果影響并無其他因素大,在pH 6.5~8.5下均有較好的效果,這意味著KL01在有氧條件下鹽堿環境中也能很好地發揮其功能.

綜上所述,本文分離得到了一株Cr(Ⅵ)還原菌KL01,對高無機鹽及高Cr(Ⅵ)環境具有耐受性,能在有氧、高鹽濃度、中性偏堿環境下對Cr(Ⅵ)進行還原,為微生物處理高鹽含Cr(Ⅵ)廢水的研究提供了理論依據.

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