胡佳月,張國強,韓小強,楊德松
(石河子大學農(nóng)學院/新疆綠洲農(nóng)業(yè)病蟲害治理與植保資源利用自治區(qū)普通高校重點實驗室,新疆石河子832000)
二甲戊靈降解細菌的篩選、鑒定及其降解特性研究
胡佳月,張國強,韓小強,楊德松*
(石河子大學農(nóng)學院/新疆綠洲農(nóng)業(yè)病蟲害治理與植保資源利用自治區(qū)普通高校重點實驗室,新疆石河子832000)
采用富集培養(yǎng)法,從新疆棉田土壤中分離篩選二甲戊靈高效降解菌株,研究不同培養(yǎng)條件對二甲戊靈降解的影響,以期為二甲戊靈污染土壤的治理提供依據(jù)。結(jié)果表明,經(jīng)平板法初篩獲得9株高度耐受二甲戊靈的降解細菌,其中,菌株JY-2和JY-5在3 d后對100 mg/L二甲戊靈的降解率在75%以上。此2株細菌經(jīng)形態(tài)觀察和16S rDNA序列分析,被初步鑒定為沙雷氏菌(Serratia sp.)和假單胞菌(Pseudomonas sp.)。2株細菌均能在以二甲戊靈為唯一碳源的無機鹽培養(yǎng)基中生長,其在外加碳源量0.5%、菌株接種量10%、初始二甲戊靈質(zhì)量濃度200 mg/L、pH值7.0、溫度30℃的最佳培養(yǎng)條件下振蕩培養(yǎng)3 d,對二甲戊靈的降解率分別可達83.34%和82.79%。可見,此2株細菌有較強的適應能力,能高效、快速地降解二甲戊靈。
二甲戊靈;降解細菌;篩選;鑒定;降解特性
二甲戊靈(pendimethalin)是一種低毒、高效的二硝基苯胺類除草劑,廣泛應用于棉花、大豆、蔬菜等多種作物田防除1年生禾本科雜草[1-2]。二甲戊靈作為一種優(yōu)秀的旱田作物選擇性除草劑[3],在新疆棉田除草劑的使用中占有很高的比例。據(jù)統(tǒng)計,2015年新疆棉花種植面積約為226萬hm2,每年向農(nóng)田中投放二甲戊靈量約為6.78×106kg,二甲戊靈的大量投入已使土壤環(huán)境受到普遍污染。農(nóng)藥具有生物積累性和生物放大性的特點,嚴重威脅著人體健康和農(nóng)業(yè)、生態(tài)安全[4-5]。因此,研究二甲戊靈在土壤中的污染狀況及其降解行為對新疆農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
二甲戊靈的降解機制主要包括光降解和生物降解,其中微生物降解是降低有害化合物的最佳策略[6-7]。目前,對二甲戊靈殘留降解的研究愈來愈受到關(guān)注,已經(jīng)報道的能夠降解二甲戊靈的微生物主要有褐球固氮菌(Azotobacter chroococcum)、環(huán)狀芽孢桿菌(Bacillus circulans)、青霉屬(Penicillium)、曲霉屬(Aspergillus)等細菌和真菌[8-11]。迄今,國內(nèi)有關(guān)二甲戊靈降解微生物的研究相對較少,主要集中在土壤和培養(yǎng)基條件下的微生物降解方面[12-13]。為豐富我國二甲戊靈降解微生物的菌種資源,從長期施用二甲戊靈的棉田土壤中定向篩選二甲戊靈高效降解菌株,并對其降解特性進行研究,旨在為干旱區(qū)農(nóng)業(yè)中二甲戊靈污染土壤的治理與修復提供理論依據(jù)。
1.1 試驗材料
1.1.1 供試土壤土壤采自新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第八師145團連續(xù)施用5 a二甲戊靈農(nóng)藥的棉田,取土深度0~20 cm,土壤的理化性質(zhì)為:有機質(zhì)29.15 g/kg、全氮1.56 g/kg、速效磷43.50 mg/kg、速效鉀140.58 mg/kg。將土壤過2 mm篩,風干后4℃冰箱保存。
1.1.2 供試藥劑33%二甲戊靈乳油由天津京津農(nóng)藥廠生產(chǎn),95%二甲戊靈標準品由山東華陽農(nóng)藥化工集團有限公司生產(chǎn),丙酮和二氯甲烷均為分析純。
1.1.3 供試培養(yǎng)基無機鹽培養(yǎng)基:NH4NO31.0 g、MgSO4·7H2O 0.2 g、KH2PO40.5 g、(NH4)2SO40.5 g、NaCl 0.5 g、K2HPO41.5 g、蒸餾水1 000 mL,pH值7.0~7.2。富集培養(yǎng)基:蛋白胨10.0 g、葡萄糖1.0 g、KH2PO41.0 g、NaCl 1.0 g、蒸餾水1 000 mL,pH值7.0。基礎(chǔ)固體培養(yǎng)基: NH4NO31.0 g、MgSO40.5 g、(NH4)2SO40.5 g、KH2PO40.5 g、K2HPO41.5 g、NaCl 0.5 g、蒸餾水1 000 mL、瓊脂20 g,pH值7.0。牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基:牛肉膏5.0 g、蛋白胨10.0 g、NaCl 5.0 g、蒸餾水1 000 mL,pH值7.2。
1.2 試驗方法
1.2.1 二甲戊靈降解菌株的分離與鑒定取供試土壤樣品10 g,加入到90 mL含二甲戊靈100 mg/L的富集培養(yǎng)基中,置于30℃、180 r/min搖床上振蕩培養(yǎng),7 d后取富集培養(yǎng)液按10%的接種量(V∶V)接種到含二甲戊靈200 mg/L的富集培養(yǎng)基中培養(yǎng),如此連續(xù)轉(zhuǎn)接并提高二甲戊靈質(zhì)量濃度到5 000 mg/L。取最終富集培養(yǎng)液,采用稀釋涂平板法分離獲得單菌落,并在選擇性固體培養(yǎng)基(基礎(chǔ)培養(yǎng)基按需加入二甲戊靈,以二甲戊靈作為唯一碳源)上進一步純化。逐漸提高培養(yǎng)基中二甲戊靈的質(zhì)量濃度進行壓力篩選,選取生長良好的菌株編號保存。通過顯微鏡拍照觀察、革蘭氏染色以及16S rDNA同源性分析等方法對供試菌株進行鑒定。
PCR采用細菌16S rDNA的通用引物,序列如下:27F為5'-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3',1492R為5'-GGTTACCTTGTTACGACTT-3'。PCR反應體系(25 μL):PCR Taq Mix 12.5 μL、10 μmol/L 27F 1 μL、10 μmol/L 1492R 1 μL、模板DNA 0.5 μL、ddH2O 10 μL。PCR反應條件:94℃預變性4 min;94℃變性40 s,55℃退火30 s,72℃延伸1 min,共30個循環(huán);最后72℃延伸10 min。反應結(jié)束后,采用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR反應產(chǎn)物。將PCR反應產(chǎn)物委托上海生工生物工程有限公司進行純化和測序,將測序的結(jié)果在GenBank數(shù)據(jù)庫中進行BLAST比對,獲取相關(guān)菌株的16S rDNA序列,比較分析測試菌株與現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫中相關(guān)菌株對應序列的同源性,采用DNAMAN 6.0軟件構(gòu)建系統(tǒng)進化樹。
1.2.2 細菌降解二甲戊靈試驗將供試菌株單菌落接種至牛肉膏蛋白胨液體培養(yǎng)基中,然后在30℃、180 r/min搖床上培養(yǎng)24 h作為種子液。向無機鹽培養(yǎng)基中按需添加適量二甲戊靈制備降解培養(yǎng)基。以10%的接種量將種子液接種至含二甲戊靈100 mg/L的降解培養(yǎng)基中,在30℃、180 r/min搖床上培養(yǎng)3 d后,取培養(yǎng)液檢測二甲戊靈殘留量,并計算降解率。每個菌株重復3次,以不接菌處理作為空白對照(CK)。
將篩選得到的降解能力較強的菌株,按照上述接種方法以10%的接種量分別接種到含二甲戊靈200、500 mg/L的降解培養(yǎng)基中,分別繪制不同時間的二甲戊靈降解曲線,進一步對該菌株的降解能力進行檢測。
1.2.3 二甲戊靈的檢測取降解菌液5 mL轉(zhuǎn)入分液漏斗中,加入飽和NaCl溶液10 mL后混勻;用二氯甲烷萃取3次,取下層有機相置于圓底燒瓶中,并加入無水硫酸鈉去除有機相中水分;40℃減壓濃縮近干,用丙酮定容至5 mL,過0.22 μm濾膜,高效氣相色譜檢測,條件如下。
色譜柱:HP-5色譜柱,30.0 m×320 μm× 0.25 μm;溫度:柱溫200℃,氣化室280℃,檢測器室300℃;氣體流速:(載氣)氫氣25 mL/min,氮氣30 mL/min,空氣300 mL/min;進樣量:1.0 μL。該色譜條件下,二甲戊靈保留時間約為3.618 min。
以5、50、250 mg/L 3個質(zhì)量濃度重復5次的方式添加二甲戊靈,回收率為94.18%~96.22%,相對標準偏差在3.01%~9.82%,滿足檢測要求。按照下式計算二甲戊靈相對降解率。
式中:X為二甲戊靈的相對降解率;CX為接菌處理培養(yǎng)液中二甲戊靈質(zhì)量濃度(mg/L);CCK為未接菌處理培養(yǎng)液中二甲戊靈質(zhì)量濃度(mg/L)。
1.2.4 細菌降解二甲戊靈條件的優(yōu)化
1.2.4.1 二甲戊靈質(zhì)量濃度向不含二甲戊靈的無機鹽培養(yǎng)基中加入33%二甲戊靈乳油,使二甲戊靈的初始質(zhì)量濃度分別為100、200、300、500、1 000 mg/L,按10%的體積接種細菌后培養(yǎng)3 d,取樣測定培養(yǎng)基中二甲戊靈的降解率。
1.2.4.2 接種量分別按1%、3%、5%、10%、15%的接種量,將供試菌液接種至含二甲戊靈200 mg/L的降解培養(yǎng)基中,3 d后取樣測定培養(yǎng)基中二甲戊靈的降解率。
1.2.4.3 外加碳源量向無機鹽培養(yǎng)基中分別添加0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的蔗糖作為外加碳源,并添加200 mg/L的二甲戊靈,按照10%的菌株接種量接種后搖床培養(yǎng)3 d,測定二甲戊靈的降解率。
1.2.4.4 初始pH值向無機鹽培養(yǎng)基中添加0.5%的蔗糖、200 mg/L的二甲戊靈后,調(diào)整K2HPO4和KH2PO4的比例,控制培養(yǎng)基的pH值分別在5、6、7、8、9,按照10%的菌株接種量接種后搖床培養(yǎng)3 d,測定二甲戊靈的降解率。
1.2.4.5 溫度向無機鹽培養(yǎng)基中添加0.5%的蔗糖、200 mg/L的二甲戊靈,并控制培養(yǎng)基的初始pH值為7,按照10%的菌株接種量接種后,分別于25、30、35℃下振蕩培養(yǎng),3 d后取樣測定二甲戊靈的降解率。
2.1 二甲戊靈降解菌株的篩選
經(jīng)平板法初篩,獲得9株高度耐受且可快速降解二甲戊靈的菌株。如圖1所示,該9株菌在降解培養(yǎng)基中對100 mg/L二甲戊靈產(chǎn)生了很好的降解效果。其中,菌株JY-2和JY-5對二甲戊靈的降解能力顯著高于其他菌株,降解率分別高達84.69%和77.30%;其余7株降解菌的降解率為33.60%~60.05%。因此,選擇菌株JY-2和JY-5進行進一步研究。
圖1 9株菌對二甲戊靈的降解率
2.2 降解菌對二甲戊靈的降解速率
高效降解菌株對200 mg/L和500 mg/L二甲戊靈的降解動態(tài)如圖2所示,二甲戊靈的消解動力學方程及相關(guān)參數(shù)見表1。由圖2A可見,將菌株JY-2接種于含200 mg/L二甲戊靈的培養(yǎng)液中24 h,二甲戊靈質(zhì)量濃度從193.50 mg/L降到95.54 mg/L,降解率達50.63%;48 h時,接種JY-2和JY-5處理的二甲戊靈質(zhì)量濃度分別為55.52mg/L和66.74 mg/L,降解率分別為71.30%和65.50%,之后,降解緩慢;與對照9.63 d的半衰期相比,JY-2和JY-5處理的二甲戊靈半衰期分別縮短了88.60%和83.39%(表1)。由表1和圖2B可見,當二甲戊靈質(zhì)量濃度為500 mg/L時,施入降解菌后,二甲戊靈降解的半衰期由16.50 d縮短為1.65~1.88 d;1 d時,接入細菌JY-2的處理,二甲戊靈質(zhì)量濃度從473.19 mg/L降到257.62 mg/L,降解率為45.56%,而細菌JY-5對二甲戊靈的降解率為37.11%;前5 d降解速率比較快,隨著時間的推移,菌株對二甲戊靈的降解速率變緩,7 d時二甲戊靈的殘留量分別為26.84 mg/L和46.04 mg/L,9 d時,與對照36.96%的降解率相比,降解菌對二甲戊靈的降解率已達95%以上。
2.3 二甲戊靈降解菌株的鑒定
菌株JY-2菌落為白色、黏性、表面光滑、不透明、中心顆粒狀、邊緣褶皺,革蘭氏染色陰性;菌株JY-5菌落為棕綠色、大小不一、扁平濕潤、中心有凹陷、邊緣不規(guī)則呈傘狀伸展,革蘭氏染色陰性(圖3)。
圖2 二甲戊靈的降解動態(tài)
表1 二甲戊靈的消解動力學方程及相關(guān)參數(shù)
圖3 菌株JY-2和JY-5的形態(tài)學特征
如圖4所示,從JY-2和JY-5菌株中擴增出的16S rDNA片段大小均為1 500 bp左右。將測序得到的序列在NCBI網(wǎng)站中進行BLAST比對發(fā)現(xiàn),JY-2和JY-5菌株分別與嗜線蟲沙雷氏菌(Serratia nematodiphila)和銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)的16S rDNA序列相似度高達99%。系統(tǒng)進化樹分析結(jié)果(圖5)也表明,JY-2和JY-5分別與S.nematodiphila和P.aeruginosa的親緣關(guān)系最近。結(jié)合形態(tài)學分析,最終確定菌株JY-2和JY-5分別歸屬于沙雷氏菌(Serratia sp.)和假單胞菌(Pseudomonas sp.)。
圖4 菌株JY-2和JY-5 16S rDNA的PCR產(chǎn)物電泳圖譜
2.4 培養(yǎng)條件對細菌降解二甲戊靈效果的影響
2.4.1 二甲戊靈質(zhì)量濃度圖6顯示,2株菌對二甲戊靈的降解率與其質(zhì)量濃度的關(guān)系非常相似。隨培養(yǎng)液中二甲戊靈質(zhì)量濃度的升高,降解率逐漸降低;在二甲戊靈質(zhì)量濃度為300 mg/L和500 mg/L時,兩菌株的降解率無顯著差異,均在50%左右;隨著二甲戊靈質(zhì)量濃度繼續(xù)升高,降解率顯著降低,二甲戊靈質(zhì)量濃度為1 000 mg/L時,JY-2和JY-5的降解率僅有25.87%和30.44%。二甲戊靈作為一種復雜的化合物,低質(zhì)量濃度時菌株體內(nèi)的降解酶活性較高,有利于其降解;而達到一定質(zhì)量濃度后菌株生長受到抑制,降解率下降[13]。
圖5 菌株JY-2和JY-5基于16S rDNA序列的系統(tǒng)發(fā)育樹
圖6 二甲戊靈質(zhì)量濃度對細菌降解效果的影響
2.4.2 接種量接種量也可影響菌株對二甲戊靈的降解率。在1%~15%時,隨菌株接種量的增加,二甲戊靈的降解率呈現(xiàn)先增后降的趨勢(圖7)。當接種量達到10%時,降解效果最佳,細菌JY-2和JY-5對二甲戊靈的降解率分別為83.94%和78.91%。進一步增加接種量,降解率并未提高。接種量為15%時,菌株JY-2對二甲戊靈的降解率輕微下降,但不顯著;而菌株JY-5對二甲戊靈的降解率卻顯著降低至64.63%。
圖7 不同菌株接種量對細菌降解效果的影響
2.4.3 外加碳源量向培養(yǎng)基中加入一定量的速效碳源后,二甲戊靈的降解率呈現(xiàn)先增后降的趨勢(圖8)。未添加蔗糖時,菌體數(shù)量少,細菌JY-2和JY-5對二甲戊靈的降解率分別為74.16%和60.60%;添加1.0%蔗糖時,JY-2對二甲戊靈的降解率達到最高,為91.91%;而向JY-5處理中添加0.5%蔗糖時,其對二甲戊靈的降解率達到最高,為88.19%。
2.4.4 初始pH值以蔗糖為外加碳源,將菌株分別接種于不同pH值的培養(yǎng)液中,測定不同pH值環(huán)境下細菌對二甲戊靈的降解效果(圖9)。細菌降解的適宜pH值在6~9,表明此范圍的pH值對菌株的降解水平影響不大。從圖9可以看出,JY-2和JY-5兩菌株在中性培養(yǎng)液中對二甲戊靈的降解率均較高,分別為84.55%和86.01%;相比較而言,菌株JY-5對酸堿脅迫的適應性較強,其對二甲戊靈的降解率較JY-2菌株高;在pH值為5的酸性環(huán)境中,與其他pH值相比,細菌對二甲戊靈的降解水平顯著降低。
圖8 外加碳源量對細菌降解效果的影響
圖9 初始pH值對細菌降解效果的影響
2.4.5 溫度從圖10可以看出,25℃時,JY-2和JY-5兩株菌對二甲戊靈的降解率分別為48.17%和46.75%,30℃和35℃時,兩菌株對二甲戊靈的降解率顯著增加,表明溫度適當升高有利于微生物的生長及其對二甲戊靈的代謝轉(zhuǎn)化;兩菌株在30℃環(huán)境中,3 d內(nèi)對200 mg/L二甲戊靈的降解率分別達83.34%和82.79%,此溫度為最適降解溫度;繼續(xù)升溫至35℃時,細菌對二甲戊靈的降解率下降,但依然在60%以上,表明細菌可以耐受35℃高溫。
圖10 溫度對細菌降解效果的影響
微生物對農(nóng)藥的降解是土壤中農(nóng)藥最主要也是最徹底的凈化途徑,微生物修復技術(shù)是一項十分經(jīng)濟實用環(huán)保的技術(shù)[14-15],獲得高效降解菌株則是開展修復工作的前提[16]。本試驗采用富集培養(yǎng)的方法,從受二甲戊靈農(nóng)藥污染的棉田土壤中定向篩選獲得9株高度耐受二甲戊靈且具備降解能力的細菌菌株,采用高效氣相色譜法對其降解能力進行檢測,確定了2株高效降解菌JY-2和JY-5,通過常規(guī)形態(tài)學鑒定和16S rDNA序列分析,將其初步鑒定為沙雷氏菌(Serratia sp.)和假單胞菌(Pseudomonas sp.),此2株細菌在3 d內(nèi)對100 mg/L二甲戊靈的降解率在75%以上,同時,其能耐受和降解高質(zhì)量濃度(500 mg/L)的二甲戊靈,9 d內(nèi)對二甲戊靈的降解率可達95%以上。朱魯生等[13]從土壤和污泥中分離篩選到二甲戊靈高效降解菌株HB-1,經(jīng)鑒定其為假單胞菌,該研究結(jié)果與本研究中菌株JY-5的研究結(jié)果相似,說明假單胞菌是一類具有二甲戊靈降解特性的細菌,沙雷氏菌在苯胺類除草劑殘留降解研究中還未見報道,但其在其他有機物降解的過程中已嶄露頭角[17]。
相關(guān)的研究指出,農(nóng)藥的微生物降解會受到不同環(huán)境因素的影響,例如溫度、pH值、含氧量、農(nóng)藥殘留量、速效碳源含量等[18-19]。微生物降解農(nóng)藥的實質(zhì)是酶促反應,高溫或低溫均會影響酶的活性,所以適宜的溫度尤為重要,通常微生物生長的pH值為4~9,酸堿環(huán)境會對菌體生長產(chǎn)生脅迫,本研究表明,細菌JY-2和JY-5降解二甲戊靈的適宜pH值在6~9,適宜溫度為30℃,這與朱魯生等[20]對細菌HB-7的最佳培養(yǎng)條件研究結(jié)果一致,表明二甲戊靈降解細菌耐受偏堿環(huán)境。通常情況下,有機碳源含量越高,微生物的生長量越大,農(nóng)藥降解量越大[21]。林愛軍等[12]對3株高效降解二甲戊靈真菌的降解特性進行研究,結(jié)果表明,在外加碳源量為0.5%~1.0%時,真菌生長量和降解率達到最大,本試驗結(jié)果與其一致。分析原因,可能是由于無外加碳源時,細菌生長量較低;當加入適量速效碳源后,細菌生長量增加,降解酶產(chǎn)量增高,從而使降解率提高[22],但當碳源濃度進一步加大,細菌會優(yōu)先利用外加碳源生長,從而降低對二甲戊靈的利用率。此外,底物濃度對微生物的生長及降解有顯著的影響,一般來說,充足的底物作為碳源可以促進微生物生長,提高降解量,但如果不易降解的有機污染物濃度過高,則會產(chǎn)生抑制作用[23],目前報道的農(nóng)藥降解微生物大多數(shù)在農(nóng)藥質(zhì)量濃度為250 mg/L時降解明顯受到抑制作用[24]。本研究中,在外加碳源量0.5%、菌株接種量10%、底物質(zhì)量濃度200 mg/L、pH值7.0、溫度30℃的培養(yǎng)條件下,JY-2和JY-5兩株細菌均表現(xiàn)出了較好的降解水平,3 d內(nèi)對二甲戊靈的降解率分別可達83.34%和82.79%。
本研究經(jīng)過大量的前期工作篩選獲得了2株二甲戊靈高效降解菌株,并明確了其最佳降解條件,為二甲戊靈農(nóng)藥污染土壤的生物修復提供了參考和依據(jù),但仍需要對降解菌的蛋白質(zhì)組學和基因組學進行研究,進一步分析降解菌的降解機制,另外,利用掃描電鏡對降解菌進行表面觀測等大量基礎(chǔ)工作也需要開展。
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Screening,Identification and Degradation Characterization of Pendimethalin Degrading Bacteria
HU Jiayue,ZHANG Guoqiang,HAN Xiaoqiang,YANG Desong*
(College of Agronomy,Shihezi University/Key Laboratory at Universities of Xinjiang Uygur Autonomous Region for Oasis Agricultural Pest Management and Plant Protection Resource Utilization,Shihezi 832000,China)
To provide the basis for the treatment of soil contaminated by pendimethalin,the efficient strains degrading pendimethalin were screened out by enrichment culture method from Xinjiang cotton field soil and the effects of different culture conditions were studied.The results showed that nine strains highly tolerant to pendimethalin were obtained from the soil by flat plate method,in which two strains(JY-2 and JY-5)in culture fluid could degrade more than 75%of 100 mg/L pendimethalin after 3 days.By morphological observation and 16S rDNA sequence analysis,the two bacterial strains were identified as Serratia sp.and Pseudomonas sp.,respectively.In addition,the strains could utilize pendimethalin as sole carbon source for growth,and under the optimum culture conditions of 0.5%carbon source,10% inoculum,200 mg/L pendimethalin,pH 7.0 and temperature 30℃,the pendimethalin degradation rates of the two strains could respectively reach 83.34%and 82.79%.Obviously,these two strains had a strong ability to adapt the environment,and the degradation for pendimethalin was highly efficient and rapid.
pendimethalin;degrading bacteria;screening;identification;degradation characteristics
X592
A
1004-3268(2017)07-0064-07
2017-01-12
科技部國際合作項目(2015DFA11660);國家科技支撐計劃項目(2007BAC20B04)
胡佳月(1993-),女,河北秦皇島人,在讀碩士研究生,研究方向:農(nóng)藥毒理學。E-mail:924492541@qq.com
*通訊作者:楊德松(1977-),男,安徽滁州人,副教授,博士,主要從事農(nóng)藥環(huán)境毒理學研究。E-mail:yds_agr@shzu.edu.cn