路德維希腸桿菌EM1對(duì)二氯喹啉酸和Cd2+復(fù)合污染的修復(fù)

徐淑霞,杜文濤,王曉雅,張繼冉,趙 培,吳 坤

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路德維希腸桿菌EM1對(duì)二氯喹啉酸和Cd2+復(fù)合污染的修復(fù)

徐淑霞,杜文濤,王曉雅,張繼冉,趙 培,吳 坤*

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)微生物酶工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南鄭州 450002)

為解決稻田水體環(huán)境中農(nóng)藥與重金屬的復(fù)合污染問題,利用掃描電鏡、傅里葉紅外光譜等分析技術(shù),研究了路德維希腸桿菌()EM1對(duì)二氯喹啉酸-Cd2+復(fù)合污染的修復(fù)機(jī)理.結(jié)果表明,EM1能在以二氯喹啉酸為單一碳源的條件下對(duì)Cd2+進(jìn)行吸附.在溫度為35℃,pH為6.0的條件下培養(yǎng)7d,EM1對(duì)50mg/L的二氯喹啉酸和Cd2+的降解及吸附率達(dá)到最大,分別為30%和60%.掃描電鏡結(jié)果表明,復(fù)合修復(fù)過程中菌體形態(tài)發(fā)生變化,菌體表面分泌大量胞外聚合物.紅外掃描分析顯示,脅迫條件下菌體細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化,菌株降解二氯喹啉酸和吸附Cd2+的過程主要與菌體表面的羥基、酰胺基、糖環(huán)中的C-O-C及脂肪族化合物有關(guān).

二氯喹啉酸；Cd；路德維希腸桿菌EM1；吸附；復(fù)合污染

復(fù)合污染是指兩種或兩種以上污染物存在于同一環(huán)境介質(zhì)中所引起的污染.近年來,由于人類生活質(zhì)量的提高和工農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展導(dǎo)致了不同種類的有機(jī)化合物(除草劑、塑料、單寧、多酚等)和無機(jī)化合物(鎘、銅、鉛、鉻、汞等)進(jìn)入環(huán)境并共存,形成復(fù)合污染.有機(jī)和無機(jī)化合物的復(fù)合污染是一種普遍的全球問題.多種不同污染物共存時(shí),往往會(huì)相互作用和影響,從而改變彼此的環(huán)境行為和生態(tài)毒性[1].二氯喹啉酸作為一種特效選擇性生長激素類除草劑,半衰期較長難以降解,導(dǎo)致此類農(nóng)藥在土壤及水體中大量殘留[2-3],嚴(yán)重影響水稻等作物的產(chǎn)量和品質(zhì).Cd2+在電鍍工業(yè)和冶金工業(yè)中應(yīng)用廣泛,Cd2+被人和動(dòng)物吸收后,選擇性地在肝臟和腎臟中蓄積,嚴(yán)重?fù)p傷腎小管,從而引起糖尿、蛋白尿等一系列癥狀[4].農(nóng)藥與重金屬復(fù)合污染是我國水體和土壤環(huán)境中普遍存在的污染形式并對(duì)農(nóng)產(chǎn)品安全和人體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅.因此,必須重視土壤復(fù)合污染問題,探索經(jīng)濟(jì)高效的復(fù)合污染修復(fù)技術(shù),為國家糧食安全及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ).

微生物修復(fù)技術(shù)由于具有對(duì)污染物降解徹底、無二次污染、費(fèi)用低、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)正成為人們研究的熱點(diǎn).目前,二氯喹啉酸和重金屬Cd2+在環(huán)境中的殘留與安全性逐漸被人們所重視,但對(duì)其殘留毒害的研究和處理還處于探索階段,相關(guān)報(bào)道較少.范俊等[5]在長期施用二氯喹啉酸的土壤中分離篩選出了一株細(xì)菌QC06,并確定了該菌株在二氯喹啉酸濃度為50mg/L、pH 7.0、溫度30℃的最佳降解條件下,培養(yǎng)至第7d對(duì)二氯喹啉酸的降解率可達(dá)95.31%; Polti等[6]則分離出五株能夠同時(shí)去除重金屬Cd2+和農(nóng)藥林丹的放線菌,其中放線菌M7對(duì)兩種污染物的去除率都較高,達(dá)40%左右; Olaniran[7]調(diào)查了鉛和汞的存在下微生物對(duì)1,2-二氯乙烷在土壤中降解產(chǎn)生負(fù)面的影響,并發(fā)現(xiàn)生物刺激對(duì)1,2-二氯乙烷微生物降解產(chǎn)生積極的影響.

目前,國內(nèi)外對(duì)有機(jī)污染物和重金屬單一污染的研究較多,而針對(duì)水體中二氯喹啉酸和重金屬Cd2+復(fù)合污染生物修復(fù)方面的研究報(bào)道還比較少.本研究以實(shí)驗(yàn)室前期分離的路德維希腸桿菌()EM1為出發(fā)菌株,該菌在降解二氯喹啉酸的同時(shí)高效吸附重金屬Cd2+,研究EM1降解二氯喹啉酸和吸附重金屬Cd2+的最佳條件以及機(jī)理,以期為除草劑和重金屬復(fù)合污染的生物修復(fù)實(shí)踐提供理論依據(jù)和技術(shù)支持.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 實(shí)驗(yàn)菌株 路德維希腸桿菌EM1,由實(shí)驗(yàn)室分離篩選得到.

無機(jī)鹽培養(yǎng)基(g/L):K2HPO41.0,NaH2PO41.0,CaCl2×H2O 0.02,MgSO4×7H2O 0.2,NH4NO31.0, FeCl3×3H2O 0.05,pH 7.0.

LB培養(yǎng)基(g/L):NaCl 10.0,胰蛋白胨10.0,酵母浸粉5.0,pH值7.0.

1.1.2 試驗(yàn)儀器 2695型高效液相色譜儀,美國waters公司;原子吸收分光光度計(jì),日本HITACHI Co公司;JSM.6490LV掃描電子顯微鏡,德國Hettick公司;VERTEX70傅里葉變換紅外光譜,美國waters公司.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 溫度對(duì)EM1吸附Cd2+及降解二氯喹啉酸的影響 實(shí)驗(yàn)分別在兩組裝有50mL無機(jī)鹽培養(yǎng)基的250mL錐形瓶中進(jìn)行,分別添加二氯喹啉酸、CdCl2,使其初始濃度均為50mg/L(含Cd2+培養(yǎng)基中添加0.1%的葡萄糖作為碳源),調(diào)pH值為7.0,接種處于對(duì)數(shù)期的菌種,分別于25℃、30℃、35℃、40℃和45℃條件下振蕩培養(yǎng)7d.高效液相色譜、原子吸法分別測定溶液中二氯喹啉酸和Cd2+的濃度,確定菌株EM1吸附Cd2+及降解二氯喹啉酸的最佳溫度.

1.2.2 pH值對(duì)EM1吸附Cd2+及降解二氯喹啉酸的影響 在裝有50mL無機(jī)鹽培養(yǎng)基的250mL錐形瓶中分別添加二氯喹啉酸、CdCl2,使其初始濃度均為50mg/L(含Cd2+培養(yǎng)基中添加0.1%的葡萄糖作為碳源),調(diào)pH值分別為5.0、6.0、7.0、8.0、9.0,接種處于對(duì)數(shù)期的菌種,35℃條件下,振蕩培養(yǎng)7d,測定二氯喹啉酸和Cd2+的濃度,確定EM1吸附Cd2+及降解二氯喹啉酸的最佳pH值.

1.2.3 EM1對(duì)不同濃度Cd2+及二氯喹啉酸復(fù)合污染的降解 在裝有50mL無機(jī)鹽培養(yǎng)基的250mL錐形瓶中添加二氯喹啉酸和CdCl2,Cd2+的初始濃度均為50mg/L,二氯喹啉酸初始濃度分別為50,100,200mg/L,調(diào)pH值為7.0,35℃條件下振蕩培養(yǎng)12d,每天取樣,測定溶液中二氯喹啉酸和Cd2+的濃度.

1.2.4 EM1對(duì)二氯喹啉酸-Cd2+復(fù)合污染的解吸 復(fù)合修復(fù)實(shí)驗(yàn)在含有50mg/L二氯喹啉酸的無機(jī)鹽培養(yǎng)基中進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)組中Cd2+的初始濃度分別為50,100,200mg/L, 35℃條件下振蕩培養(yǎng)7d,每天取樣一次.以添加0.1%葡萄糖但不添加CdCl2的無機(jī)鹽培養(yǎng)基作為對(duì)照.

1.2.5 掃描電鏡分析 分別取于二氯喹啉酸初始濃度均為50mg/L,Cd2+的初始濃度分別為50,100,200mg/L的無機(jī)鹽培養(yǎng)基中,35℃條件下振蕩培養(yǎng)7d的菌懸液(以在不添加任何試劑的無機(jī)鹽培養(yǎng)基中生長的菌體作空白對(duì)照),離心(8000r/min,5min)后加入新鮮的2.5%戊二醛溶液固定2~4h[8].固定后的菌體離心(8000r/min,5min),棄上清,磷酸緩沖液清洗3次,乙醇梯度脫水, 30%、50%、70%、85%、95%各一次,100%乙醇脫水2次,每次10~20min.乙酸異戊酯置換2次,每次20min.處理后的菌體干燥,噴金.

1.2.6 紅外光譜分析 取于二氯喹啉酸初始濃度均為50mg/L,Cd2+的初始濃度分別為50、100、200mg/L的無機(jī)鹽培養(yǎng)基中, 35℃條件下振蕩培養(yǎng)7d的菌懸液(以在不添加任何試劑的無機(jī)鹽培養(yǎng)基中生長的菌體作空白對(duì)照),菌體離心干燥后與KBr粉末混和均勻研磨成細(xì)粉[9],細(xì)粉填入壓片模具在壓片機(jī)中壓制成透明薄片,于FTIR樣品倉進(jìn)行測定.

1.3 檢測方法

二氯喹啉酸濃度的測定:樣品離心(10000r/ min,15min,4℃)后,上清液經(jīng)0.45μm濾膜過濾,HPLC色譜檢測.HPLC色譜條件:50mm× 4.0mm,5μm,C18柱,流動(dòng)相為(甲醇):(1%冰乙酸)=60:40,流速1mL/min,檢測波長240nm,柱溫35℃.

Cd2+濃度的測定:樣品離心(10000r/min, 15min,4℃),上清經(jīng)2%的稀硝酸稀釋定容后,利用原子吸收分析儀檢測.

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對(duì)EM1吸附Cd2+及降解二氯喹啉酸性能的影響

溫度是微生物在生長代謝過程中最基本的環(huán)境因素.圖1顯示在溫度為25~45℃的范圍內(nèi),菌株EM1均可對(duì)Cd2+及二氯喹啉酸進(jìn)行不同程度的吸附和降解,且隨著溫度的升高,吸附率和降解率也隨之增大.當(dāng)溫度為35℃時(shí),吸附率和降解率達(dá)到最大,分別為90%和41%.溫度在菌體吸附重金屬離子時(shí)起到很重要的作用,溫度會(huì)影響細(xì)胞壁的穩(wěn)定性及結(jié)合位點(diǎn)表面官能團(tuán)的電離,從而影響微生物吸附重金屬的過程[10].隨著溫度的升高,當(dāng)溫度為45℃時(shí)吸附率則下降為30%,這表明溫度升高條件下,細(xì)菌細(xì)胞壁表面結(jié)構(gòu)基團(tuán)的變化及金屬結(jié)合位點(diǎn)活性的降低,可能是導(dǎo)致吸附率下降的原因.同樣在菌株EM1 對(duì)二氯喹啉酸的降解過程中,隨著溫度的升高,二氯喹啉酸的降解率也出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì),當(dāng)溫度為45℃時(shí),降解率僅為12%.以上結(jié)果表明,菌體吸附Cd2+和降解二氯喹啉酸的最適溫度為35℃.

2.2 pH值對(duì)EM1吸附Cd2+及降解二氯喹啉酸性能的影響

微生物在生長過程中需要適宜的pH值范圍,pH值過高或過低均會(huì)影響菌體的生長.圖2結(jié)果表明,pH值對(duì)菌體吸附Cd2+和降解二氯喹啉酸的影響較大,酸性和堿性的條件均會(huì)降低菌體對(duì)Cd2+的吸附率和二氯喹啉酸的降解率.在重金屬被吸附的過程中氫離子濃度是一個(gè)重要的因素,生物吸附能力取決于生物量的多少及菌體表面所帶電荷可與金屬離子位點(diǎn)結(jié)合的多少[11].當(dāng)溶液體系中pH值較低時(shí),H+濃度較高,從而形成大量的H3O+占據(jù)菌體表面大多數(shù)的金屬結(jié)合位點(diǎn),抑制Cd2+與相關(guān)基團(tuán)的結(jié)合,進(jìn)而導(dǎo)致吸附率降低.隨著pH值的升高.當(dāng)pH值為6.0時(shí),生物質(zhì)表面官能團(tuán)的離解度增加,靜電相互作用增強(qiáng),生物質(zhì)表面的負(fù)電荷也隨之增多,因此促進(jìn)了對(duì)帶正電的Cd2+的富集.隨著pH值的進(jìn)一步升高,當(dāng)pH值為9.0時(shí),Cd2+的富集率降低為43%,這可能是由于pH值偏堿性時(shí),Cd2+與溶液中的OH-形成沉淀,進(jìn)而導(dǎo)致Cd2+吸附率的降低.而在菌株EM1對(duì)二氯喹啉酸的降解過程中,pH值同樣可以通過改變細(xì)胞質(zhì)膜的透性、膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及電離性影響菌體細(xì)胞對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收,從而影響微生物的生長速率及酶的活性,進(jìn)而影響菌株EM1對(duì)二氯喹啉酸的降解.綜上,菌株EM1的生長適合偏酸性的環(huán)境,對(duì)Cd2+吸附和二氯喹啉酸降解的最適pH值分別為6.0和7.0.

2.3 菌株EM1對(duì)不同濃度Cd2+的吸附及二氯喹啉酸的降解

任何一種具有去除污染物能力的微生物都會(huì)對(duì)相應(yīng)的污染物表現(xiàn)出一定的耐受能力.圖3顯示,在不同濃度條件下,菌體培養(yǎng)到第7d時(shí),對(duì)Cd2+的吸附率和二氯喹啉酸的降解率均達(dá)到最大.當(dāng)Cd2+初始濃度為50mg/L時(shí),菌株EM1對(duì)重金屬Cd2+的吸附效果最好,吸附率為90%.當(dāng)Cd2+濃度逐漸增大時(shí),吸附效果緩慢下降,可能是高濃度的Cd2+對(duì)菌株EM1產(chǎn)生毒害作用,逐漸抑制其生長,從而影響重金屬Cd2+的吸附.重金屬吸附率的高低還與細(xì)菌的吸附位點(diǎn)及飽和度有關(guān).當(dāng)Cd2+的初始濃度較低時(shí),微生物的吸附位點(diǎn)未達(dá)到飽和,去除率較高.隨著Cd2+濃度的增加,吸附逐漸達(dá)到飽和,導(dǎo)致去除率降低.對(duì)于二氯喹啉酸的降解,當(dāng)二氯喹啉酸初始濃度為50mg/L時(shí),菌株EM1對(duì)二氯喹啉酸的降解效果最好,降解率為40%.當(dāng)二氯喹啉酸濃度增大時(shí),降解效果下降,可能是高濃度的二氯喹啉酸對(duì)菌體產(chǎn)生毒害作用,抑制其生長,從而影響二氯喹啉酸的降解.以上結(jié)果表明,菌株EM1對(duì)Cd2+和二氯喹啉酸均表現(xiàn)出一定的耐受能力,且對(duì)兩種污染物的最適耐受濃度均為50mg/L,較高的Cd2+和二氯喹啉酸濃度會(huì)導(dǎo)致菌體蛋白質(zhì)變性,降低細(xì)菌體內(nèi)與生長代謝有關(guān)的酶活性,從而抑制菌體的生長和代謝,影響細(xì)菌的生長.

2.4 復(fù)合修復(fù)時(shí)EM1對(duì)二氯喹啉酸的降解和Cd2+的吸附

復(fù)合修復(fù)結(jié)果如圖4和圖5所示.當(dāng)二氯喹啉酸和Cd2+初始濃度均為50mg/L時(shí), EM1對(duì)二氯喹啉酸和Cd2+的降解和吸附效果最好,分別為30%和60%.當(dāng)二氯喹啉酸濃度保持不變,Cd2+濃度逐漸增大時(shí), EM1對(duì)二氯喹啉酸的降解和Cd2+的吸附效果緩慢下降.Cd2+濃度為100mg/L時(shí),EM1對(duì)二氯喹啉酸和Cd2+的降解和吸附率分別為30%和42%.Cd2+濃度為200mg/L時(shí),降解和吸附率分別為6%和10%.這可能是由于脅迫作用的增強(qiáng),高濃度的Cd2+對(duì)菌株EM1產(chǎn)生毒害作用,逐漸抑制其生長,也可能是二氯喹啉酸和Cd2+復(fù)合污染對(duì)細(xì)菌的生長代謝產(chǎn)生協(xié)同抑制作用,從而對(duì)二氯喹啉酸的降解和Cd2+的吸附產(chǎn)生較大的影響.復(fù)合修復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, EM1能在以二氯喹啉酸為單一碳源的條件下對(duì)Cd2+進(jìn)行吸附,進(jìn)而達(dá)到復(fù)合修復(fù)的效果.

2.5 EM1復(fù)合修復(fù)前后的形態(tài)變化

二氯喹啉酸和Cd2+同時(shí)存在時(shí),EM1的降解和吸附前后菌體電鏡掃描結(jié)果如圖6所示.圖6a為對(duì)照組,6b、6c、6d中二氯喹啉酸的濃度為50mg/L,Cd2+的濃度分別為50,100,200mg/L.

從圖6a對(duì)照組可以看出,菌體呈短桿狀,細(xì)胞形態(tài)規(guī)則,表面飽滿,胞外無明顯的分泌物.在二氯喹啉酸和Cd2+脅迫條件下,菌體細(xì)胞開始出現(xiàn)嚴(yán)重的褶皺變形(b、c、d),周圍出現(xiàn)大量的絮狀分泌物,并伴隨菌體之間的成簇聚集現(xiàn)象.隨著脅迫作用的增強(qiáng),胞外分泌物增加,聚集作用更加明顯.有研究表明胞外多聚物在抵抗外界重金屬脅迫過程中具有重要作用,它不僅為重金屬離子提供眾多的結(jié)合位點(diǎn),同時(shí)也是其進(jìn)入細(xì)胞的一道選擇性屏障[12-13].在本研究中EM1可能通過菌體表面分泌的絮狀多聚物對(duì)自身形成保護(hù)屏障,進(jìn)而阻止外界有毒物質(zhì)尤其是重金屬離子的進(jìn)入,從而緩解復(fù)合脅迫引起的毒性損傷,保證菌體存活.因此推測,圖6中出現(xiàn)的絮狀或片狀分泌物為EM1降解二氯喹啉酸和吸附Cd2+時(shí)產(chǎn)生的有機(jī)分泌物(多糖、胞外酶或少量蛋白質(zhì)).

a: 對(duì)照; b:50mg/L的二氯喹啉酸+50mg/L的 Cd2+;c: 50mg/L的二氯喹啉酸+100mg/L的 Cd2+;d:50mg/L的二氯喹啉酸+ 200mg/L的Cd2+

2.6 復(fù)合修復(fù)前后EM1的紅外光譜分析

紅外吸收光譜主要是由于分子的振動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷產(chǎn)生的吸收,而分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)決定于分子的原子組成、空間分布及化學(xué)鍵性質(zhì)等分子結(jié)構(gòu)與組成的特征.利用物質(zhì)對(duì)紅外光的吸收可對(duì)待測物進(jìn)行定性、定量及結(jié)構(gòu)的分析,因此通過傅里葉紅外光譜能夠識(shí)別細(xì)菌吸附重金屬前后細(xì)菌細(xì)胞壁主要官能團(tuán)的變化[14].常用的紅外光譜的范圍主要在波數(shù)為4000~400cm-1的中紅外光譜區(qū),該區(qū)域主要能級(jí)躍遷類型為分子中基團(tuán)振動(dòng)和分子轉(zhuǎn)動(dòng),大多數(shù)有機(jī)物和無機(jī)物的化學(xué)鍵的基頻吸收均在此譜區(qū)內(nèi),是有機(jī)物結(jié)構(gòu)及定性分析應(yīng)用較多的區(qū)域.

紅外光譜圖如圖7所示.光譜圖顯示菌體所含組分復(fù)雜,在4000~400cm-1范圍內(nèi)均有吸收. 4000~2500cm-1區(qū)域主要為 X—H含氫基團(tuán)的伸縮振動(dòng).圖中,在3600~3200cm-1范圍內(nèi)出現(xiàn)較寬的吸收帶并于3432cm-1處有最大吸收峰,該寬峰來自于O—H的伸縮振動(dòng),主要由菌體中的糖類、脂肪酸等組分貢獻(xiàn)[15].復(fù)合修復(fù)后3432cm-1處的羥基峰出現(xiàn)大約10cm-1的紅移且鋒型寬化,吸收強(qiáng)度增強(qiáng),這表明部分羥基參與了Cd2+的吸附過程,使O—H鍵長增加,振動(dòng)峰紅移.2927與2959cm-1處的峰分別來自于有機(jī)物中的—CH3、—CH2基團(tuán),是比較典型的脂碳鏈中C—H鍵的伸縮振動(dòng)吸收帶,該峰的出現(xiàn)能夠直觀的反映出菌體細(xì)胞壁及細(xì)胞膜組分中親水及親脂物質(zhì)的信息[16];2400~2100cm-1為叁鍵和累積雙鍵區(qū),主要包括C≡C、C≡N、C=C=C、O=C=O鍵的伸縮振動(dòng),與其它區(qū)域相比實(shí)驗(yàn)組在該范圍內(nèi)有明顯的新峰出現(xiàn),而本研究中菌體所利用的碳源,二氯喹啉酸是一類具有芳香性的雜環(huán)化合物其開環(huán)產(chǎn)物的基團(tuán)振動(dòng)形式與該區(qū)域基團(tuán)頻率區(qū)的吸收譜帶相符,因此推測該處新峰的出現(xiàn)可能與吸附在菌體表面的二氯喹啉酸的分解代謝產(chǎn)物有關(guān);1500~400cm-1區(qū)域主要為C—C,C—O,C—N, C—X等(碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂類)伸縮振動(dòng)和含氫基團(tuán)的彎曲振動(dòng);1648cm-1處的吸收峰來自酰胺Ⅰ帶,是C=O的伸縮振動(dòng);1542cm-1處的峰譜為酰胺Ⅱ帶,是C—N的伸縮振動(dòng)與N—H的彎曲振動(dòng)[17];1396cm-1處的峰則為酰胺Ⅲ帶,是N—H的彎曲振動(dòng)和C—N的伸縮振動(dòng)引起的,可能還有羧基C—O的伸縮振動(dòng)及P=O、C=S的伸縮振動(dòng)的貢獻(xiàn),其中酰胺Ⅰ帶與酰胺Ⅱ帶的譜峰為蛋白質(zhì)的特征性峰帶[18]; 1238cm-1處的峰主要由C=S、S=O、P=O等重原子的雙鍵伸縮振動(dòng)引起;1066cm-1處的峰為糖類的特征峰,吸收峰由糖環(huán)的C—O—C伸縮振動(dòng)引起[19].當(dāng)Cd2+的濃度增大時(shí)該處的峰型寬化,尖而窄且強(qiáng)度增強(qiáng).電鏡結(jié)果顯示隨著Cd2+濃度的升高,胞外分泌物增加,由此可知脅迫過程中菌體胞外分泌大量的多糖類物質(zhì)參與重金屬的吸附過程從而達(dá)到復(fù)合修復(fù)的目的;615cm-1處的峰來自脂肪族化合物[20],由C—Cl、C—Br和C—I的伸縮振動(dòng)引起,紅外光譜圖顯示隨著脅迫作用的增強(qiáng)該處峰的吸收強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)且鋒型銳化表明脂肪族化合物也參與了菌體的復(fù)合修復(fù).

圖7 EM1對(duì)二氯喹啉酸和Cd2+復(fù)合修復(fù)前后的紅外光譜

Fig.7 FTIR spectra of the strain EM1grow in quinclorac and heavy metal Cd2+before and after the restoration

a:對(duì)照; b:50mg/L二氯喹啉酸+50mg/L Cd2+;c: 50mg/L二氯喹啉酸+100mg/L Cd2+;d: 50mg/L二氯喹啉酸+200mg/L Cd2+

通過對(duì)紅外光譜圖的分析可知,復(fù)合體系除在2400~2100cm-1的叁鍵和累積雙鍵區(qū)有明顯的新峰出現(xiàn)外,實(shí)驗(yàn)組的紅外光譜峰形基本一致,一些特征峰只在部分波段吸收位置和強(qiáng)度發(fā)生了變化(3432、1648、1542、1066及615cm-1處發(fā)生紅移)出現(xiàn)波峰強(qiáng)弱的區(qū)別.以上結(jié)果表明: EM1在降解二氯喹啉酸和吸附Cd2+的復(fù)合修復(fù)過程中菌體表面的羥基、酰胺基、糖環(huán)中的C-O-C及脂肪族化合物是吸附、螯合或絡(luò)合金屬離子的主要活性基團(tuán).

3 結(jié)論

3.1 EM1能夠以二氯喹啉酸為唯一碳源,且對(duì)Cd2+進(jìn)行吸附.對(duì)Cd2+吸附和二氯喹啉酸降解的最適溫度為35℃,最適pH值分別為6.0和7.0.單一污染條件下EM1對(duì)50mg/L Cd2+及二氯喹啉酸的吸附率和降解率最高分別為92%和41%.復(fù)合修復(fù)時(shí),當(dāng)二氯喹啉酸的初始濃度為50mg/L,重金屬Cd2+的初始濃度分別為50、100、200mg/L時(shí), EM1對(duì)Cd2+和二氯喹啉酸的吸附率和降解率分別為60%和30%,42%和30%,10%和6%.

3.2 掃描電鏡結(jié)果顯示,對(duì)照組中菌株EM1呈短桿狀,表面光滑,菌體分散,個(gè)體形態(tài)明顯,細(xì)胞間無胞外物質(zhì)相連.復(fù)合修復(fù)過程中菌體形態(tài)差異明顯,菌體周邊產(chǎn)生大量的胞外分泌物,并伴隨著嚴(yán)重的集聚現(xiàn)象.

3.3 紅外光譜圖的分析結(jié)果表明,菌株EM1降解二氯喹啉酸和吸附Cd2+后,細(xì)胞成分及整體結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化,紅外光譜圖的峰型基本保持一致,只是一些特征峰的吸收位置和強(qiáng)度發(fā)生了變化,參與吸附作用的為菌株EM1表面的羥基,酰胺基,糖環(huán)中的C—O—C及脂肪族化合物.

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Bioremediation of the combined pollution of quinclorac and Cd2+byEM1.

XU Shu-xia, DU Wen-tao, WANG Xiao-ya, ZHANG Ji-ran, ZHAO Pei, WU Kun*

(Key Laboratory of Enzyme Engineering, College of life sciences, Henan Agricultural University, Zhengzou 450002, China)., 2017,37(8)：3159~3165

Basing on the study of degradation and adsorption characteristics of quinclorac and cadmium, bacteria EM1 was used as the test strain. The interaction mechanism of quinclorac-Cd2+combined pollution withEM1was investigated by using SEM and FTIR analytical techniques. The experimental results showed that the strains could adsorb Cd2+with quinclorac as the sole carbon source. After 7d culture at a temperature of 35℃, pH 6.0, the degradation and adsorption of quinclorac and Cd2+in 50mg/L reached the maximum, which were 30% and 60% respectively. The SEM results showed that in the process of composite repair the morphology of the cells was changed and a large number of extracellular polymeric substances were secreted in the cell surface. Infrared scanning analysis showed that the changes had not taken place in the cell walls under the stress condition. Hydroxy, aminoacyl, carbon-oxygen- carbon bond in the sugar ring and the aliphatic compounds were confirmed to be the key functional groups for the strain to biodegrade quinclorac and adsorb Cd2+.

quinclorac；Cd；EM1；biosorption；combined pollution

X172

A

1000-6923(2017)08-3159-07

徐淑霞(1971-),女,河南靈寶人,副教授,博士,主要從事環(huán)境污染物的微生物轉(zhuǎn)化和修復(fù)研究.發(fā)表論文42篇.

2016-12-21

河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(152102110054);河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(15A180005);河南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃(15IRTSTHN014)

* 責(zé)任作者, 教授, wukun63@126.com