陳 琳, 李祖明*, 劉彥霞, 倪 芳, 白志輝, 高麗萍
(1. 北京聯(lián)合大學(xué) 生物化學(xué)工程學(xué)院,北京 100191;2. 中國科學(xué)院 生態(tài)環(huán)境研究中心, 北京 100085)
枯草芽胞桿菌屬于革蘭陽性菌[1],呈短桿狀,可以運(yùn)動(dòng),沒有莢膜[2]。該菌生長快速,不具備致病性,所需營養(yǎng)簡(jiǎn)單,可產(chǎn)生耐熱性高、抗逆性強(qiáng)的芽胞,能在極端的外部環(huán)境條件下存活,易于保藏、儲(chǔ)存和繁殖,分布廣泛,不僅存在于植物體表、根際、土壤等外界環(huán)境中,也屬于常見的植物內(nèi)生細(xì)菌,發(fā)酵作用良好,可分泌多種抗生素和蛋白酶,已成為芽胞桿菌中應(yīng)用潛力較大的菌種,受到國內(nèi)外學(xué)者普遍關(guān)注[3-5]。Zouari等[6]發(fā)現(xiàn)枯草芽胞桿菌SPB1可以產(chǎn)生生物表面活性劑;Norgaard等[7]發(fā)現(xiàn)枯草芽胞桿菌可以產(chǎn)生氨基酸;Lee等[8]發(fā)現(xiàn)枯草芽胞桿菌可以降解組胺;Seenivasan等[9]發(fā)現(xiàn)枯草芽胞桿菌可以被用作益生菌促進(jìn)羅氏沼蝦的生長發(fā)育和能量利用;宋聰?shù)萚10]以枯草芽胞桿菌J18進(jìn)行冬棗采后黑斑病的防治,濃度為1×108cfu/mL 的菌液對(duì)病害的防效為80.67%??莶菅堪麠U菌3728制劑對(duì)小麥白粉病、玉米銹病的防治效果接近三唑酮,具有很好的應(yīng)用開發(fā)前景[11]。長期使用化學(xué)殺菌劑,會(huì)引起病原菌抗藥性增強(qiáng)、環(huán)境污染和果品農(nóng)藥殘留等嚴(yán)重問題[12-13]。毒死蜱即O,O-二乙基-O-(3,5,6-三氯-2-吡啶基)硫代磷酸酯[14],作為一種廣譜性殺蟲劑,已廣泛應(yīng)用于全球農(nóng)業(yè)中,是中國和美國等國家使用最普遍的一類有機(jī)磷農(nóng)藥[15-16]。然而研究發(fā)現(xiàn)毒死蜱與神經(jīng)發(fā)育不良、自身免疫紊亂、氧化應(yīng)激和DNA損傷等有關(guān)[17-19],它的大量使用對(duì)動(dòng)植物產(chǎn)生了許多不利的影響,因其產(chǎn)生的食品安全問題已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注[20]。大量研究證明微生物對(duì)土壤和水中的有機(jī)磷農(nóng)藥均有很好的降解作用,且不會(huì)造成二次污染[21]。微生物降解是解決食品農(nóng)藥殘留問題的有效措施之一[22]。對(duì)毒死蜱進(jìn)行微生物降解,因其生態(tài)友好性、底物特異性、成本低廉性[23],成為去除食品和地表水中毒死蜱一種可靠有效的方法[15-24]。Harishankar等[25]發(fā)現(xiàn)腸道菌群能降解毒死蜱;孟慶林等[26]發(fā)現(xiàn)洋蔥伯克霍爾德菌能降解毒死蜱,降解率可達(dá)69.87%;李珣等[27]發(fā)現(xiàn)菌株CJC-3能使毒死蜱的降解率高達(dá)76.03%;Liu等[28]發(fā)現(xiàn)寡養(yǎng)單孢菌YC-1也能降解毒死蜱。芽胞桿菌也可以用來降解毒死蜱,已報(bào)道的芽胞桿菌有蠟樣芽胞桿菌[29-30]、側(cè)芽胞桿菌[31]和短小芽胞桿菌[32],但鮮見有關(guān)枯草芽胞桿菌降解毒死蜱的文獻(xiàn)報(bào)告,僅羅鑫等[33]從水稻土壤中分離獲得1株降解毒死蜱的枯草芽胞桿菌,未見從蔬菜上分離可降解毒死蜱枯草芽胞桿菌的文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。本文研究了1株從油菜葉面分離的枯草芽胞桿菌對(duì)毒死蜱的降解特性。
1.1.1 菌株 從油菜葉面上分離篩選出來的枯草芽胞桿菌(Bacillussubtilis)3374菌株,將其編號(hào)為GU086422,保藏于中國微生物菌種保藏管理委員會(huì)普通微生物中心,保藏編號(hào):CGMCC No. 3374。
1.1.2 試劑 毒死蜱乳油,寶靈化工股份有限公司(江蘇);毒死蜱標(biāo)準(zhǔn)液,中國計(jì)量科學(xué)研究院;甲醇(HPLC級(jí))、OCEANPAK等。
1.1.3 培養(yǎng)基 菌種活化培養(yǎng)基、種子培養(yǎng)基、發(fā)酵培養(yǎng)基(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%):胰蛋白胨1,酵母提取物0.5,氯化鈉1,pH 6.8 ~ 7.2;菌種保藏培養(yǎng)基再加1.5 ~ 2的瓊脂;121 ℃滅菌30 min。
1.2.1 菌株活化 將冰箱內(nèi)保存的枯草芽胞桿菌3374菌株劃線于固體培養(yǎng)基平板上,30 ℃活化1 d,挑選單菌落進(jìn)一步純化,最后再篩選出單菌落保存于斜面固體培養(yǎng)基上。
1.2.2 液體種子制備和發(fā)酵 將活化的枯草芽胞桿菌3374菌株依照5%接種量接種于裝有種子培養(yǎng)基的三角瓶中,30 ℃、180 r/min培養(yǎng)24 h,得液體種子。按照10%的接種量將液體種子接種到盛有發(fā)酵培養(yǎng)基的三角瓶中,30 ℃、180 r/min培養(yǎng)24 h,得到菌體濃度達(dá)到109cfu/mL以上的發(fā)酵液。
1.2.3 生物量測(cè)定 以菌液在波長600 nm所測(cè)光密度值OD600表示[34]。
1.2.4 毒死蜱的降解 無菌條件下,配制含有一定濃度毒死蜱的枯草芽胞桿菌3374菌株發(fā)酵培養(yǎng)液若干,將枯草芽胞桿菌種子液按照5%接種量接種到該發(fā)酵培養(yǎng)液中,即實(shí)驗(yàn)組;以未接種發(fā)酵培養(yǎng)液為空白組。不同處理組同時(shí)置于搖床上震蕩培養(yǎng),每個(gè)實(shí)驗(yàn)組有3個(gè)平行,分別采樣測(cè)定毒死蜱殘留量,考察pH、毒死蜱濃度和溫度等不同因素對(duì)水溶液中枯草芽胞桿菌3374降解毒死蜱的影響。培養(yǎng)白菜到幼苗期,在白菜幼苗上均勻噴灑240 mg/L毒死蜱后,再噴灑2×107cfu/mL枯草芽胞桿菌3374菌液,以無菌蒸餾水代替菌液作對(duì)照,每個(gè)實(shí)驗(yàn)組有3個(gè)平行,在不同時(shí)間采樣測(cè)定毒死蜱殘留量。
1.2.5 菌液中毒死蜱提取[26]首先用20 mL二氯甲烷對(duì)20 mL菌液進(jìn)行初提取,再用15 mL的二氯甲烷分兩次進(jìn)行進(jìn)一步萃取。收集提取液,用氮吹儀吹干溶劑,再用85%甲醇溶液溶解,待測(cè)。
1.2.6 白菜上毒死蜱提取[35-36]精確稱取15 g勻漿好的試樣于50 mL聚乙烯離心管中,加入3 g NaCl、1.5 g無水CH3COONa及15 mL 1%乙酸乙腈溶液,漩渦1 min,5 000 r/min離心10 min。取2 mL上清液轉(zhuǎn)入裝有100 mg PSA(N-丙基乙二胺)、100 mg C18(C18烷基-硅膠)、300 mg無水MgSO4和30 mg GCB(石墨化炭黑)的5 mL離心管中,漩渦1 min使其混勻,5 000 r/min離心5 min,上清液過 0.22 μm濾膜,收集于自動(dòng)進(jìn)樣瓶中,供液相檢測(cè)。
1.2.7 毒死蜱含量測(cè)定 采取液相色譜法[37]。色譜條件:色譜柱為Hypersil ODS柱(250 mm×4.6 mm,5 μm);柱溫為室溫;流動(dòng)相為甲醇-水(體積比85∶15)的混合溶液,流速為1 mL/min;紫外檢測(cè)波長289 nm;進(jìn)樣量為20 μL。HPLC法只針對(duì)目標(biāo)物毒死蜱進(jìn)行了定量的檢測(cè)以及繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,標(biāo)準(zhǔn)曲線的R值>0.999,說明該曲線可以用來檢測(cè)毒死蜱含量。液相色譜法檢測(cè)毒死蜱標(biāo)準(zhǔn)液所得標(biāo)準(zhǔn)曲線為Y=aX+b,a=16 594.7,b=-837.083,R2=0.999 328 8,R= 0.999 664 3(見圖1)。
圖1 毒死蜱檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve of detecting chlorpyrifos
1.2.8 降解率計(jì)算 計(jì)算公式:R(%)=((c0-c1)/c0)×100。其中,R代表菌株對(duì)農(nóng)藥的降解率;c1為實(shí)驗(yàn)組毒死蜱質(zhì)量濃度(mg/L);c0為空白組毒死蜱質(zhì)量濃度(mg/L)。
將枯草芽胞桿菌3374菌株接種到發(fā)酵培養(yǎng)基中培養(yǎng)一段時(shí)間,分別在不同培養(yǎng)時(shí)間取樣測(cè)定該發(fā)酵液的OD600值,測(cè)定該菌株的生長量,結(jié)果見圖2。
圖2 枯草芽胞桿菌生長曲線Fig.2 Growth Curve of Bacillus subtilis
由圖2可知,隨著培養(yǎng)時(shí)間逐漸增加,枯草芽胞桿菌3374菌株在培養(yǎng)基中生物量始終保持上升趨勢(shì)。培養(yǎng)8 h后進(jìn)入指數(shù)生長期,16 h后增加趨勢(shì)下降,24 h后生物量趨于穩(wěn)定,此時(shí)枯草芽胞桿菌3374菌株生物量達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定。故選取培養(yǎng)24 h進(jìn)行毒死蜱降解實(shí)驗(yàn),考察不同毒死蜱濃度、pH、溫度對(duì)毒死蜱降解規(guī)律的影響。
將枯草芽胞桿菌3374菌株接種到含有480 mg/L毒死蜱不同pH的培養(yǎng)基中,培養(yǎng)24 h后取樣測(cè)定毒死蜱含量,結(jié)果見圖3。
圖3 pH對(duì)枯草芽胞桿菌生物量和毒死蜱降解率的影響Fig.3 Biomass and chlorpyrifos degradation dynamic by Bacillus subtilis 3374 under different initial pH
由圖3可知,在pH 5.0~9.0范圍內(nèi),枯草芽胞桿菌3374菌株生物量增長趨勢(shì)較平緩。然而枯草芽胞桿菌3374對(duì)毒死蜱的降解率隨著pH增加呈逐漸下降趨勢(shì),尤其在酸性條件下明顯優(yōu)于堿性條件;然而毒死蜱降解率較高,均高于85%??梢?,pH對(duì)枯草芽胞桿菌3374的生物量和毒死蜱降解率的影響并不呈正相關(guān),可能是菌體生長與菌體中對(duì)毒死蜱起降解作用酶的活性受pH變化而變化,而且這兩因素所受到pH的影響不完全相同及吻合而導(dǎo)致的??紤]到菌劑在實(shí)際應(yīng)用中常采用中性條件,而酸性條件可能會(huì)影響植物的正常生長,對(duì)毒死蜱在白菜上降解規(guī)律的研究帶來不便,故選取pH 7.0作為適宜pH。
將枯草芽胞桿菌3374菌株接種到含不同濃度毒死蜱的培養(yǎng)基中,培養(yǎng)24 h后取樣測(cè)定毒死蜱含量,結(jié)果見圖4。
圖4 初始濃度對(duì)枯草芽胞桿菌生物量和毒死蜱降解率的影響Fig.4 Biomass and chlorpyrifos degradation dynamic by Bacillus subtilis 3374 under different initial concentration
由圖4可知,枯草芽胞桿菌3374菌株生物量在不同毒死蜱濃度下有差別。隨著毒死蜱濃度的增加,枯草芽胞桿菌3374菌株生物量呈先下降再上升趨勢(shì);在毒死蜱質(zhì)量濃度為120 mg/L時(shí),生物量最低;然后又逐步上升。隨著毒死蜱濃度的增加,枯草芽胞桿菌3374菌株對(duì)毒死蜱的降解率呈與生物量相反的趨勢(shì),降解率逐步升高,在毒死蜱質(zhì)量濃度為240 mg/L時(shí)降解率達(dá)到最高,其后下降。在毒死蜱濃度為48 mg/L時(shí),盡管降解率最低,但依舊高于80%,說明枯草芽胞桿菌3374菌株對(duì)高濃度毒死蜱依舊具有較高降解能力,所以研究該菌株對(duì)高濃度毒死蜱的果蔬殘留及廢水處理具有十分重要的意義。
將枯草芽胞桿菌3374菌株接種到含有240 mg/L毒死蜱的培養(yǎng)基中,培養(yǎng)24 h后取樣測(cè)定毒死蜱含量,結(jié)果見圖5。由圖5可知,不同培養(yǎng)溫度下枯草芽胞桿菌3374菌株生物量不同。隨著培養(yǎng)溫度上升,枯草芽胞桿菌3374菌株生物量呈先升高再下降趨勢(shì);溫度為30 ℃時(shí),生物量達(dá)到最高;其后又逐漸降低。培養(yǎng)溫度對(duì)降解率的影響趨勢(shì)與其對(duì)生物量的影響相似,降解率隨著溫度的升高先增加,在30 ℃達(dá)到最高,之后又逐漸下降??赡苁且?yàn)榕囵B(yǎng)溫度通過影響枯草芽胞桿菌生物量來影響其對(duì)毒死蜱的降解??梢?,枯草芽胞桿菌3374菌株在20~40 ℃均有較高的降解力,均高于80%,能夠有效地用于對(duì)毒死蜱農(nóng)藥降解過程。
圖5 溫度對(duì)枯草芽胞桿菌生物量和毒死蜱降解率的影響Fig.5 Biomass and chlorpyrifos degradation dynamic by Bacillus subtilis 3374 under different temperature
為驗(yàn)證枯草芽胞桿菌3374菌株在實(shí)際應(yīng)用中是否還能發(fā)揮高效降解毒死蜱的作用,本研究在白菜幼苗上均勻噴灑240 mg/L毒死蜱后,再噴灑2×107cfu/mL枯草芽胞桿菌菌液,以無菌蒸餾水代替菌液作對(duì)照,不同時(shí)間采樣測(cè)定毒死蜱殘留量,結(jié)果見圖6。
圖6 枯草芽胞桿菌降解白菜毒死蜱特性Fig.6 Degradation dynamic of chlorpyrifos by Bacillus subtilis 3374 onto chinese cabbage
由圖6可知,白菜表面殘留的毒死蜱在實(shí)驗(yàn)初期降解速度比較快,隨著時(shí)間延長,降解速度逐漸趨于平緩。毒死蜱+水處理組相較于毒死蜱處理組,降解曲線幾乎重合;而毒死蜱+高濃度菌液處理組相較于毒死蜱處理組,降解曲線下降比較明顯,2 d后毒死蜱殘留即可達(dá)國家安全標(biāo)準(zhǔn)1 mg/L,該組對(duì)毒死蜱的降解效果明顯優(yōu)于其他兩組;說明一定濃度的枯草芽胞桿菌3374菌液噴施到白菜上能加快殘留毒死蜱的降解。可見,枯草芽胞桿菌3374菌株在白菜上具有有效提高毒死蜱降解的能力。
近年來,毒死蜱作為一種中等毒性的廣譜殺蟲劑,已成為替代敵敵畏、甲胺磷等高等毒性有機(jī)磷農(nóng)藥的最佳選擇之一[38-39]。毒死蜱的微生物降解可有效解決毒死蜱殘留問題,我們現(xiàn)已分離篩選出多種降解毒死蜱的菌株。本研究從油菜葉際篩選出1株枯草芽胞桿菌3374菌株,通過控制不同的條件,揭示了該菌株在水溶液中對(duì)毒死蜱的降解規(guī)律,結(jié)果表明在毒死蜱質(zhì)量濃度為240 mg/L、pH 7.0、溫度30 ℃的較優(yōu)條件下,枯草芽胞桿菌3374菌株對(duì)毒死蜱的降解率達(dá)到92.48%,說明該菌株在水溶液中具有高效降解毒死蜱能力。同時(shí)將該菌株以及一定濃度的毒死蜱噴施到白菜上,分析白菜上毒死蜱殘留的降解速度,結(jié)果表明枯草芽胞桿菌3374能夠有效提高白菜葉面上毒死蜱殘留的降解速度,說明其在白菜上具有有效降解毒死蜱的能力,顯示出其在無公害農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用潛力。
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