王怡琴,謝學(xué)輝,鄭秀林,張慶云,從軍灝,劉 娜, 柳建設(shè)
(1.東華大學(xué) a. 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院;b. 國家環(huán)境保護(hù)紡織工業(yè)污染防治工程技術(shù)中心,上海 201620;2. 上海污染控制與生態(tài)安全研究院, 上海 200092;3. 宿州學(xué)院 環(huán)境與測繪工程學(xué)院,安徽 宿州234000)
印染廢水具有穩(wěn)定性、生物毒性和難降解性等特點(diǎn),被公認(rèn)為難處理的廢水之一[1]。許多染料及其中間產(chǎn)物具有致癌、致畸、致突變性,能夠破壞水生環(huán)境的生態(tài)平衡,威脅人類的健康[2]。因此,如何高效處理染料廢水成為促進(jìn)印染行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的艱巨任務(wù)之一。目前,為減少染料廢水的有機(jī)負(fù)荷,國際上常用物理法、化學(xué)法、生物法處理廢水[3-4]。其中,生物法具有成本低、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益良好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[5-6]。
目前國內(nèi)外學(xué)者對偶氮染料生物處理的研究較為廣泛,而對蒽醌染料生物處理的研究較少?;钚云G藍(lán)19(reactive brilliant blue 19,RB19)為典型的蒽醌結(jié)構(gòu)染料,具有抗化學(xué)氧化的作用,因此在印染廢水中長期穩(wěn)定地存在,且被生物降解的效率普遍較低[7]。如:Rybczyriska等[8]的研究中,在加入碳源的情況下,菌株Haematonectria haematococca BwⅢ43和K37對蒽醌染料茜素蘭B第14天脫色率分別僅為59%和57%;Holkar等[9]的研究結(jié)果顯示,當(dāng)葡萄糖質(zhì)量濃度為6 g/L時(shí),菌株Enterobacter sp. F 對蒽醌染料RB19的脫色率達(dá)到最大(但脫色速率實(shí)際上僅為0.08 mg/h)。由此可見,蒽醌染料生物處理法的效率還有待提升。
激活劑作為一種可以增加酶活性、提高酶促反應(yīng)速率的物質(zhì),在生物處理法中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[10-11]。由于常規(guī)生物法處理效率較低,因此研究添加激活劑以提高印染廢水生物處理效率具有重要意義。例如,金屬鹽、氧化還原介質(zhì)和共代謝基質(zhì)的加入能提高微生物的降解脫色能力[12-14]。有研究[15-16]指出氧化還原介體通常作為電子供體或直接增加微生物活性,以提高其脫色率,還有研究者[17]指出染料的脫色率由共代謝基質(zhì)的有效性和類型決定。目前,研究者更多地關(guān)注單一激活劑對菌株脫色降解染料的促進(jìn)作用,而復(fù)合激活劑對混合菌群的促進(jìn)作用研究甚少,且對添加激活物質(zhì)以激活功能微生物的研究大多處于宏觀層面。因此,研究復(fù)合激活劑在混合菌群生物處理中的作用,并探究其作用的生物學(xué)機(jī)理顯得尤為重要。本課題組前期研究[18]發(fā)現(xiàn)茶葉渣可作為一種激活物質(zhì)促進(jìn)混合菌群對RB19的降解,并提取茶葉渣中的主要成分制成一種復(fù)合激活劑。本研究通過傅里葉變換紅外光譜(FTIR)及液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(LC-MS)對激活劑作用下降解產(chǎn)物進(jìn)行分析,并通過高通量測序和非標(biāo)及定量蛋白質(zhì)組學(xué)分析對激活劑作用的生物學(xué)機(jī)理進(jìn)行深入研究,在印染廢水生物處理中具有重要意義。
本試驗(yàn)選用的染料為SIGMA-ALOR-ICH公司生產(chǎn)的蒽醌染料RB19。培養(yǎng)基包含無水硫酸鈉為0.5 g/L,氯化銨為0.2 g/L,磷酸二氫鉀為2.66 g/L,酵母提取物為3 g/L。培養(yǎng)基均在121 °C滅菌20 min后冷卻備用。復(fù)合激活劑包含表沒食子兒茶素沒食子酸酯質(zhì)量濃度為 2.5 g/L,茶氨酸質(zhì)量濃度為2.5 g/L,抗壞血酸質(zhì)量濃度為6.5 g/L,H3BO3質(zhì)量濃度為6.5 g/L,F(xiàn)eCl3質(zhì)量濃度為4.5 g/L,MgCl2質(zhì)量濃度為0.05 g/L。
本試驗(yàn)中使用的兩種混合菌群分別為DDMY1和DDMY2[18],均為本實(shí)驗(yàn)室長期馴化保存的菌種。其中,菌群DDMY1一直以來只用RB19進(jìn)行培養(yǎng)馴化,而菌群DDMY2長期使用RB19和質(zhì)量濃度為3 g/L的茶葉渣共同培養(yǎng)馴化。研究前期發(fā)現(xiàn),混合菌群DDMY2的脫色效果優(yōu)于DDMY1的脫色效果,由此推測是由茶葉渣的激活作用導(dǎo)致的。
1.2.1 分光光度法測定脫色率
取2 mL脫色液,在8 000 r/min下離心10 min,取上清液在特定波長(597 nm)處的吸光值,根據(jù)波長597 nm處吸光值的變化計(jì)算脫色率。
(1)
式中:A0為脫色前597 nm 的吸光度值;At為脫色后597 nm 的吸光度值。
1.2.2 復(fù)合激活劑對混合菌群DDMY1、DDMY2脫色RB19的影響
文獻(xiàn)[19]研究發(fā)現(xiàn)龍井茶葉渣對RB19的降解有促進(jìn)作用,但茶葉渣對菌群的促進(jìn)效果受茶葉渣曬制時(shí)間、溫度等外界因素與茶葉購買批次影響,因此希望通過模擬茶葉渣中的關(guān)鍵成分研制一種穩(wěn)定的復(fù)合激活劑。選用兩種不同的混合菌群DDMY1、DDMY2進(jìn)行對比,其中一組試驗(yàn)組不添加復(fù)合激活劑(試驗(yàn)組DDMY1和DDMY2),另一組(試驗(yàn)組DDMY1+A和DDMY2+A)添加激活劑的接種量的體積分?jǐn)?shù)為0.1%。將每個(gè)試驗(yàn)組做3個(gè)平行樣,在37 ℃的條件下靜置培養(yǎng)。菌液按體積分?jǐn)?shù)為10%的量接種于100 mL錐形瓶中(含45 mL培養(yǎng)基),其中每個(gè)錐形瓶RB19質(zhì)量濃度為200 mg/L。分別在培養(yǎng)過程中的0、24、36、48、60、72 h取2 mL脫色液,在8 000 r/min速度下離心10 min,用分光光度法測定脫色率。
1.2.3 液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用分析
將均添加復(fù)合激活劑的混合菌群DDMY1和DDMY2置于培養(yǎng)基中脫色質(zhì)量濃度為200 mg/L的RB19,靜置恒溫培養(yǎng)72 h。取100 mL脫色液,8 000 r/min速度下離心10 min并保留上清液,將上清液用蒸餾水稀釋至400 mL置于燒杯中。隨后,每個(gè)試驗(yàn)組取2個(gè)1 kD透析袋,分別裝50 mL蒸餾水和甲醇,兩端封口置于燒杯中攪拌透析24 h。透析后將2個(gè)透析袋中的液體混合均勻,取2 mL透析液在12 000 r/min速度下離心10 min,并用0.22 μm水相針式濾器將上清液過濾,最后將過濾后的樣品轉(zhuǎn)移至2 mL色譜進(jìn)樣瓶中,用Agilent QTOF6520型液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀對樣品進(jìn)行分析。
色譜條件為采用Agilent zorbax 300Extend-C18 4.6 mm×150 mm的色譜柱,柱填料粒徑為3.5 μm。二元流動(dòng)相為A相——含濃度為20 mmol/L醋酸銨的超純水,B相——含濃度為20 mmol/L醋酸銨的甲醇。質(zhì)譜條件為0.276 MPa噴霧器壓力,干燥氣為350 ℃氮?dú)?,流速? L/min。
1.2.4 高通量測序
根據(jù)文獻(xiàn)[20]利用高通量測序?qū)?種不同樣品的菌群結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。試驗(yàn)中所測得的16 SrDNA基因序列已保存在NCBI GenBank中,并獲得序列登錄號為SRP193910。
1.2.5 蛋白質(zhì)組學(xué)分析
非標(biāo)記定量技術(shù)用于比較樣品不經(jīng)過任何標(biāo)記,直接酶解后經(jīng)過質(zhì)譜分析產(chǎn)生數(shù)據(jù)。通過Thermo Xcalibur 4.0軟件對譜圖進(jìn)行歸一化后,比較對應(yīng)質(zhì)譜峰的強(qiáng)度、峰面積等一系列因素,以此來確定蛋白質(zhì)在4組樣本中的相對表達(dá)量變化。
復(fù)合激活劑對混合菌DDMY1、DDMY2脫色RB19的影響,如圖1所示。
圖1 復(fù)合激活劑對DDMY1、DDMY2脫色RB19效果影響Fig.1 Effect of complex activator on decolorization of RB19 by bacterial consortia DDMY1 and DDMY2
由圖1可知,復(fù)合激活劑的加入能顯著提高菌群DDMY1對 RB19的脫色率。試驗(yàn)組DDMY1+A在72 h的脫色率為77.81%,比樣品DDMY1(70.57%)高7.24%。而在相同時(shí)間內(nèi),DDMY2+A的脫色率為85.16%,僅比DDMY2(83.39%)高1.77%。與DDMY1相比,復(fù)合激活劑的加入并不能顯著促進(jìn)DDMY2對RB19的降解,但DDMY2、DDMY2+A的脫色率整體高于DDMY1、DDMY1+A。這是由于復(fù)合激活劑的配方是模擬茶葉渣中的主要成分制成的,所以復(fù)合激活劑的加入對于經(jīng)過茶葉渣馴化的菌群(DDMY2)影響較??;此外,復(fù)合激活劑加入對未經(jīng)過茶葉渣馴化的普通菌種(DDMY1)脫色降解RB19有很大的促進(jìn)作用。相較于文獻(xiàn)[8]的研究,額外加入干酪素水解物菌株Haematonectria haematococca BwⅢ43和K37對蒽醌染料茜素蘭B脫色率達(dá)到80%~90%需要7 d。而本試驗(yàn)中,復(fù)合激活劑的加入能夠使菌群在短時(shí)間內(nèi)對RB19有較好的脫色降解效果。由此表明,這類復(fù)合激活劑在實(shí)際印染廢水處理中具有重要意義。
使用LC-MS分析了激活劑誘導(dǎo)混合菌群DDMY1脫色RB19的降解產(chǎn)物。將初始未降解的RB19作為對照組,在正離子模式下觀察到m∶z為625的母離子峰。經(jīng)過72 h的脫色降解,母離子峰逐漸消失,且激活劑誘導(dǎo)下混合菌群DDMY1對RB19的降解產(chǎn)物在正離子模式下發(fā)現(xiàn)3個(gè)新的離子峰,m∶z分別為197、167、181,對應(yīng)的降解產(chǎn)物分別為3,6-二氨基苯二甲酸、鄰苯二甲酸、苯磺酸鈉。激活劑誘導(dǎo)下混合菌群DDMY2對RB19的降解產(chǎn)物在正離子模式下也發(fā)現(xiàn)3個(gè)新的離子峰,m∶z分別為197、167、158,對應(yīng)的降解產(chǎn)物分別為3,6-二氨基苯二甲酸、鄰苯二甲酸、苯磺酸。根據(jù)LC-MS測定的降解產(chǎn)物并結(jié)合文獻(xiàn)[21-24]中的試驗(yàn)結(jié)果,本試驗(yàn)推測了兩種不同混合菌群降解RB19的分子轉(zhuǎn)化途徑,如圖2和3所示。RB19在降解的過程中蒽醌環(huán)結(jié)構(gòu)被打開,降解為小分子的芳香族化合物。因此,在激活劑作用下兩種混合菌群能夠?qū)崿F(xiàn)染料的脫色,并將大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿佑袡C(jī)物,無法完全礦化,且降解產(chǎn)物仍有一定毒性[25-26],需后續(xù)進(jìn)一步處理。但這類方法仍不失為一種高效且成本低廉的染料預(yù)處理方法。
圖2 激活劑誘導(dǎo)下混合菌群DDMY1降解RB19分子轉(zhuǎn)化途徑Fig.2 Molecular transformation pathway of RB19 degraded by bacterial consortium DDMY1 induced by activator
圖3 激活劑誘導(dǎo)下混合菌群DDMY2降解RB19分子轉(zhuǎn)化途徑Fig.3 Molecular transformation pathway of RB19 degraded by bacterial consortium DDMY2 induced by activator
為進(jìn)一步研究復(fù)合激活劑對混合菌群DDMY1、DDMY2群落結(jié)構(gòu)的影響,使用RDP(ribosomal database project)分類器將序列標(biāo)簽分配到不同的分類水平,如圖4所示。
由圖4(a)可知,在門水平上8個(gè)樣品具有高度的相似性,但菌種豐度不同。變形菌門、厚壁菌門和擬桿菌門為3種主要的菌門,占每個(gè)樣品中所有菌種的99%以上。其中,變形菌門在所有樣品中占比最高,這說明變形菌門為RB19脫色系統(tǒng)中主要的菌門。文獻(xiàn)[27]研究發(fā)現(xiàn)變形菌門在其他廢水處理系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位。文獻(xiàn)[28-29]在染料廢水處理中發(fā)現(xiàn),擬桿菌門的菌種可以適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境并分泌各種氧化還原酶。與樣品DDMY1-初始、DDMY1馴化6個(gè)月相比,樣品DDMY1+A、DDMY1+A 馴化6個(gè)月中變形菌門的含量分別多了6.00%和14.02%,而擬桿菌門的含量分別少了6.18%和16.21%。此外,樣品DDMY2-初始、DDMY2馴化6個(gè)月、DDMY2+A 和 DDMY2+A馴化6個(gè)月中變形菌門、厚壁菌門和擬桿菌門比例具有更高的相似性。上述結(jié)果說明,復(fù)合激活劑的添加可以顯著改變普通菌群(如本試驗(yàn)中的試驗(yàn)組DDMY1)的菌群結(jié)構(gòu),且能夠增加在RB19脫色降解過程中發(fā)揮重要作用的變形菌門含量。同時(shí),添加復(fù)合激活劑至試驗(yàn)組DDMY2中并沒有顯著改變其菌群結(jié)構(gòu),說明混合菌群DDMY2具有更加穩(wěn)定的菌群結(jié)構(gòu),且不易受外界因素影響。由圖4(b)可知,在綱水平上樣品DDMY1-初始和DDMY1馴化6個(gè)月中γ-變形菌綱和β-變形菌綱的含量顯著增加,而黃桿菌綱含量顯著下降,其中γ-變形菌綱在所有樣品中均為最主要的綱。γ-變形菌綱為革蘭氏陰性菌,被發(fā)現(xiàn)廣泛存在于染料廢水處理系統(tǒng)中[30-31]。由圖4還可以發(fā)現(xiàn),樣品DDMY2-初始、DDMY2馴化6個(gè)月、DDMY2+A 和DDMY2+A 馴化6個(gè)月中均存在擬桿菌綱,而在試驗(yàn)組DDMY1-初始中未檢測到擬桿菌綱。由此可以推測,加入復(fù)合激活劑能夠富集γ-變形菌綱和擬桿菌綱這類脫色RB19的優(yōu)勢菌綱。
(a) 門水平
2.4.1 肽段與蛋白質(zhì)鑒定、定量結(jié)果評估
本試驗(yàn)采用串聯(lián)質(zhì)譜儀thermo scientific q-exactive進(jìn)行檢測。圖5(a)為鑒定蛋白信息統(tǒng)計(jì)圖。在4個(gè)樣品中共檢測到480 207個(gè)二級譜圖,匹配了160 705個(gè)肽段,鑒定了16 754個(gè)肽段序列和5 355個(gè)蛋白質(zhì)組。圖5(b)為鑒定肽段序列長度分布圖,大部分肽段所含氨基酸的個(gè)數(shù)為9~21個(gè),其中含有11、12個(gè)氨基酸的肽段最多。圖5(c)為肽段數(shù)量分布圖,顯示了鑒定到的蛋白所含肽段的數(shù)量分布情況。由圖5(c)可知,蛋白質(zhì)數(shù)量隨著肽段數(shù)量的增加而減少,73%左右的蛋白質(zhì)最多含有4個(gè)肽段。圖5(d)顯示蛋白質(zhì)分子量,其中蛋白質(zhì)分子量多數(shù)為11~20 kDa,約占蛋白質(zhì)總量的22%,且80%左右的蛋白質(zhì)分子量處于11~60 kDa。
(a) 蛋白信息統(tǒng)計(jì)圖
2.4.2 激活劑誘導(dǎo)的蛋白差異表達(dá)
表1為分組樣品DDMY1vs DDMY1+A、DDMY2 vs DDMY2+A的差異蛋白數(shù)量,顯著差異表達(dá)蛋白的篩選標(biāo)準(zhǔn)為差異顯著性P<0.05和兩樣品間表達(dá)量的比值FC<0.83或FC>1.20。由表1可知,激活劑的加入會(huì)顯著影響兩種混合菌群功能蛋白的差異表達(dá),且與DDMY2對比 DDMY2+A比較,DDMY1對比 DDMY1+A差異蛋白的數(shù)量有所增加,說明激活劑對混合菌群DDMY1功能蛋白表達(dá)的促進(jìn)作用強(qiáng)于其對混合菌群DDMY2。
表1 分組樣品中不同表達(dá)蛋白的數(shù)量(P<0.05 & FC<0.83或FC>1.20)Table 1 Number of differently expressed proteins in different samples (P<0.05 & FC<0.83 or FC>1.20)
2.4.3 激活劑誘導(dǎo)差異表達(dá)蛋白的功能分析
利用基因本體論對不同組樣品進(jìn)行注釋分析,其中,BP(biological process)為生物過程,CC(cellular component)為細(xì)胞組分,MF(molecular function)為分子功能。圖6對不同分組對比的上調(diào)差異蛋白進(jìn)行了功能注釋分析。相同的蛋白質(zhì)可能參與不同的生物過程,成為不同的細(xì)胞組分以及具有不同的分子功能。
圖6(a)顯示了DDMY1+A相較于DDMY1,前者參與生物過程的上調(diào)蛋白為2 521個(gè),其中約有70%的上調(diào)蛋白參與了細(xì)胞過程和代謝過程。在細(xì)胞組分分類中上調(diào)蛋白的數(shù)量為1 983個(gè),其中,膜類別和細(xì)胞部分類別蛋白含量較多,其次為膜部分類別和蛋白質(zhì)復(fù)合物類別。分子功能中上調(diào)蛋白數(shù)量為2 674個(gè),其中多數(shù)具有催化活性和結(jié)合分子功能,占上調(diào)蛋白的78%,其次為結(jié)構(gòu)分子活性和轉(zhuǎn)運(yùn)功能。
圖6(b)顯示了相較于DDMY2,DDMY2+A參與生物過程的上調(diào)蛋白數(shù)量為2 227個(gè),約有68%的上調(diào)蛋白參與了細(xì)胞過程和代謝過程。在細(xì)胞組分分類中上調(diào)蛋白數(shù)量為1 809個(gè),其中,細(xì)胞部分類別和膜類別蛋白含量較多,其次為膜部分類別和蛋白質(zhì)復(fù)合物類別。分子功能中上調(diào)蛋白的數(shù)量為1 950個(gè),約有77%具有催化活性和結(jié)合分子功能,其次為結(jié)構(gòu)分子活性和轉(zhuǎn)運(yùn)功能。
圖6 在激活劑誘導(dǎo)下不同混合菌群上調(diào)差異蛋白的基因本體論分析Fig.6 Gene ontology analysis of up-regulated differential proteins in different bacterial consortia induced by activators
2.4.4 差異表達(dá)蛋白KEGG通路分析
在生物體內(nèi),基因產(chǎn)物并不是孤立存在作用的,不同基因產(chǎn)物之間通過有序地相互協(xié)調(diào)來行使具體的生物學(xué)功能。為從系統(tǒng)水平了解差異蛋白的生物學(xué)功能,對鑒定的差異蛋白KEGG通路進(jìn)行注釋。圖7顯示了兩項(xiàng)分組樣品DDMY1 vs DDMY1+A、DDMY2 vs DDMY2+A差異蛋白前30條注釋結(jié)果。在激活劑誘導(dǎo)下兩種不同混合菌群DDMY1、DDMY2差異蛋白參與的KEGG通路最主要為代謝途徑、次生代謝產(chǎn)物的生物合成、抗生素的生物合成、碳代謝。分組樣品DDMY1 對比DDMY1+A與分組樣品DDMY2對比DDMY2+A的KEGG通路基本相同,說明激活劑對兩種不同混合菌群差異蛋白表達(dá)的作用類似。除了上述的通路外,苯甲酸的降解途徑也得到了豐富,且苯甲酸酯降解的代謝產(chǎn)物被認(rèn)為可用于脂肪酸、氨基酸代謝等富集途徑[33]。上述LC-MS試驗(yàn)中已檢測到降解中間體及產(chǎn)物中存在苯甲酸類物質(zhì)。因此,推測RB19被先降解為苯甲酸酯,隨后進(jìn)一步進(jìn)行糖酵解、檸檬酸循環(huán)等[34]。與分組樣品DDMY2對比DDMY2+A相比,分組樣品DDMY1對比DDMY1+A中前30組代謝途徑中活躍的差異蛋白均更加豐富,說明激活劑對混合菌群DDMY1的影響大于其對混合菌群DDMY2的影響的促進(jìn)作用。
圖7 在激活劑誘導(dǎo)下不同混合菌群差異蛋白的KEGG通路Fig.7 KEGG pathway of differential proteins of different bacterial consortia induced by activator
(1) 本文以混合菌群DDMY1、DDMY2為對象,研究了激活劑對兩種混合菌群的促進(jìn)作用,結(jié)果表明復(fù)合激活劑的加入對DDMY1的促進(jìn)作用優(yōu)于其對DDMY2的作用。
(2) 由LC-MS測定結(jié)果可知,在激活劑誘導(dǎo)下混合菌群DDMY1對RB19的降解產(chǎn)物主要為3,6-二氨基苯二甲酸、鄰苯二甲酸、苯磺酸鈉,而在激活劑誘導(dǎo)下混合菌群DDMY2對RB19的降解產(chǎn)物分別為3,6-二氨基苯二甲酸、鄰苯二甲酸、苯磺酸。
(3) 高通量測序結(jié)果表明激活劑可簡化群落結(jié)構(gòu),且能夠富集腸桿菌屬,這可能是增強(qiáng)混合菌群對RB19脫色降解的原因。從生物過程角度分析,兩組分組樣品DDMY1 vs DDMY1+A、DDMY2 vs DDMY2+A的上調(diào)蛋白均大部分參與了細(xì)胞過程和代謝過程。在細(xì)胞組分分類中,激活劑對菌群DDMY1在差異蛋白表達(dá)上影響更大。分組樣品大多數(shù)的上調(diào)蛋白均與催化活性、結(jié)合分子功能相關(guān)。在激活劑誘導(dǎo)下兩種不同菌群DDMY1、DDMY2差異蛋白參與的KEGG通路前4條為代謝途徑、次生代謝產(chǎn)物的生物合成、抗生素的生物合成、碳代謝,同時(shí),苯甲酸的降解途徑也得到了證實(shí)。