[doc格式] 脱氮硫杆菌的分离鉴定和反硝化特性研究
脱氮硫杆菌的分离鉴定和反硝化特性研究
第29卷第1O期2008年10月环境科学
ENVIRONMENTALSCIENCE
Vo1.29.No.10
0ct..2008
脱氮硫杆菌的分离鉴定和反硝化特性研究
车轩,罗国芝.,谭洪新,吴嘉敏,蒋燕,齐巨龙,孙大川
(1.上海水产大学生命科学与技术学院,上海200090;2.中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所,上海200092)
摘要:从土壤中分离到1株高活性自养反硝化菌TD,并对其进行了鉴定和硝酸盐还原特性研究.该菌株为革兰氏阴性短杆
菌,严格自养.16SrDNA序列分析
明,该菌株与Thiobacillusdenitrificans相似性为99.85%.结合生理生化特性和16SrDNA序列
分析,确定菌株TD为脱氮硫杆菌.通过对该菌的生长特性和反硝化特性的研究表明,该菌在初始pH为6.85,32.8?培养条件
下脱氮效果最佳;在初始pH为6.90,29.5oC培养条件下生长最快.该菌生长比较缓慢,没有明显的稳定期,对数生长期阶段的
反硝化能力最强,反硝化速率最快,达到了2.245mg?(L?h),,在培养过程中培养基pH值明显下降.较高盐度对该菌株的反硝
化活性有抑制作用.该菌株的急性毒性实验结果显示,脱氮硫杆菌对
健康鱼体几乎无毒,属于无毒性菌株.
关键词:自养反硝化;脱氮硫杆菌;生理生化特性;16SrDNA;反硝化特
性;硝酸盐氮;盐度;毒性
中图分类号:X172文献标识码:A文章编
号:0250.3301(2008)10.2931.07
Isolation,IdentificationandDenitrificationCharacterizationofThiobacillus
denttrff~cans
CHEXuan
一,LUOGuo.zhi,TANHong.xin,WUJia.min.,JIANGYan,QIJu.1ong,SUNDa.chuan
(1.CollegeofAqua—lifeandTechnology,ShanghaiFisheriesUniversity,Shanghai200090,China;2.FisheryMachineryandInstrument
ResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Shanghai200092,China)
Abstract:Aautotrophicdenitrifyingbacterialstrain,TD,wasisolatedfromsoilandthestrainwasidentifiedandcharacterized.Thestrainwas
gramnegative,strictlychemolithoautotrophic,andshortrodshapedbacterium.The16SrDNAsequenceanalysisrevealedthatstrainTDhada
similarityof99.85%withThiobacillusdenitrificans.Accordingtothemorphologie,physi0bi0chemicalcharacteristicsandtheanalysisofits
16SrDNA,thestrainwasidentifiedasThiobacillusdenitrificans.StudiesshowedthattheoptimalconditionsfordenitrifieationwerepH6.85
and32.8?.whiletheoptimalgrowthconditionswerepH6.90and29.5oC.Thebacteriagrewslowlywithnoapparentstablephase.The
maximaldenitrificationratereached2.245mg.(L.h),,whichwasfoundinex
ponentialphase.Intheprocessoftheculture,themediumpH
decreasedsignificantly.RelativelyhighsalinityrestrainedthedenitrificationactivityofThiobacillusdenitrificans.Theacutetoxicitytestresults
toxic. showedthatThiobaciUusdenitriftcanswasnon—
Keywords:autotrophicdenitrifieation;Thiobacillusdenitrificans;biochemicalandphysiologicalcharacters;16SrDNA;denitrifieation
characteristic;nitrate;salinity;toxicity
在循环水养殖系统(recirculatingaquaculture
system,RAS)的水环境控制中,过去主要通过硝化作
用将氨态氮转化为硝酸盐氮,积累的最大硝酸盐氮
浓度可高达400,500mg/L”,而大量积累的硝酸
盐氮主要通过换水等方式排出循环水养殖系统.
近年来,硝酸盐氮对水生动物的毒性及净化工艺成
为研究热点,大量研究表明,高浓度硝酸盐氮易导致
水生动物的生长速度降低,易患病,发育迟缓,繁殖
力降低,成活率降低,并建议将循环水养殖系统中
的硝酸盐氮浓度控制在50mg/L.因此,循环水养
殖系统中硝酸盐氮浓度的控制十分重要.
尽管异养反硝化工艺研究较多,但对于循环养
殖水这种C/N低于1的特殊水体,采用该工艺将导
致运行费用高及运行管理困难等问题.自养反硝化
细菌,特别是脱氮硫杆菌(Thiobacillusdenitrificari,s)的
发现引起了研究者的普遍关注,对自养反硝化的
报道,主要集中在反硝化工艺方面,而对于脱氮硫杆
菌生理生化以及反硝化特性方面的报道较少.脱
氮硫杆菌作为硫自养反硝化菌,其生物特性和硝酸
盐降解特性的研究对于该菌在实际生产中的开发应
用具有重要指导意义.本研究通过定向富集,从土壤
中分离获得1株具有较高反硝化活性的化能自养菌
TD,生理生化和分子生物学鉴定其为脱氮硫杆菌,
并在实验室条件下对该菌的反硝化特性进行了分
析,以期为循环水养殖系统中高浓度硝酸盐氮的控
制提供理论依据.
收稿日期:2007.10.20;修订日期:2007一l2.11
基金项目:国家科技支撑
项目(2006BAD03B06);上海市重点学
科
建设项目(Y1101)
作者简介:车轩(1981,),男,硕士研究生,主要研究方向为养殖水污
染控制,E.mml:dandan—zw@tom.com
*通讯联系人,E—mail:hxtma@shfu.edu.ca
2932环境科学29卷
1材料与方法
1.1细菌的富集,分离
1.1.1培养基组成
基本培养基:Na2S203?5H205g,KNO32g,
KH2P042g,NaHCO31g,MgCl2’6H200.5g,
FeSO,?7H00.01g,用蒸馏水定容至1L.121oC灭菌
30rain备用.
富集培养基按照2X基本培养基组成配制.
向基本培养基中加入18g/L琼脂粉,加热溶解
后121oC灭菌20rain,制作分离平板培养基.
1.1.2样品来源与富集及分离
取上海市复兴岛公园内的土壤(约地表下
15om),以1g/L的比例放入富集培养基,静态培养,
培养温度28?.定时转接,富集培养物被系列稀释
后涂布平板,28?培养,根据菌落特征差异挑取单菌
落于液体培养基再次培养.如此重复直至在显微镜
下只能观察到单一的目的菌.将纯化菌种斜面划线
培养并保存,以备后用.
1.2菌种的鉴定
1.2.1分离菌株的透射电镜观察
1.2.2菌种的生理生化鉴定
采用生化反应管测定分离菌株TD的生理生化
指标,并参照文献[7]进行鉴定.
1.2.316SrDNA同源性
(1)总DNA提取
取对数期的菌液50mL,离心收集菌体,抽提基
因组总DNA.加500L裂解缓冲液(50mmol/LTfis
pH8.0,20mmol/LEDTA,50mmol/LSucrose)重悬细
胞,再加入溶菌酶至终溶度10mg/mL,37oC水浴10
rain.加入SDS至终溶度为1%(质量分数),蛋白酶
K至终溶度为100~g/mL,37?继续处理30rain.酚:
氯仿:异戊醇(25:24:1)抽提,2倍体积的无水乙醇沉
淀DNA,最后用不含DNase的RNaseA除去RNA.
DNA样品可直接进行PCR扩增.
(2)细菌16SrDNA全长序列的扩增
参照Bosshard等的方法进行.细菌通用引物
序列如下:8f:5.AGAGTI’rGATCCTGGCTCAG.3和
1492r:5一GG,IfrACC1TrGrrrACCACTI’-3,产生相应于
大肠杆菌(Esche~chiacoil)16SrDNA序列核苷酸位
置8,1510的PCR产物.25PCR反应体系中,包
括:2.5L10XPCR反应缓冲液,12.5mmol/L
dNTP,1UTaq酶,各16.25mmol/L的上下引物,
DNA
为50ng.PCR反应经95?预变性5rain
后,进行30个循环:95?1min,50cc1min,72oC延
伸2rain.最后72?延伸10rain.PCR产物置于
一
20~C下保存备用,作为扩增分离菌种16SrDNA片
断的模板.
(3)16SrDNA序列的鉴定
PCR产物经连接,转化,阳性克隆筛选,将含有
正确转化片断的菌体培养液送至上海生物
服务
公司测序.最后将测定的序列提交GenBank数据库,
与数据库中已有的16SrDNA序列进行相似性比较
分析,并构建系统进化树.
1.3温度和pH值对分离菌株生长和反硝化代谢
的影响
1.3.1分离菌株TD的最适生长pH值和最适反硝
化pH值
在250mL三角瓶中装入100mL培养液,硝酸
盐氮浓度设定为35rag/L,初始pH值依次调控至为
1,2,3,4,5,6,7,8,9,在28?下以120drain振荡培
养,通过测定培养液的D(opticaldensi~,=610
am)值和硝酸盐氮降解率的变化来判断菌体的生长
和代谢情况.
1.3.2分离菌株TD的最适生长温度和最适反硝
化温度
试验设计同1.3.1,温度依次设定为l0,l5,20,
25,30,35,40?.
1.4分离菌株的生长特性和反硝化活性检测
以硝酸盐氮为唯一氮源,将菌种按体积分数
1%的量接种到含有35mg/L硝酸盐氮的液体培养
基中,30?振荡培养,100h补加硝酸盐氮至89.44
g/L,继续培养.每隔8h检测其中硝酸盐氮,亚硝酸
盐氮的含量,菌体的浊度以及培养基的pH值.
1.5分离菌株在不同盐度条件下的反硝化活性
用去离子水配制盐度分别为0%,1.0%,1.5%,
2.O%,2.5%,3.O%的人工海水,加入1.1.1所述培养
基成分制作液体培养基,将菌种按体积分数1%的量
接种到含有35mg/L硝酸盐氮液体的培养基中,28~C
振荡培养.每8h检测1次硝酸盐氮,
硝酸盐完全
去除所需时间和72h内的硝酸盐氮降解率.
1.6分离菌株的急性毒性实验
1.6.1菌悬液制备
将已纯化的菌株接种在平板上,28?培养72h
后,用无菌生理盐水洗下菌苔,用细菌比浊仪依次调
整菌液浓度至10×lO9,10X10.CFU/mL[l0].
1.6.2致病性试验
选择无外伤,游动活泼的鲫鱼(平均体长12
10期车轩等:脱氮硫杆菌的分离鉴定和反硝化特性研究
cm,平均体重55g)为供试鱼,饲养5d后,以肌肉
注射和鱼体擦伤浸泡进行攻毒感染.肌肉注射菌株
TD的不同浓度菌液,分为5个试验组和1个对照
组,对照组用无菌生理盐水.浸泡感染试验2个试验
组,用菌液以擦伤鱼体感染,1个对照组同环境养
殖.每组用鱼均为10尾.试验期间不喂饲料,水温控
制在25?.人工感染试验结束后,连续观察2周,记
录死亡情况,如出现供试鱼死亡现象,采用Reed.
Muench法计算半致死浓度LC
1.7检测方法
硝酸盐氮:紫外分光光度法;亚硝酸盐氮:N一(1.
萘基)一乙二胺光度法.
2结果与分析
经过定向富集,得到1株在接种后72h即产生
大量气泡,迅速降解硝酸盐氮的菌株,命名为TD.该
菌好气下生长缓慢,菌落仅有针尖大小,透明;厌氧
培养菌落直径约0.5,1mm,圆形,白色或半透明,
扁平且润湿(图1).异养培养不生长.
2.1分离菌株的透射电镜观察
图1菌株TD的菌落和电镜照片(×19000)
Fig.1Lawnandelectronmicrographimages(×19000)ofstrainTD
菌株TD的细胞呈短杆状,单个或短链状排列,
以单根极生鞭毛运动,大小约为(0.5,0.8)m×
(1.5,2)m.
2.2分离菌株的鉴定结果
2.2.1生理生化鉴定
分离菌株的生理生化鉴定结果见表1,根据形
态,生理生化特征,初步鉴定该菌株属于硫杆菌属
(ThiobaciHus).
表1菌株TD的生理生化特性”
Table1PhysiologicalcharacteristicsofstrainTD
项目结果项目结果
革兰氏染色一产生H,S一
运动性+产生N,+
氧化酶一异养生长(葡萄糖,蔗糖)一
硝酸盐(还原)+赖氨酸一
硝酸盐(产气)+精氨酸一
亚硝酸盐(锄气)+鸟氨酸一
1)”+”表示反应呈阳性,”一”表示反应呈阴性
2.2.216SrDNA序列分析
细菌总DNA与16SrDNA全长PCR扩增结果
如图2,图3所示,其中1,2,3为该菌的3个重复.将
测序结果与GenBank上已登录的基因序列进行比
对,发现与Thiobacillusdenitrific鲫同源性最高,为
99.85%.利用MEGA3.1软件,将分离菌株与部分参
考菌株基于16SrDNA序列构建系统进化树(如图
4).综合生理生化特性和分子生物学特性,确定该菌
株为脱氮硫杆菌Thiobacillusdenitnfwans.
23000bp
Ml2
图2细菌总DNA的检测结果
Fig.2ResetofgenomicDNAdetection
2000bp
1500bp
图316SrDNA全长的扩增结果
Fig.3Resultofcompletesequenceof16SrDNAamplification
2934环境科学29卷
图4菌株TD与参考菌株基于16SrDNA序列构建的
系统发育树
Fig.4PhylogenetictreebasedOil165rDNAsequencesofstrainTD
andthereferences
2.3温度和pH值对脱氮硫杆菌生长和反硝化代
谢的影响
2.3.1脱氮硫杆菌的最适生长pH值和最适反硝
化pH值
不同起始pH对脱氮硫杆菌生长速率和反硝化
速率的影响实验(图5)发现,pH对其生长和反硝化
活性的影响基本一致,当pH从2升至7时,该菌的
生长速率和反硝化速率逐渐提高;但当pH继续升
至9时,其生长速率和反硝化速率都不断下降.对
图5结果进行非线性拟合,可得脱氮硫杆菌的最适
生长pH为6.90,最适反硝化pH为6.82,二者基本
一
致.
2.3.2脱氮硫杆菌的最适生长温度和最适反硝化
温度
从图5可以看出,温度对脱氮硫杆菌的生长和
芝
錾
尝Q
霎
图5pH和温度对菌株TD生长速率和反硝化速率的影响
Fig.5EffectofpHvalueandtemperatureongrowthrateanddenitrifieationrate
ofstrainTD
反硝化代谢活性均有明显影响;温度对生长的影响
不同于对反硝化活性的影响.当温度从l0qC升到
30?时,菌体的生长速率逐渐增大;温度继续升高
后,菌体生长速率减慢.菌体的最适反硝化温度高于
最适生长温度.对图5结果进行非线性拟合,可得菌
株的最适生长温度为29.5?,最适反硝化温度为
32.8?.
2.4脱氮硫杆菌的生长特性和反硝化特性
2.4.1脱氮硫杆菌的生长曲线
脱氮硫杆菌生长比较缓慢,没有明显的稳定期,
这与有关报道一致,生长曲线如图6所示,该菌要
经过约100h的延滞期才能进入对数生长期,由反
应式(1)可知,脱氮硫杆菌的反硝化过程会产生
H,该时期细菌的高速增殖产生的大量H导致了
培养基pH迅速由6.37下降到5.1.经过大约38h
的对数生长期之后,由于营养物质.硝酸盐氮的逐渐
碍
裱
锰
普
图6脱氮硫杆菌的生长曲线
Fig.6GrowthCurveofThiobacillusdenitrficans
消耗,加之培养基酸性增加,改变了细菌的最佳生长
环境,细菌的生长进入衰亡期,逐渐死亡.
??如加?O
如柏如加:2m=兮0
0OOOO0OOOO
??加?卯加如加0
1O期车轩等:脱氮硫杆菌的分离鉴定和反硝化特性研究
0.84S2O;一+0.35C02+NO3+0.43H20
+0.09NH4+0.09HCO;一0.09C5H702N
+0.5N2+1.7S04~一+0.
069H(1)
2.4.2脱氮硫杆菌的反硝化特性
(1)反硝化过程中硝酸盐氮的变化特性
菌株在以硝酸盐氮为唯一氮源的培养基中生长
时,溶液中硝酸盐氮浓度的变化曲线如图7所示,
可以看出,在菌体的整个生长过程中,脱氮硫杆菌均
具有降解硝酸盐氮的能力,但在菌体生长的不同阶
段所表现出的硝酸盐氮降解速率却明显不同(如图
8),该菌在对数生长期阶段的反硝化能力最强,硝酸
盐氮的降解速率最快,达到了2.245mg?(L?h),,大
约是其在延滞期的硝酸盐氮降解速率的5倍,到了
衰亡期,随着底物浓度的减少,同时也由于酶的耐受
时间过长,硝酸盐氮降解速率最慢,只有其在对数生
长期的1/10.
曩
鬃
蜇
翟
曲
褂
煳
嬖
进
城
钲
普
图7硝酸盐氨的变化
Fig.7Variedcurveofnitrate
Q
图8生长各个阶段的硝酸盐氮降解速率
Fig.8Degradationefficieneiesofnitrateindifferentgrowthperiod
(2)反硝化过程中亚硝态氮的变化特性
菌株在以硝酸盐氮为唯一氮源的培养基中生长
时,溶液中亚硝酸盐氮浓度的变化曲线如图9所示,
可以看出,在脱氮硫杆菌生长的延滞期,随着硝酸盐
氮浓度的下降,亚硝酸盐氮的含量迅速上升,于40h
达到峰值后逐渐下降,但下降速度比较慢,直到72h
硝酸盐氮降为0mg/L后,亚硝氮的降解速度才明显
加快,并于96h时降为0mg/L,该现象说明菌株先
利用硝酸盐氮作为反硝化电子的供体,即硝酸盐的
还原先于亚硝酸盐的还原.这一现象在Blaszczyk…J
将1个从活性污泥中分离的ParacoccusdenitrificaD,s
菌株培养于无机盐培养基时也被观察到.他发现只
有当培养基中的硝酸盐完全耗尽时,亚硝酸盐才开
始被还原.目前,对于这种现象的解释主要有2种,
一
种与生物的优先利用原则有关:和亚硝酸盐相比,
以硝酸盐作为电子受体时,基质释放的能量较高,故
菌株优先利用硝酸盐;另一种解释与反硝化酶系的
合成顺序有关:Kucera等在Paracoccus
denitrificans中检出的反硝化酶合成顺序为硝酸盐还
原酶,N0还原酶和亚硝酸盐还原酶.在对数生长期
补加硝酸盐氮至89.44mg/L后,溶液中的亚硝酸盐
浓度在4h内即达到峰值,并于8h内迅速降为0
mg/L,之后溶液中的亚硝酸盐含量一直保持在很低
的浓度,未出现积累.
图9亚硝酸盐氮的变化
Fig.9VariedctlrYeofnitrite
2.5不同盐度条件下的反硝化活性
不同盐度下脱氮硫杆菌72h内的硝酸盐氮降
解率如图1O所示.由图10可知,在盐度O%1.5%
条件下,盐度的增加对于该菌的硝酸盐氮降解率几
乎没有影响,72h内的硝酸盐氮降解率均达到
2936环境科学29卷
静
鐾
域
盏
舔
IlIlI1
05lOl52O2530
盐度
图l0不同盐度下72h内的硝酸盐氮降解率
Fjg,10NitratedegradationrateunderdifferentsMinitywithin72h
\
垦
鲁
篮
根
戚
锰
翟
图l1不同盐度下硝酸盐氮安全去除时问
Fig.11Completenitrate~movMtimeunderdiffe~ntsalimity
95.51%以上,当盐度继续增加至2.0%以及更高间没有出现供试鱼死亡现象,脱氮硫杆菌对健康鱼
时,细菌的硝酸盐氮降解率出现了逐渐下降的趋势,体几乎无毒性.
当盐度升至3.0%时,硝酸盐氮降解率降到了.….
35.8%.推测较高盐度对该菌株的反硝化活性有抑.…
制作用.但从图11的不同盐度下硝酸盐氮完全去除生物脱氮以其无污染,脱氮彻底和安全等优点被
时间看,在盐度2.0%,3.0%条件下,硝酸盐氮完全认为是目前最经济,有效,可行性高的水体除氮方
去除时间差异并不明显,估计这是该菌对高盐度适法h”].与异养反硝化相比,自养反硝化不需向水体引
应的结果,说明该菌对于较高盐度具备一定的适应入有机物,可避免对水的再次污染.近几年对于应用脱
性和耐受性.氮硫杆菌的自养反硝化特性进行饮用水,地下水和废
2.6脱氮硫杆菌的急性毒性实验水脱氮的研究活跃,而将其应用于RAS系统的养殖用
由表2和表3结果可知,在为期2周的实验期水国内外尚无报道,这
是一个亟待解决的问题.
表2人工感染实验结果
Table2Res~tsofartificinfectionexperiment
由于硫杆菌属的种类较多,种间的生化特性差
异不大,对于这些生化特性不典型的菌株,往往很难
确定是某一种菌,通过分子生物学的方法对其进行
进一步分类鉴定,成为另一种更具优势的鉴定手段.
?????柏0
l0期车轩等:脱氮硫杆菌的分离鉴定和反硝化特性研究
本研究在常规鉴定的基础上,进一步利用分子生物
学的方法对菌株TD进行了鉴定,得出了一致的鉴
定结果,说明这2种方法在硫杆菌属内种水平的鉴
定中可以相互补充,得出更为可靠的鉴定结果.
较高盐度(>2.0%)对脱氮硫杆菌的反硝化活
性表现出抑制作用.嗜盐反硝化细菌数量较少,主要
包括古细菌中的Haloarcula,Halobacterium,Haloferax
及细菌中的Halomonas和Bacillus等几个属的某些
种n.Yoshie等n指出盐度降低了污水处理系统中
亚硝酸盐还原酶基因的多样性,从而将反硝化过程
阻断在亚硝酸盐向氮气转化的阶段.但脱氮硫杆菌
在盐度0%2.0%之间显示有较高的反硝化活性,
并且对2.0%以上的盐度表现出了一定的逐渐适应
的能力,此特点使得该菌在海水水体的生物脱氮领
域具备了巨大的潜力.
作为自养菌,该菌在生长上受到一些限制,比如
生长较慢,菌浓度较化能异养菌低,对环境的变化
(如温度,pH等)较为敏感等缺点,有待研究者利用
现代各种分子生物学技术手段进一步的深入分析和
改造.本实验分离得到的脱氮硫杆菌具有较高的自
养反硝化活性,并经初步毒理实验表明,无急性毒性
反应,故在污水处理,生态环境治理,以及在RAS系
统的水质控制等应用中具有十分广阔的发展前景.
4结论
(1)从土壤中分离得到的高活性自养反硝化菌
TD,综合其生理生化特性以及16SrDNA同源性分
析,确定该菌株为硫杆菌属的脱氮硫杆菌
(Thiobacillusdenitrificans).
(2)脱氮硫杆菌对温度和pH等环境的变化敏
感.最适生长条件为pH6.90,温度29.5?.在初始
pH为6.85,32.8?培养条件下脱氮效果最佳.
(3)该菌生长比较缓慢,没有明显的稳定期,对
数生长期的反硝化活性最高,反硝化速率最快,达到
了2.245mg?(L.h),.
(4)该菌株属于无毒性菌株.
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