深渊沉积物中盐单胞菌(Halomonas sp.)NyZ771菌株的分离培养及其降解芳香酸的研究

【背景】海洋是地球上最大的碳库,也是地球生物最大的栖息地。在这个庞大的生态系统中拥有多种多样的微生物,它们在全球碳循环中扮演了重要的角色。海斗深渊(海平面6 000 m以下的海域)由于高静水压和表层沉积汇集了大量有机质,形成了包含丰富生物资源的特殊生境。【目的】从马里亚纳海沟海斗深渊沉积物样品中分离培养能够以芳香酸为唯一碳源和能源生长的微生物,并研究其降解特性。【方法】通过模拟原位高压环境富集培养和常压条件下芳香酸选择性分离培养获得深渊来源的纯培养细菌,并根据形态学观察和16S rRNA基因序列系统发育分析进行种属鉴定,利用不同芳香酸进行培养和生物转化,通过HPLC和LC/MS鉴定芳香酸代谢中间产物。【结果】从马里亚纳海沟6 300 m沉积物样本中分离获得了一株盐单胞菌(Halomonas sp.)NyZ771。该菌株能够利用苯甲酸和4-羟基苯甲酸作为唯一碳源生长。其代谢4-羟基苯甲酸的中间产物鉴定为原儿茶酸。【结论】从深渊沉积物样本分离得到一株能降解苯甲酸和4-羟基苯甲酸的盐单胞菌NyZ771,丰富了深渊来源的微生物资源,为今后研究深渊中微生物的芳香酸降解及海洋微生物驱动的碳循环提供了一定的理论基础。     

长潭水库铁锰含量与环境因子的季节性变化相关性分析及铁锰氧化菌群的富集培养

【背景】目前对水库水体污染原因的研究往往专注于水体的富营养化、pH值、溶解氧、氨氮、菌落总数指标的变化,而重金属含量与环境因子的季节性变化相关性分析研究较少,同时对于典型季节原位微生物种群的多样性差异研究尚未见报道。【目的】研究浙江省台州市长潭水库底部水中正二价金属离子(二价锰离子Mn²⁺;二价铁离子Fe²⁺)浓度与不同环境因子的季节性变化规律,并对其相关性进行分析;富集平水期(2月)和丰水期(8月)水库底部水体中功能微生物菌群,分析其种类和丰度的差异。【方法】分别检测12个月的水库水Mn²⁺和Fe²⁺浓度及多种环境因子(水体溶解氧浓度、pH值、总磷浓度、浊度、水库环境温度及降水量),过滤并富集培养水库底部水体的功能微生物菌群,对其16S rRNA基因V3-V4区测序并分析其菌群结构。【结果】长潭水库水中Mn²⁺和Fe²⁺浓度呈季节性变化,每年的春夏交替季节水体中铁锰含量从零开始慢慢升高,至夏秋高温季节水体中Mn²⁺和Fe²⁺浓度达到最高值,然后慢慢降低,至秋末冬初检测不到含量。在检测的多种环境因子中,水体溶解氧浓度、水库环境温度及降水量呈明显的季节性规律变化。Mn²⁺和Fe²⁺浓度与温度、降水量和浊度有正相关性,与溶解氧浓度、pH值和总磷浓度有负相关性,其中在正负相关性分析中两种金属离子的浓度与溶解氧浓度的相关性最强,其次是环境温度及降水量。丰水期和平水期中富集获得的功能微生物菌群的种类和丰度差异很大,从属水平上分类,丰水期时菌群只包含不动杆菌(Acinetobacter)和鲑色沉积物杆状菌(Sediminibacterium)这2个属的菌株,含量各占约50%;平水期时菌群则主要由杆菌属(Bacillariophyta) (47.62%)和Limnohabitans(9.52%)等9个属的菌株构成。富集获得的平水期和丰水期的两个可培养的菌群均具有去除水库水中Mn²⁺的功能,去除率分别约为35.9%和11.4%。【结论】长潭水库底部水体中Mn²⁺和Fe²⁺浓度与不同环境因子均呈季节性规律变化,它们之间呈现不同的正负相关性,丰水期和平水期的功能微生物菌群结构差异很大。本研究为利用微生物进行重金属污染水体的治理储备了微生物资源,为实现国家“美丽乡村”的建设目标提供一定的参考价值。     

嗜盐古菌Haloferax sp. D1227中超氧化物歧化酶功能鉴定及其增强细菌耐盐性的研究

【背景】细菌、酵母或植物来源的超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)编码基因在异源宿主中表达并提高宿主耐盐性的研究已有一些报道,其异源宿主也多为植物,而古菌来源的超氧化物歧化酶编码基因在细菌中成功表达并提高其耐盐性的研究尚无报道。【目的】寻找嗜盐古菌Haloferax sp.D1227中的超氧化物歧化酶编码基因并鉴定其功能,将其在4-硝基苯酚降解细菌Burkholderia sp.SJ98中表达,研究该古菌的超氧化物歧化酶对菌株SJ98耐盐性和降解4-硝基苯酚功能的影响。【方法】通过生物信息学方法寻找嗜盐古菌D1227中潜在的超氧化物歧化酶编码基因,利用表达载体p ET-28a和广泛宿主载体p BBR1MCS-2将其分别在E.coli BL21(DE3)和4-硝基苯酚的降解菌株SJ98中异源表达,检测细胞抽提液和纯化蛋白的超氧化物歧化酶比活力。分别以葡萄糖和4-硝基苯酚为碳源,在M9培养基和添加500 mmol/L Na Cl(Na Cl含量约3%)的M9培养基中分别培养细菌SJ98的重组菌株和空载体重组菌株,利用全自动生长曲线分析仪和高效液相色谱等方法检测重组菌株的生长能力和对4-硝基苯酚的降解能力。【结果】通过生物信息学分析,在嗜盐古菌D1227基因组中发现了潜在的超氧化物歧化酶编码基因sod A,其在E.coli BL21(DE3)和菌株SJ98中分别异源表达均具有超氧化物歧化酶活力[细胞抽提液的比活力分别为21.07±0.02 U/mg和84.56±0.16 U/mg,从BL21(DE3)菌株纯化的蛋白Sod AD1227比活力为179.46±3.43 U/mg]。在添加500 mmol/L Na Cl的M9培养基中培养时,以葡萄糖为碳源,重组菌株SJ98[p BBR-sod A]仍可正常生长,而空载体对照菌株SJ98[p BBR1MCS-2]几乎丧失了生长能力;以4-硝基苯酚为碳源,菌株SJ98[p BBR-sod A]保持了利用底物生长和降解底物的能力,而菌株SJ98[p BBR1MCS-2]的生长和降解能力几乎丧失。用软件Phyre2模拟分析Sod AD1227的单体结构,该蛋白拥有Fe/Mn-SOD家族的典型结构特征,推测其属于Fe/Mn-SOD家族。【结论】本研究为利用古菌SOD对细菌进行改造以适应高盐环境中降解有机污染物的应用提供了潜在的可行性。     

中国东海和南海海域可培养烃类降解细菌的筛选及功能

【背景】海洋环境中蕴藏着丰富的微生物资源,其种类繁多而且功能多样,在驱动物质循环及能量流动等方面起着重要的作用。目前,海洋中烷烃化合物降解菌的分离筛选和降解功能研究已有文献报道;但是对海洋中尤其是我国东海和南海海域,具有降解芳香烃类化合物功能的菌株分离筛选及其多样性研究鲜有报道。【目的】分离筛选我国东海和南海海域具有烃类降解能力的可培养菌株,并对其降解功能和多样性进行初步研究。【方法】分别从东海和南海海底沉积物样品中筛选菌株,选择不同的烃类化合物为菌株筛选的唯一碳源,采用梯度稀释和平板划线法分离纯化得到单菌落,并利用相应烃类为唯一碳源进行生长验证获得该化合物降解菌。【结果】以肉桂酸、碱木素、十六烷等12种烃类化合物为唯一碳源,从样品中共分离到63株具有烃类化合物降解能力的菌株,分别属于3个门4个纲8个目10个属,主要为红球菌属(Rhodococcus)、不动杆菌属(Acinetobacter)、弧菌属(Vibrio)、盐单胞菌属(Halomonas)、假单胞菌属(Pseudomonas)。两大海域优势降解菌差别较大,其中东海沉积物降解菌株主要为不动杆菌属(Acinetobacter),而南海沉积物降解菌株主要为红球菌属(Rhodococcus)。【结论】我国东海和南海海域蕴藏着丰富的烃类化合物降解菌株资源,两大海域优势降解菌种类存在明显差异,这将为我国未来可能的海洋环境石油污染的微生物治理储备菌种资源。     

石油基塑料的微生物降解

石油基塑料种类繁多、数量巨大、应用广泛,常见的有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氨酯(PUR)等。这些合成塑料因其高分子量、高疏水性及高化学键能的特点难以被微生物降解,从而在环境中长期存在和累积,"白色污染"已经成为一个全球性问题。因此安全经济的微生物降解合成塑料是人类面临的一个选择和难题。文中从微生物资源及相关酶学研究方面综述了聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚氯乙烯这6种石油基塑料的生物降解的研究现状。目前关于上述6种石油基塑料的微生物降解研究依然大多停留在微生物资源的寻找中,已发现的具备相关能力的菌株种类较少,并且微生物降解效率均非常缓慢;对于其降解机理及关键基因和酶的研究比较少。文中为进一步开展塑料生物降解研究,寻找高效的塑料降解菌株资源以及进一步在遗传、分子和生化水平研究塑料生物降解机理研究,从而最终实现合成塑料的彻底降解和高值化利用提供了借鉴。     

深渊来源Citricoccus sp.strain NyZ702的分离培养及其降解4-羟基苯甲酸的特性

【背景】深渊沉积物中存在丰富的微生物细胞和活跃的微生物碳周转,因此,分离培养微生物资源对于认识深渊中的物质循环、能量代谢具有重要意义。芳香化合物在环境中广泛存在,基于组学分析揭示了深渊中具有潜在的芳香化合物代谢菌株,然而深渊来源的芳香化合物降解微生物纯培养和相关的代谢机理研究仍然缺乏。【目的】从马里亚纳海沟沉积物样本中分离培养具有降解芳香化合物能力的微生物,对其代谢途径、中间产物和降解酶活力进行初步鉴定。【方法】以4-羟基苯甲酸为唯一碳源对马里亚纳海沟沉积物样本中的降解菌株进行分离培养,结合形态观察、16S rRNA基因扩增与序列分析对菌株进行鉴定,通过底物生长实验验证其降解能力,通过高效液相色谱和超高效液相色谱-飞行时间质谱联用仪初步鉴定全细胞生物转化中间产物,利用紫外分光光度计测定其粗酶液催化4-羟基苯甲酸的活力,进而推测菌株降解4-羟基苯甲酸的代谢途径。【结果】从深渊沉积物中分离培养获得一株好氧细菌,16SrRNA基因序列分析显示该菌株隶属于柠檬球菌属(Citricoccus),命名为Citricoccus sp. strain NyZ702。该菌株在LB固体培养基上经30°C培养4 d后呈柠檬黄色、不透明、表面光滑、边缘整齐、凸出于培养基表面、直径约为1-2 mm的圆形菌落。扫描电镜表明菌体呈球形,直径为0.4-0.6μm,无鞭毛结构。该菌株为耐盐菌,最适生长盐浓度范围为2%-8%(质量体积分数)。该菌株可利用4-羟基苯甲酸为唯一碳源进行生长,可转化4-羟基苯甲酸至中间产物原儿茶酸,推测该菌株通过原儿茶酸途径降解4-羟基苯甲酸。菌株NyZ702的粗酶液具有4-羟基苯甲酸单加氧酶活力,对4-羟基苯甲酸的催化反应需要还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)作为辅因子。【结论】从深渊沉积物样本分离得到一株4-羟基苯甲酸降解菌Citricoccus sp. strain NyZ702,该菌株以原儿茶酸为中间代谢产物降解4-羟基苯甲酸,丰富了深渊来源的微生物菌种资源,为深渊中的芳香化合物降解研究提供了一定的理论基础。     

硝化细菌群的富集及其去除城镇寡营养河道中氨氮污染的应用

[背景]随着工农业的发展,污水排放导致的氨氮超标逐渐成为水体污染的重要因素,脱氮已成为人们研究的重点.目前脱氮方法主要集中于硝化细菌的硝化作用,其将氨氮转化为硝酸盐氮,从而减少水体中氨氮的污染.由于工业废水和农业污水中的有机物含量较高,而且异养硝化细菌具有生长较快等优势,因此对异养菌的研究多于自养菌.然而现有的异养硝化...     

盐胁迫条件下古菌超氧化物歧化酶增强细菌降解硝基酚

【背景】Burkholderia sp. SJ98利用对硝基酚和2-氯-4-硝基酚为唯一碳源和能源进行生长,通过异源表达嗜盐古菌Haloferax sp. D1227中的超氧化物歧化酶SodA,使菌株SJ98在500 mmol/L NaCl条件下仍具有降解对硝基酚的能力。然而该重组细菌在普通和高盐条件下其降解基因的转录和降解酶比活力的高低,以及该菌在高盐条件下是否还能降解对硝基酚衍生物尚未知晓。【目的】研究Burkholderia sp. SJ98的耐盐上限,观察含有sodA的细菌SJ98在普通和高盐条件下降解对硝基酚和2-氯-4-硝基酚的能力,检测重组菌中pnpA基因的转录和硝基酚单加氧酶的活力。【方法】在添加葡萄糖、对硝基酚或2-氯-4-硝基酚的无机盐培养基(分别含400-800 mmol/L NaCl)或M9培养基(含0和500 mmol/L NaCl)中培养细菌SJ98及其重组菌。通过紫外分光光度计和高效液相色谱法检测菌株生长和底物降解。通过实时荧光定量PCR分别以两种硝基酚为诱导物,检测未添加和添加500 mmol/L NaCl时,硝基酚单加氧酶编码基因pnpA的转录量变化。利用紫外分光光度计分别以两种硝基酚为底物,检测在添加500 mmol/L NaCl时,重组菌和空载体菌的粗酶液中硝基酚单加氧酶对两种底物的活力变化。【结果】野生型菌株SJ98以葡萄糖为碳源生长的NaCl耐受浓度是600mmol/L。未添加NaCl时,重组菌SJ98[pCM-pnpR-PpnpA-sodA-rfp]生长和降解对硝基酚的能力远优于野生菌。添加500 mmol/L NaCl时,重组菌SJ98[pBBR-sodA]仍保持了利用2-氯-4-硝基苯酚底物生长和降解该底物的能力,而空载体菌SJ98[pBBR1MCS-2]的生长和降解能力完全丧失;重组菌SJ98[pBBR-sodA]粗酶液中单加氧酶对于对硝基酚和2-氯-4-硝基酚的活力均约为野生菌的1/3。分别以两种硝基酚为诱导物时,无论是否添加NaCl,重组菌SJ98[pBBR-sodA]中硝基酚单加氧酶编码基因pnpA的转录量比野生型中高出约17-25倍;但添加500 mmol/L NaCl时,pnpA的转录均受到部分抑制。【结论】本研究为利用古菌超氧化物歧化酶对细菌进行改造以提高普通环境和高盐环境中细菌降解硝基芳烃污染物能力的应用提供了潜在的可行性。     

三氯卡班降解菌株Sphingomonas sp. YL-JM2C中多个邻苯二酚双加氧酶的功能

【目的】研究Sphingomonas sp.YL-JM2C菌株的生长特性,确定以三氯卡班作为碳源的生长情况。挖掘菌株YL-JM2C潜在的邻苯二酚1,2-双加氧酶及邻苯二酚2,3-双加氧酶基因,在大肠杆菌(Escherichia coli)中异源表达邻苯二酚双加氧酶基因并研究其酶学性质。【方法】优化S.sp.YL-JM2C菌株以三氯卡班作为碳源时的培养条件,并利用全自动生长曲线测定仪测定菌株生长情况,绘制生长曲线。通过生物信息学方法挖掘潜在的邻苯二酚双加氧酶基因,并分别在Escherichia coli BL21(DE3)中进行异源表达,通过AKTA快速纯化系统纯化蛋白,分别以邻苯二酚、3-和4-氯邻苯二酚为底物检测重组蛋白的酶学特性。【结果】菌株在pH为7.0-7.5时生长最优。在以浓度为4-8 mg/L的三氯卡班做为底物时,菌株适宜生长。当R2A培养基仅含有0.01%酵母提取物和无机盐时,加入终浓度为4 mg/L的三氯卡班可促进菌株生长。挖掘到6个潜在的邻苯二酚双加氧酶基因stcA1、stcA2、stcA3、stcE1、stcE2和stcE3,表达并通过粗酶液分析证明其中5个基因stcA1、stcA2、stcA3、stcE1和stcE2编码的酶均具有邻苯二酚双加氧酶和氯邻苯二酚双加氧酶的活性;纯化酶的底物范围研究揭示了StcA1、StcA2和StcA3均属于Ⅱ型邻苯二酚1,2-双加氧酶,StcE1和StcE2为两个新型邻苯二酚2,3-双加氧酶;它们酶动力学分析研究证明了5个酶对邻苯二酚的亲和力和催化效率最高,4-氯邻苯二酚次之。【结论】在同一菌株中发现了5个具有功能的邻苯二酚双加氧酶基因,stcA1、stcA2和stcA3编码的酶均属于Ⅱ型邻苯二酚1,2-双加氧酶,stcE1和stcE2为两个新型邻苯二酚2,3-双加氧酶编码基因。5个酶均具有催化邻苯二酚和氯邻苯二酚开环反应的功能,这为更好地理解微生物基因组内代谢邻苯二酚及其衍生物氯代邻苯二酚基因的多样性奠定了基础。     

嗜盐古菌Haloferax volcanii WFD11中龙胆酸1,2-双加氧酶HagA的研究

【目的】研究嗜盐古菌Haloferax volcanii WFD11菌株以不同芳香酸作为碳源的生长情况;鉴定其通过龙胆酸途径代谢芳香酸过程中的开环酶龙胆酸1,2-双加氧酶的基因,并对其进行生化水平的研究;初步揭示古菌和细菌代谢芳香酸的可能差异。【方法】分别以4 mmol/L的6种不同芳香酸为唯一碳源培养菌株WFD11,利用全自动生长曲线分析仪测定菌株生长情况并绘制生长曲线;利用高效液相色谱检测菌株WFD11代谢3-羟基苯甲酸的中间产物;对菌株WFD11的基因组进行生物信息学分析,寻找潜在的龙胆酸1,2-双加氧酶编码基因,并在Haloferax volcanii H1424中异源表达;通过快速纯化系统(采用Ni2+-NTA亲和层析柱)纯化异源表达的蛋白,以龙胆酸为底物通过紫外分光光度计检测粗酶液和纯化后的龙胆酸1,2-双加氧酶和相关酶学特性;通过实时定量PCR观察hag A的表达类型。【结果】菌株WFD11能以4 mmol/L的3-羟基苯甲酸和3-羟基苯丙酸为唯一碳源和能源生长;高效液相色谱检测证明菌株WFD11通过龙胆酸代谢3-羟基苯甲酸(3HBA);克隆和异源表达了龙胆酸1,2-双加氧酶基因hag A;Hag A粗酶液和纯化蛋白均具龙胆酸1,2-双加氧酶的活性,催化龙胆酸开环生成顺丁二酸单酰丙酮酸;Hag A的龙胆酸1,2-双加氧酶比活力为0.024 8 U/mg,且其活性不依赖于Fe2+;荧光定量PCR实验结果证明hag A是组成型表达。【结论】嗜盐古菌H.volcanii WFD11可能是通过龙胆酸途径代谢芳香酸类物质,为进一步研究古菌和细菌代谢芳香酸的可能差异打下了基础。