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枯草芽孢杆菌Bs-15对草甘膦的降解特性

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山东农业科学2015,47(9):69~72 DOI:10.14083/j.issn.1001—4942.2015.09.016 枯草芽孢杆菌Bs一15对草甘膦的降解特性 余贤美,安淼,刘加芬,王海荣 (山东省果树研究所,山东泰安摘271000) 要:为研究枯草芽孢杆菌Bs一15对草甘膦的降解作用,以草甘膦异丙胺盐为药剂,对Bs一15降解草 甘膦异丙胺盐的能力进行驯化,并对其培养条件进行优化,测定该菌对草甘膦异丙胺盐的降解率。结果表明, Bs一15可耐受的草甘膦异丙胺盐浓度为40 000 mg/L;草甘膦异丙胺盐浓度不高于10 000 mg/L,培养基初始 pH值为8.0,接种比例为4%,于35。C、180 r/min条件下培养60 h,可获得最佳降解,结合实际生产,将培养温 度定为30℃;在上述优化条件下,Bs一15对草甘膦异丙胺盐的降解率可达70%左右。 关键词:枯草芽孢杆菌;草甘膦;降解特性 中图分类号:¥476.1 文献标识号:A 文章编号:1001—4942(2015)09—0069-04 Biodegradation Characteristics of Glyphosate by Bacillus subtilis Bs一1 5 Yu Xianmei,An Miao,Liu Jiafen,Wang Hairong (Shandong Institute ofPomology,Taian 271000,China) Abstract In order to study the biodegradation of glyphosate by Bacillus subtilis Bs一1 5,the capacity of Bs一1 5 to degrade glyphosate isopropylamine was acclimated,the culture conditions were optimized,and the degradation rate of Bs一1 5 to glyphosate isopropylamine was determined in this paper.The results showed that the maximum concentration that Bs一1 5 could tolerate was up to 40 000 m#L.Under the conditions of no more than 10 000 mg/L of glyphosate isopropylamine,8.0 of pH value,4%of inoculation proportion,the op— timal degradation occurred when cultured at 35。C and 180 r/min for 60 hours.The culture temperature was adjusted to 30。C to be more feasible in productivity.Under the above optimum conditions,the degradation rate of Bs一15 to glyphosate isopropylamine could reach about 70%. Key words Bacillus subtilis;Glyphosate;Degradation characteristic 草甘膦作为一种非选择性内吸传导型除草 剂,是当今世界上生产量最大、应用最广泛的农药 因此,对草甘膦的降解研究对于保护生态环 境和人体健康具有重要意义。生物降解是草甘膦 降解的最主要途径,自然界中,特别是在长期使用 草甘膦的土壤中,存在许多对草甘膦具有降解或 抗性的微生物,主要包括芽孢杆菌属(Bacillus)、 假单孢菌属(Pseudomonas)、节杆菌属(Arthrobact— er)、肠杆菌科(Enterobacteriaceae)、根瘤菌科 品种,在提高农业生产效率、增加农作物产量、改 善农作物品质等方面发挥着重要作用¨-2 J。草甘 膦具有广谱、高效、低毒、低残留、环境友好等优 点,但是,草甘膦的长期或不当使用及其在土壤中 的长期积累对非靶标生物和生态环境造成的破坏 作用也不容忽视 J。而且,草甘膦会被作物吸 (Rhizobiaceae)、伯克霍尔德氏菌属(Burkholde. r )等 。利用高效降解草甘膦的菌株对受污 染的土壤进行生物修复,快速、安全、费用低廉,具 有广阔的应用前景l12,131。 收,并在组织中积累 J,当人们食人被其污染的 蔬菜、作物后,在人体内积累或富集到一定程度 时,可能会危害人体健康 。 收稿日期:2015—07—08 基金项目:国家自然科学基金项目“嗜铁细菌对有机磷农药污染土壤的生物修复作用”(3110086) 作者简介:余贤美(1976一),女,博士,副研究员,主要从事果树植物保护和土壤应用微生物研究。E 70 山东农业科学 第47卷 枯草芽孢杆菌Bs—l5为本实验室筛选保存 的一株嗜铁细菌,该菌株具有促进植物生长和防 治植物病害的功能¨ 。为探讨该菌是否具有降 解有机磷农药的功能,以及影响其降解率的各种 因素,本研究以草甘膦农药中水溶性最好的草甘 膦异丙胺盐为药剂,通过驯化,使枯草芽孢杆菌 Bs—l5获得了降解草甘膦异丙胺盐的能力,并对 Bs一15降解草甘膦异丙胺盐的培养条件进行了 优化,本研究结果可为草甘膦降解菌的开发利用 提供菌种资源和参考依据,对农业可持续发展和 生态环境的保护具有重要意义。 1材料与方法 1.1 材料 1.1.1试剂99.2%草甘膦异丙胺盐原药,购自 上海农药研究所;四硼酸钠(Na B O,・1OH 0), Sigma(USA)产品;氯甲酸一9一芴甲酯(9一flu orenyl mcthoxycarbonyl chloride,FMOC—C1),默克 公司(Merck,Germany)产品;乙腈和氯仿为色谱 纯,其他生化试剂均为国产分析纯。 1.1.2培养基和缓冲液MS1矿物培养基 : NH4C1 2.0 g/L,MgSO4・7H2O 0.2 g/L,K2SO40.5 L,FeSO4・7H2O 2.5 mg/L,CaC12・6H2O 10.0 mg/L,CuSO4・5H2O 2.0 mg/L,H3BO3 0.06 mg/L, ZnSO4・7H2O 20.0 mg/L,MnSO4’H2O 1.0 mg/L,NiC12・6H2O 0.05 mg/L,Na2MoO4・2H2O 0.3 mg/L。 硼酸盐缓冲液(pH 9.0):称1.5255 g四硼酸 钠,溶于适量超纯水,定容至100 mL。 FMOC—C1缓冲液:准确称量FMOC—CI,溶 于乙腈,配制浓度为1 g/L。现配现用。 1.2方法 1.2.1 Bs一15的驯化将菌株Bs一15接种于 含有草甘膦异丙胺盐25 mg/L的MS1矿物培养 基中,35℃、150 r/min振荡培养24 h,取1 mL接 人到含50 mg/L草甘膦异丙胺盐的MS1矿物培 养基中,以同样的方法培养,根据菌株生长情况, 确定Bs—l5可耐受的草甘膦异丙胺盐浓度。用 于驯化的草甘膦异丙胺盐浓度依次为:25、50、 100 200 400 1 000 2 000 4 000 10 000 20 000 30 000 mg/L和40 000 mg/L。 1.2.2草甘膦异丙胺盐含量测定草甘膦异丙 胺盐在碱性条件下经FMOC—C1衍生 后,通过 紫外一可见分光光度法 进行含量测定。首先, 草甘膦异丙胺盐用0.1 mol/L KC1溶液配制成不 同浓度的溶液,取3 mL于15 mL离心管中,加入 0.5 mL硼酸盐缓冲液,混匀。然后,加入0.5 mL FMOC—C1缓冲液,混匀,室温静置2 h,加入4 mL 氯仿(用于去除溶液中多余的FMOC—C1,以防止 干扰吸光值的测定),摇匀,4 000 r/rain离心6 min,取水相(含衍生化产物),于紫外一可见分光 光度计中(Ultrospec 2 1 00 pro UV—Visible speetro. photometer,Amersham Biosciences,USA)测定吸光 值。以0.1 mol/L KC1溶液3 mL为空白对照,重 复3次。 由于紫外一可见分光光度法可测定的草甘膦 异丙胺盐浓度范围为0.084~21.800 mg/Ll17],因 此,测定时将草甘膦异丙胺盐溶液浓度控制在 21.800 m#L以下。全波段(200~999 nm)扫描 结果显示,衍生后的草甘膦异丙胺盐在265 nm处 有最大吸收峰,与Waiman等¨ 描述的一致,因 此,采用265 nm波长进行草甘膦异丙胺盐的含量 测定。并以草甘膦异丙胺盐浓度为横坐标,以吸 光值为纵坐标,绘制标准曲线。 1.2.3草甘膦异丙胺盐的降解检测将Bs一15 接种于100 mL含草甘膦异丙胺盐10 000 mg/L 的MS1矿物培养基中,于150~200 r/min、30℃条 件 下振荡培养,每12 h,取5 mL测定OD6oo和 OD 硒值,用于分析细菌的生长状况和草甘膦异丙 胺盐的降解。取出的培养液在12 000 r/min条件 下离心5 min,取上清,并经0.22 Ixm微孔滤膜过 滤。为确保测定的准确度和精确度,滤液用0.1 moL/L的KC1溶液稀释到草甘膦异丙胺盐浓度低 于21.800 mg/L,经处理(同1.2.2)后,于265 nm 处测定吸光值。以3 mL含草甘膦异丙胺盐 10 000 mg/L的MS1矿物培养基为阳性对照,以 0.1 mol/L KC1溶液3 mL为空白对照。根据标准 曲线,计算出相应的草甘膦异丙胺盐浓度,并按以 下公式计算降解率。 降解率(%)=(M 一M1)/M2×100,其中, M 为处理的草甘膦异丙胺盐含量,M 为阳性对 照的草甘膦异丙胺盐含量。 1.2.4 Bs一15降解草甘膦异丙胺盐的培养条件 优化 以MS1矿物培养基为基础培养基,以 1.2.1中驯化时的培养条件35qC、150 r/nfin、 pH 7.0、接种比例为2%为基础条件,某一条件设 多个处理,而其他条件固定,逐一对培养条件进行 筛选,研究草甘膦异丙胺盐浓度(2 500、5 000、 10 000、20 000 mg/L和40 000 mg/L)、培养温度 (20、25、30、35cCI和40oC)、振荡速率(90、120、 第9期 余贤美,等:枯草芽孢杆菌Bs一15对草甘膦的降解特性 71 150、180 r/min和210 r/rain)、培养基pH值(5.0、 6.0、7.0、8.0和9.0)、接种比例(2%、4%、6%、 8%和10%,以新接种培养过夜的菌液为母液,其 0D㈣=0.8~1.0)等培养条件对草甘膦异丙胺盐 降解率的影响,并测定优化培养条件下的降解率。 2结果与分析 2.1 Bs一15的驯化结果 草甘膦异丙胺盐浓度(ffIg・L ) 经梯度驯化,随着培养基中草甘膦异丙胺盐 浓度的提高,菌株Bs一15的生长情况逐步减弱,到 草甘膦异丙胺盐浓度高达40 000 mg/L时,Bs一 15仍能生长,说明经驯化,Bs一15能够耐受浓度 为40 000 mg/L的草甘膦异丙胺盐。 70 6o 5O 40褂 3O 2O数 l0 0 2.2草甘膦异丙胺盐含量标准曲线 配制不同浓度的草甘膦异丙胺盐溶液,经衍 生后测定吸光值,以草甘膦异丙胺盐浓度为横坐 标,以吸光值为纵坐标,得出标准曲线:Y= 0.1084x+0.046,R =0.9987(图1)。 时间(h) 图2 Bs一15的生长曲线和草甘膦异丙胺盐降解曲线 2.3草甘膦异丙胺盐降解曲线 将Bs一15接种于含草甘膦异丙胺盐10 000 mg/L的MS1矿物培养基中进行培养,每12 h取 样测定草甘膦异丙胺盐含量,结果显示,48 h以 内,Bs一15生长迅速下降,而草甘膦异丙胺盐的 降解迅速上升,之后Bs一15的生长和草甘膦异丙 胺盐的降解渐趋稳定,60 h与72 h的值差异不显 著(图2),因此,确定最佳降解时间为60 h。 70 6o 5o ^ V 2.4培养条件对草甘膦异丙胺盐降解率的影响 研究了温度、振荡速率、培养基初始pH值、 接种比例、草甘膦异丙胺盐浓度等培养条件对 Bs一15降解草甘膦异丙胺盐效率的影响,结果 (图3)显示,当草甘膦异丙胺盐含量为10 000 mg/L,培养基初始pH值为8.0,接种比例为4%, 于35CC、180 r/min条件下培养60 h,可获得最佳 降解效果,优化培养条件下降解率为66.35%,说 明培养条件对降解率有较大的影响。 70 6o 祷 料5o 黠4o 遨30 20 琏 逝 琏4o 逝30 20 振荡速率(r・rain-') 70 6o 5o 萋40 3O 20 图3 培养条件对Bs一15降解草甘膦异丙胺盐的影响 本研究中,Bs一15对草甘膦异丙胺盐降解 的最佳培养温度为35℃,与细菌的最佳生长温度 范围相一致,但是在实际应用过程中不现实,因 此,后续试验中,将培养温度统一为30%,在此优 30 ̄C的培养温度对于Bs一15降解草甘膦效率的 影响较小,可以忽略不计。 3结论与讨论 近年来,利用微生物的降解功能处理环境中的 化条件下,降解率为66.15%,略有下降,可见 72 山东农业科学 第47卷 草甘膦污染及其残留越来越受到重视,利用高效降 解草甘膦的微生物菌株来降解环境中残留的草甘 膦,具有快速、安全、费用低廉等优点,已成为了国内 外的研究热点,具有广阔的应用前景 '”J。 通过驯化筛选,可以增强微生物某一特定功 能。汤鸣强等 采用培养基中添加不同浓度梯 度的草甘膦对从耕作土壤中分离到的草甘膦降解 菌进行驯化培养,获得了一株对草甘膦具有高耐 受性、高降解能力(降解率为85.38%)的菌株胶 红酵母Rhodotorula mucilarinosa ZM一1。Moneke 等 的研究表明土壤中的某些微生物,如假单孢 杆菌属(Pseudomonas)、固氮菌(Azotobacter)、醋酸 杆菌(Acetobacter)和产碱杆菌(Alcaligenes),可利 用草甘膦异丙胺盐为唯一碳源在矿物培养基中生 长。本研究中,随着草甘膦异丙胺盐浓度的增加, 菌株Bs—l5的长势渐弱,但该菌株在草甘膦异丙 胺盐浓度高达40 000 m#L时仍能生长,说明 Bs一15能以草甘膦异丙胺盐为碳源,且可耐受高 浓度的草甘膦异丙胺盐。 用于草甘膦含量检测的方法有很多,Waiman 等Ⅲ 采用紫外分光光度法检测草甘膦含量,该方 法操作简便、快速,对设备要求低,只需要一台紫 外分光光度计即可。该方法由衍生和吸光值测定 两个步骤组成,其精确度和灵敏度可能低于色谱 法或毛细管电泳等方法,但足够用于草甘膦含量 的测定。因此,本研究采用Waiman等 的方法 对水溶性的草甘膦异丙胺盐含量进行测定,得到 了稳定的结果,而且具有良好的重复性。 笔者研究了温度、振荡速率、培养基初始pH 值、接种比例、草甘膦异丙胺盐浓度等培养条件对 Bs—l5降解草甘膦异丙胺盐效率的影响,优化了 降解培养条件,获得了较高的降解效率,在优化条 件下,Bs一15对草甘膦异丙胺盐的降解率可达到 70%左右。本研究结果说明,Bs一15对草甘膦具 有较高的耐受性和降解能力,可作为潜在菌株,用 于草甘膦等有机磷农药残留的降解,为解决有机磷 农药污染及残留问题提供菌株资源和参考数据。 参考文献: [1] Johal G S,Huber D M.Glyphosate effects on diseases of plants [J].European Journal of Agronomy,2009,31:144—152. 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