菲降解菌株的分離、鑒定及其降解條件的研究

王莉+史鵬+丁文利+閆曉寧+陳衛民

摘要：利用平板升華法從陜北王家川采油廠污染土壤中篩選出3株對菲具有降解活性的菌株F13、F14和FQ20，并對它們降解菲的特性及各種影響因素進行了研究。結果表明，在菲濃度為50 mg/L的條件下，F13在39 ℃、pH為9、36 h后降解率達到最高值94%；F14在36 ℃、pH為11、36 h后降解率達到最高值89%；FQ20在36 ℃、pH為9、30 h后降解率達到最高值87%。根據形態觀察和16S rDNA序列分析，鑒定F13、F14、FQ20分別為分支桿菌（Mycobacterium vanbaalenii）、戴爾福特菌（Delftia tsuruhatensis）、敏捷食酸菌（Acidovorax facilis），其16S rDNA序列相似性分別為99.93%、99.27%和99.01%。

關鍵詞：生物降解；菲；多環芳烴

中圖分類號：X172文獻標識碼：A文章編號：0439-8114（2014）10-2264-04

Isolation and Identification of Phenanthrene-degrading Bacteria and

Its Degradation Conditions

WANG Li，SHI Peng，DING Wen-li，YAN Xiao-ning， CHEN Wei-min

（College of Life Sciences， Northwest Agriculture and Forestry University， Yangling 712100， Shaanxi， China）

Abstract： Phenanthrene-degrading bacteria F13， F14， FQ20 were isolated from heavy oil contaminated soil at Wangjiachuan oil production factory in the north of Shaanxi province by plating sublimation method. Their abilities for phenanthrene degradation were studied and the various influencing factors were analyzed. The results showed that phenanthrene （50 mg/L） degradation rate for F13 was 94% when pH was 9 after 36 hours rotary culture at 39 ℃. Phenanthrene（50 mg/L） degradation rate for F14 was 89% when pH was 11 after 36 hours rotary culture at 36 ℃. Phenanthrene（50 mg/L） degradation rate for FQ20 was 87% when pH was 9 after 30 hours rotary culture at 36 ℃. F13， F14， FQ20 were further identified as Mycobacterium vanbaalenii， Delftia tsuruhatensis and Acidovorax facilis by the 16S rDNA sequencing analysis. The sequence similarities of F13， F14， FQ20 were 99.93%， 99.27% and 99.01%， respectively.

Key words： biodegradation； phenanthrene； polycyclic aromatic hydrocarbons （PAHs）

基金項目：國家高技術研究發展計劃項目（2012AA101403）

多環芳烴（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs）指含有一個以上苯環的芳香化合物，可分為芳香稠環型和芳香非稠環型，是煤、石油、木材、煙草、有機高分子化合物等有機物熱解或不完全燃燒時產生的揮發性碳氫化合物。隨著經濟的發展、化石燃料消耗量的日益增加和工業“三廢”的大量排放，環境中PAHs的分布量與日俱增，已經廣泛存在于人類生活的自然環境中，如大氣、水體、土壤、作物和食品，目前已知的PAHs約有200多種。由于PAHs具有很強的致畸、致癌、致突變作用，極大地威脅著人類的健康，因此現在PAHs的監測越來越受到人們的重視，也是各國優先控制的一類污染物[1-3]。

菲是一種芳香稠環型PAHs，由3個苯環成一定角度聯結而成，兼具K區和灣區結構，因而其抗降解能力很強，容易在土壤環境中富集，菲在土壤中的吸附對其在環境中的遷移轉化和歸宿起著重要的作用。近年來隨著土壤PAHs的污染狀況越來越嚴重，菲的分布、來源、結構、理化性質以及各種處理方法都成為了當前的研究熱點之一。目前國內外很多學者正致力于將PAHs作為碳源或能源，利用自然環境中特定的菌株或菌群對其降解，探明PAHs的生物降解機理和共代謝的方式，探索更有效的生物修復技術[4]。

本試驗通過對采自陜北王家川采油廠污染的土壤進行富集培養，分離獲得了3株以菲為惟一碳源的高效降解細菌，并對其降解菲的特性及其系統發育進行了初步研究，為PAHs污染土壤環境風險的科學評價、農產品的安全生產和PAHs污染土壤微生物降解和修復提供科學依據。

1材料與方法

1.1試驗材料

1.1.1供試土壤樣品采自陜北王家川采油廠東二區附近受石油污染土壤，取地表及以下10 cm的土層。

1.1.2培養基分離純化培養基（無機鹽培養基，MS）[5]：（NH4） 2SO4 2 g/L，KH2PO4 2 g/L， Na2HPO4 2 g/L，FeCl3 0.02 g/L，自然pH；富集培養基：無機鹽培養基（MS）+50 mg/L的菲；降解試驗所用培養基：配方同分離純化培養基（不含瓊脂）；菌種斜面保存培養基（牛肉膏蛋白胨培養基，NR）：牛肉膏3 g/L，蛋白胨10 g/L，瓊脂20 g/L，NaCl 5 g/L，pH 7.0～7.2。

1.2試驗方法

1.2.1菲高效降解細菌的富集分離及菌懸液的制備[6] 取50 g土樣于250 mL菲降解培養基中，并加入50 mg/L的菲作為惟一碳源，28 ℃、140 r/min、遮光振蕩培養。7 d后取200 μL接種于相同的新鮮培養基，相同條件下再培養7 d，最后將培養物適當稀釋，涂平板。本試驗采用平板升華法進行選擇性分離，具體步驟如下：把接種后的平板倒扣到底部平鋪有固體菲的500 mL燒杯上，用封口膜將接口處密封，整體放到電爐上加熱（約至100 ℃），并在平板上方放置冰袋，使菲升華后遇平板冷卻附著其上，約5 min后取下平板，37 ℃恒溫培養箱培養7 d，挑取能產生透明圈的單菌落純化。

1.2.2菌體生物量濃度的測定方法待測培養液中加入乙酸乙酯，于分液漏斗中充分振蕩，萃取。取下層菌體溶液，以不加菲的接菌培養液為空白對照，在600 nm下測定吸光度。

1.2.3菲降解效率的測定定時整瓶提取培養液，經環己烷萃取，并用硅膠G薄層層析法分離，石油醚溶解提取后，在252 nm測定紫外吸光度，以菲標準溶液建立標準曲線，得出培養液中的菲濃度。菲降解率計算公式：

T=（A-B）/A×100%

式中T為降解率（%），A為未接菌降解試驗用培養基中菲濃度（mg/L），B為接菌培養后降解試驗用培養基（降解液）中菲濃度（mg/L）[7]。

1.2.4不同因素對F13、F14、FQ20降解菲效能的影響①不同時間的降解。菲質量濃度為50 mg/L的降解培養基中，1%的接種量，pH為7、28 ℃、140 r/min條件下振蕩培養，分別于18、24、36、48、60、72和96 h后測定菲濃度和菌體生物量濃度，繪制生長曲線。②不同 pH 的降解。將菲質量濃度為50 mg/L的降解培養基的pH分別調至3、5、6、7、8、9、11，在 1%的接種量，28 ℃、140 r/min條件下振蕩培養48 h后測定菲濃度和菌體生物量濃度，繪制生長曲線。③不同溫度的降解[8-10]。分別在28、30、36、39和42℃下，在1%的接種量，菲濃度為50 mg/L，pH為7、140 r/min 條件下，振蕩培養48 h后測定菲濃度和菌體生物量濃度，繪制生長曲線。

1.2.5分離菌株的鑒定①對菌株進行菌體形態觀察和革蘭氏染色檢驗。②總DNA的提取：供試菌株接種于培養液中，28 ℃、140 r/min振蕩培養至對數中期，8 000 r/min離心收集菌體，用TE溶液（10 mmol/L Tris和1 mmol/L EDTA，pH 8.0）洗滌3次，溶菌酶破壁，蛋白酶處理，酚/氯仿/異戊醇抽提，乙醇沉淀，風干，最后溶于雙蒸水中。用1%瓊脂糖凝膠電泳和核酸蛋白吸光值檢測DNA樣品的濃度和純度[11]。③菌株16S rDNA的PCR擴增、測序：以總DNA為模板，選用來源于E. coli 16S rDNA基因序列保守區域的兩段引物P1和P6為正向引物和反向引物，其中P1序列為5′-CGGGATCCAGAGTTTGATCCTGGCTCAGAACGAACGCT-3′，P6序列為5′-CGGGATCCTA-CGGCTACCTTGTTACGACTTCACCCC-3′。PCR反應條件為：95 ℃預變性5 min，94 ℃變性1 min，56 ℃退火1 min，72 ℃延伸2 min，共34個循環；最后72 ℃再延伸7 min，PCR 擴增產物用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測，-20 ℃保存[11]，測序工作由上海生工生物工程技術有限公司完成。④16S rDNA序列數據處理和系統發育樹構建。將16S rDNA的全序列與從GenBank（NCBI）中獲得的已知模式菌種進行多重序列比較，用SeqPup 0.5軟件錄入，數據經編輯后用DNAstar和MEGA軟件包分析，采用Neighbor-joining方法構建以16S rDNA全序列為基礎的系統發育樹，使用EzTaxon server 2.1比對測試菌株間16S rDNA序列的相似性值。

2結果與分析

2.1菌株的分離篩選

將菌株經過2次富集馴化，在附著菲的培養基上培養，挑選可形成明顯透明圈且透明圈較大的菌株為高降解活性菌，命名為F13、F14、FQ20。

2.2菌株對菲的降解效能

2.2.1時間對菲降解的影響由圖1可知，在接種72 h后菲降解率達到最高，F13、F14、FQ20降解率分別為66%、61%、60%。菌株F13和F14在接種后的48～60 h間生長最快，菌株FQ20在接種后的24～36 h間生長最快，推測該時期為相應菌體生長的指數期，其后生長變得緩慢或者有所下降。

2.2.2pH對菲降解的影響分析圖2可知，3種菌株均在堿性環境下生長良好，F14在pH為11時，F13和FQ20在pH為9時，菌體濃度都達到相應的最大值；F13和FQ20在pH為9時降解率達到最大，分別為86%和80%；F14在pH為11時達到最大值75%，而在酸性條件下幾乎無降解，說明該菌的適用pH范圍偏堿性。

2.2.3培養溫度對菲降解的影響由圖3可知，溫度為39 ℃時，菌株F13對菲的降解率最高，為88%；溫度為36 ℃時，菌株F14、FQ20對菲的降解率最高，分別為70%和81%。溫度影響菌株降解菲的因素可能有兩個方面，一方面環境溫度的變化會影響菌株的代謝速率，最適生長溫度下，菌體濃度高降解率隨之增加；另一方面隨著溫度的上升，菲的溶解度增大容易被菌體利用。

2.2.4最佳條件下菌株對菲的降解率如圖4為菌株在最佳條件下對菲的降解速率和菌體生物量OD600 nm。針對不同的菌株，將培養條件調至相應的最佳降解條件，F13在39 ℃、培養基pH為9，培養36 h后降解率達到最高，為94%，菌體生物量OD600 nm為0.52；F14在36 ℃、培養基pH為11，培養36 h后，降解率達到最高，為89%，菌體生物量濃度為0.49；FQ20在36 ℃、培養基pH為9，培養30 h后，降解率達到最高，為87%，菌體生物量OD600 nm為0.58。

2.3 菌株的鑒定

2.3.1菌落形態及革蘭氏染色菌株F13的菌落呈黃色，表面光滑濕潤，邊緣齊整，不透明；菌株F14的菌落呈白色，表面光滑濕潤，邊緣齊整，透明；菌株FQ20的菌落呈白色，表面光滑濕潤，邊緣齊整，不透明。經革蘭氏染色初步鑒定均為陽性菌。

2.3.216S rDNA序列測序結果分析將所獲得的DNA序列提交至GenBank數據庫進行比對，用SeqPup 0.5軟件錄入，數據經編輯后用DNAstar和MEGA軟件包分析，采用 Neighbor-joining方法構建系統發育樹（圖5），發現F13與Mycobacterium vanbaalenii PYR-1的相似性最高，為99.93%；F14與Delftia tsuruhatensis T7的相似性最高，為99.27%；FQ20與Acidovorax facilis DSM649的相似性最高，為99.01%。

3小結與討論

從菲污染的土壤中分離篩選高效降解菲的菌株，是開展菲污染土壤的生物修復的基礎[12]。基于此，本研究從受石油嚴重污染的土壤中分離得到了3株對菲具有高效降解能力的菌株F13、F14、FQ20。研究表明3種菌株的生長環境均偏堿性，對熱均有一定的耐受性。不同菌株對環境介質的pH和溫度的最適要求存在差異，主要體現在對PAHs生物可利用性的改變程度和對微生物群落結構和功能酶活性上存在差異[12-15]。

菲在自然條件下的降解過程受多種環境因子和營養元素的協同影響。例如生物表面活性劑的存在能夠降低菲在環境中的毛細管張力從而促進菲的溶解，提高微生物的利用率，從而提高菲的降解率[4，15，16]。

石油污染土壤中存在著具有降解菲能力的不同屬的微生物，部分是難以人工培養的。應該進一步結合免疫培養法，全面研究降解菲及其他PAHs的微生物，把握每個屬降解菲的機理以及不同屬之間、屬與環境之間的相互作用。同時，進一步考慮多底物的存在對PAHs的微生物利用方式及其共代謝現象，以便更好地進行生物修復。近年來，采用細胞融合技術等遺傳工程手段將多種降解基因轉入同一微生物中是研究熱點，以期獲得基因工程菌使之具備廣譜性的降解能力，但提高這種基因工程菌存活能力的研究有待進一步深入。

參考文獻：

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[16]鄒德勛，駱永明，滕應，等. 多環芳烴長期污染土壤的微生物強化修復初步研究[J].土壤，2006，38（5）：652-656.

2.2.4最佳條件下菌株對菲的降解率如圖4為菌株在最佳條件下對菲的降解速率和菌體生物量OD600 nm。針對不同的菌株，將培養條件調至相應的最佳降解條件，F13在39 ℃、培養基pH為9，培養36 h后降解率達到最高，為94%，菌體生物量OD600 nm為0.52；F14在36 ℃、培養基pH為11，培養36 h后，降解率達到最高，為89%，菌體生物量濃度為0.49；FQ20在36 ℃、培養基pH為9，培養30 h后，降解率達到最高，為87%，菌體生物量OD600 nm為0.58。

2.3 菌株的鑒定

2.3.1菌落形態及革蘭氏染色菌株F13的菌落呈黃色，表面光滑濕潤，邊緣齊整，不透明；菌株F14的菌落呈白色，表面光滑濕潤，邊緣齊整，透明；菌株FQ20的菌落呈白色，表面光滑濕潤，邊緣齊整，不透明。經革蘭氏染色初步鑒定均為陽性菌。

2.3.216S rDNA序列測序結果分析將所獲得的DNA序列提交至GenBank數據庫進行比對，用SeqPup 0.5軟件錄入，數據經編輯后用DNAstar和MEGA軟件包分析，采用 Neighbor-joining方法構建系統發育樹（圖5），發現F13與Mycobacterium vanbaalenii PYR-1的相似性最高，為99.93%；F14與Delftia tsuruhatensis T7的相似性最高，為99.27%；FQ20與Acidovorax facilis DSM649的相似性最高，為99.01%。

3小結與討論

從菲污染的土壤中分離篩選高效降解菲的菌株，是開展菲污染土壤的生物修復的基礎[12]。基于此，本研究從受石油嚴重污染的土壤中分離得到了3株對菲具有高效降解能力的菌株F13、F14、FQ20。研究表明3種菌株的生長環境均偏堿性，對熱均有一定的耐受性。不同菌株對環境介質的pH和溫度的最適要求存在差異，主要體現在對PAHs生物可利用性的改變程度和對微生物群落結構和功能酶活性上存在差異[12-15]。

菲在自然條件下的降解過程受多種環境因子和營養元素的協同影響。例如生物表面活性劑的存在能夠降低菲在環境中的毛細管張力從而促進菲的溶解，提高微生物的利用率，從而提高菲的降解率[4，15，16]。

石油污染土壤中存在著具有降解菲能力的不同屬的微生物，部分是難以人工培養的。應該進一步結合免疫培養法，全面研究降解菲及其他PAHs的微生物，把握每個屬降解菲的機理以及不同屬之間、屬與環境之間的相互作用。同時，進一步考慮多底物的存在對PAHs的微生物利用方式及其共代謝現象，以便更好地進行生物修復。近年來，采用細胞融合技術等遺傳工程手段將多種降解基因轉入同一微生物中是研究熱點，以期獲得基因工程菌使之具備廣譜性的降解能力，但提高這種基因工程菌存活能力的研究有待進一步深入。

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2.2.4最佳條件下菌株對菲的降解率如圖4為菌株在最佳條件下對菲的降解速率和菌體生物量OD600 nm。針對不同的菌株，將培養條件調至相應的最佳降解條件，F13在39 ℃、培養基pH為9，培養36 h后降解率達到最高，為94%，菌體生物量OD600 nm為0.52；F14在36 ℃、培養基pH為11，培養36 h后，降解率達到最高，為89%，菌體生物量濃度為0.49；FQ20在36 ℃、培養基pH為9，培養30 h后，降解率達到最高，為87%，菌體生物量OD600 nm為0.58。

2.3 菌株的鑒定

2.3.1菌落形態及革蘭氏染色菌株F13的菌落呈黃色，表面光滑濕潤，邊緣齊整，不透明；菌株F14的菌落呈白色，表面光滑濕潤，邊緣齊整，透明；菌株FQ20的菌落呈白色，表面光滑濕潤，邊緣齊整，不透明。經革蘭氏染色初步鑒定均為陽性菌。

2.3.216S rDNA序列測序結果分析將所獲得的DNA序列提交至GenBank數據庫進行比對，用SeqPup 0.5軟件錄入，數據經編輯后用DNAstar和MEGA軟件包分析，采用 Neighbor-joining方法構建系統發育樹（圖5），發現F13與Mycobacterium vanbaalenii PYR-1的相似性最高，為99.93%；F14與Delftia tsuruhatensis T7的相似性最高，為99.27%；FQ20與Acidovorax facilis DSM649的相似性最高，為99.01%。

3小結與討論

從菲污染的土壤中分離篩選高效降解菲的菌株，是開展菲污染土壤的生物修復的基礎[12]。基于此，本研究從受石油嚴重污染的土壤中分離得到了3株對菲具有高效降解能力的菌株F13、F14、FQ20。研究表明3種菌株的生長環境均偏堿性，對熱均有一定的耐受性。不同菌株對環境介質的pH和溫度的最適要求存在差異，主要體現在對PAHs生物可利用性的改變程度和對微生物群落結構和功能酶活性上存在差異[12-15]。

菲在自然條件下的降解過程受多種環境因子和營養元素的協同影響。例如生物表面活性劑的存在能夠降低菲在環境中的毛細管張力從而促進菲的溶解，提高微生物的利用率，從而提高菲的降解率[4，15，16]。

石油污染土壤中存在著具有降解菲能力的不同屬的微生物，部分是難以人工培養的。應該進一步結合免疫培養法，全面研究降解菲及其他PAHs的微生物，把握每個屬降解菲的機理以及不同屬之間、屬與環境之間的相互作用。同時，進一步考慮多底物的存在對PAHs的微生物利用方式及其共代謝現象，以便更好地進行生物修復。近年來，采用細胞融合技術等遺傳工程手段將多種降解基因轉入同一微生物中是研究熱點，以期獲得基因工程菌使之具備廣譜性的降解能力，但提高這種基因工程菌存活能力的研究有待進一步深入。

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