喀斯特地貌中碳酸酐酶微生物鑒定與特性研究

易 哲，葉姜瑜，李大榮， 竇建軍， 石玉竹

(1.重慶大學 城市建設與環境工程學院， 重慶 400030；2.重慶融極環保有限公司， 重慶 401120)

喀斯特地貌中碳酸酐酶微生物鑒定與特性研究

易 哲1，葉姜瑜1，李大榮2， 竇建軍1， 石玉竹1

(1.重慶大學 城市建設與環境工程學院， 重慶 400030；2.重慶融極環保有限公司， 重慶 401120)

喀斯特地貌；碳酸酐酶；循環冷卻水

循環冷卻水系統運行過程中由于蒸發濃縮而產生水垢，主要是碳酸鹽垢、磷酸鹽垢、硅酸鹽垢和混合物垢，影響系統的正常換熱效率。葉姜瑜等[3]將碳酸酐酶微生物用于處理循環水的水垢，結果表明：碳酸酐酶能溶蝕硬垢且造成其結構疏松，表面被溶蝕為細小的顆粒，溶蝕效果深入到垢樣內部。在此基礎上，選取具有典型喀斯特地貌的重慶金佛山景區的土壤樣本，分離出高產碳酸酐酶菌，選取酶活性最高的一株菌，觀察其形態和生理特性，并鑒定其種屬。同時，研究了工業循環冷卻水的主要環境因子溫度、pH值、金屬離子、陰離子對高產碳酸酐酶微生物活性的影響，這將為構建高效的循環水微生物阻垢劑提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 樣本采集

夏季在金佛山古佛洞溶蝕巖石表面、古佛洞流水洞壁、苔蘚覆蓋的巖石表面及燕子洞洞口巖石表面取表層土壤作為土樣，編號1、2、3、4。

1.2 實驗儀器

實驗儀器見表1。

表1 實驗儀器

1.3 產碳酸酐酶細菌分離與篩選

將4份新鮮土壤樣品分別稱取3份，制備10-3、10-4、10-5、10-6的稀釋菌液，分別將其均勻涂布于牛肉膏蛋白胨培養平板上。挑平板上不同形態和顏色的單菌落，采取分區劃線法將其分離培養。在分離細菌的平板上挑取單菌落，采用平板劃線進一步純化。將純化后的菌種用牛肉膏蛋白胨液體培養基擴培至200 mL，留待后續分析及甘油保種。

純細菌培養物適量涂布于白堊培養基上，30 ℃ 倒置培養24～48 h。選擇能在此固體培養基上生長的細菌，測定其純細菌培養物的碳酸酐酶活性，從而篩選出能產碳酸酐酶細菌。

1.4 產碳酸酐酶細菌形態觀察與生長曲線

采用革蘭氏染色法[4]對篩選出的產碳酸酐酶細菌進行染色，并在光學顯微鏡下觀察形態。生長曲線測定：將培養好的種子液，按2 %比例接種到裝有牛肉膏蛋白胨培養基中，置于180 r/min搖床中，30 ℃恒溫振蕩培養，每2 h測OD600值。

1.5 產碳酸酐酶細菌鑒定

用無菌的槍頭挑取極少量至少經3次劃線純化的單菌落，洗脫至30.0 μL無菌超純水中(盛放在PCR管中)作為模板，16S引物采用細菌通用引物8F和1492R[5]。正向引物8F：5’-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3’；反向引物1492R：5’-CTACGGCTACCTTGTTACGA-3’。PCR反應體系為：10×PCR Buffer(不含鎂離子)，2.5 μL；MgCl2，1.5 μL；dNTP，2.0μL；上下游引物(10 uM)，各1.0 μL；Taq酶(5 U/μL)，0.4 μL；模板，2.0 μL；用無菌超純水補足25.0 μL。反應條件為：95 ℃預反應5 min；94 ℃變性1 min；56 ℃反應1 min；72 ℃退火1.5 min，反應循環35次；72 ℃延伸10 min；18 ℃保溫60 min。反應結束后，用瓊脂糖凝膠電泳檢驗其大小，將PCR產物用TaKaRa DNA凝膠回收試劑盒(D823A)進行純化。

將純化產物委托給寶生物工程(大連)有限公司進行測序分析，并將測序結果提交GenBank(http://www.ncbi.nlm.nih.gov)，與GenBank數據庫中已有細菌的16S rRNA序列進行相似性比對[6]。

1.6 碳酸酐酶的提取與純化

將細菌培養物在4 ℃、5 000 r/min下冷凍離心10 min，取上清液備用。向上清液中加入一定量的(NH4)2SO4使溶液飽和度達到75 %，此條件下析出的碳酸酐酶的酶量及活性最高[7]，并將其置于4 ℃下鹽析12 h。將鹽析后的液體在4 ℃、8 000 r/min下冷凍離心30 min，棄上清液，得到蛋白質。將蛋白質沉淀完全溶解于50.0 mmol/L、pH值8.2的HEPES-KOH緩沖溶液中，溶液過G-100葡聚糖凝膠柱，并用100.0 mmol/L、pH值7.5的Tris-H2SO4緩沖液作為洗脫液去洗脫收集粗酶液[8-10]。

1.7 碳酸酐酶活性測定

碳酸酐酶活性參照Brownell[11]等的方法略作改進后測定，該測定方法為：在一個2 ℃的冷凍反應室中，將4.5 mL冰冷的現制CO2飽和水分別加入到0.5 mL煮沸和未煮沸的CA酶液中，并測定其pH值下降一個單位所用的時間。

酶活單位數

U=10(T0/Te-1)

其中：T0為加入煮沸CA酶液組所測得的pH值下降一個單位所需的時間；Te為加入未煮沸CA酶液組所測得的pH值下降一個單位所需的時間。蛋白測定參照Lowry等[12]的方法。碳酸酐酶活性以每mg蛋白含有的酶活單位數(U/mg)表示。

1.8 細菌碳酸酐酶特性研究

1.8.1 細菌碳酸酐酶的熱穩定性研究

將從細菌中提取出的碳酸酐酶分別在10、20、30、40、50、60 ℃下處理15、30、60 min，并分別測定處理后的酶活性。

1.8.2 pH值對細菌碳酸酐酶的影響研究

將從細菌中提取出的碳酸酐酶分別在pH 值為5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、9.5、10.0、10.5下處理1 h，測定處理后的酶活性。

1.8.3 金屬陽離子對細菌碳酸酐酶的影響研究

配置一定濃度的Ca2+、Mg2+、Zn2+、Fe2+金屬陽離子溶液，分別與從細菌中提取出的碳酸酐酶以一定比例混合，使混合后的金屬離子濃度達到0.001、0.01、0.10、1.00 mmol/L，將混合溶液置于室溫下，使其平衡1 h，測定處理后的酶活性。

1.8.4 陰離子對細菌碳酸酐酶的影響研究

2 結果與討論

2.1 產碳酸酐酶細菌分離與篩選

金佛山風景區是典型的喀斯特地貌，有研究結果表明，夏秋季節土壤中CA活性較高[13]，且表層土壤的微生物種類及土壤活性更高[14]。從土樣中共分離出肉眼可見的不同形態菌落的可培養細菌16株。其中有8株菌能在白堊培養基上生長，分別為C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8。其中C8菌株在白堊培養基上生長的菌斑特別明顯，如圖1所示。通過檢測菌斑周圍水解圈的pH值發現呈弱堿性，所以需確定是由于細菌利用碳酸鈣造成的，而不是細菌產酸水解造成的[15]。

圖1 菌株C8在白堊培養基上的白堊菌斑

2.2 細菌碳酸酐酶活性測定

分別提取能產碳酸酐酶的8株細菌的碳酸酐酶，測定酶活性，結果如圖2所示。

由圖2可知：分離出的8株菌均能檢測到碳酸酐酶活性，且個體差異明顯。其中菌株C8的碳酸酐酶活性最高，達到2.12 U/mg，而C2號菌株的碳酸酐酶活性只有0.20 U/mg，這說明雖然碳酸酐酶普遍存在于原核生物中，但不同種屬的菌，其表達程度有很大差異。在此，僅對活性最高的C8菌進行進一步研究。

圖2 細菌碳酸酐酶活性

2.3 高產碳酸酐酶細菌形態及生長曲線

C8在固體選擇培養基上的菌落形態及革蘭氏染色結果見圖3。由圖3可知：C8菌為革蘭氏陽性菌，呈短桿狀。其生長曲線如圖4所示。由圖4可知：大約在18 h C8達到穩定期，以此作為后續提取碳酸酐酶的依據。

圖3 C8菌落(A)及革蘭氏染色(B：40×100)

圖4 菌株C8生長曲線

2.4 高產碳酸酐酶細菌鑒定

對C8菌進行16S rRNA序列分析，用BLAST程序將測序結果與GenBank中的己登錄的序列進行相似性分析，得出結果為：菌株C8與Bacillussp.菌的16S rDNA序列有100%的同源性。

2.5 溫度對碳酸酐酶穩定性的影響

將Bacillussp.菌的碳酸酐酶置于10、20、30、40、50、60 ℃下分別處理20、40、60 min后，酶的相對剩余活性如圖5所示。

圖5 溫度對細菌碳酸酐酶活性的影響

結果表明：3個處理時間下酶的相對活性變化趨勢大致相同，相同溫度下，隨著處理時間的加長，酶活性有所下降。溫度在10～40 ℃時，碳酸酐酶基本能維持較好的活性；超過50 ℃后，酶活下降非常明顯，僅處理20 min，就只余下70 %的活性，且隨處理時間增多，酶活繼續下降。當溫度為60 ℃時，只余下30 %的活性。循環冷卻水系統管道及換熱器中的溫度較高，碳酸酐酶處理水垢的效果受到抑制，但是集水池中的溫度一般在30 ℃，細菌碳酸酐酶能在其中維持較好的活性[3,16]。

2.6 pH值對碳酸酐酶穩定性的影響

將Bacillussp.菌的碳酸酐酶分別在pH值為5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、9.5、10.0、10.5下處理1 h，處理后的酶活性變化見圖6。

由圖6可知，碳酸酐酶最適pH值范圍是7.0～8.5。過酸過堿的環境都會對其活性有較大影響，如pH值低于6.0時，僅殘留10%左右的活性；pH值大于9.5時，活性僅余60%左右。由此可知，碳酸酐酶在pH值為6.8～9.0的循環冷卻水中能維持較高活性。

圖6 pH值對細菌碳酸酐酶活性的影響

2.7 金屬陽離子對碳酸酐酶穩定性的影響

將Bacillussp.菌的碳酸酐酶分別置于濃度為0.001、0.01、0.10、1.00 mmol/L的Zn2+、Ca2+、Mg2+、Fe2+液中，室溫處理1 h，處理后的酶活性變化見圖7。

圖7 金屬離子對細菌碳酸酐酶活性的影響

Zn2+是α-CA金屬配位層的活性中心[17-18]，而Fe2+也是β類CA活性中心的組成部分[19]，對碳酸酐酶高效催化CO2水合可逆反應十分重要。由圖可知，Fe2+和Zn2+在濃度低于0.01 mmol/L 時，有一定的增強碳酸酐酶活性激活效果，其中Zn2+的增強效果比Fe2+更明顯，在濃度0.001 mmol/L時，達到9%。當濃度高于0.01 mmol/L時，Fe2+和Zn2+都抑制了碳酸酐酶活性，但仍維持在65%以上。相反，Ca2+、Mg2+對碳酸酐酶活性則有抑制作用，隨濃度升高抑制作用越明顯，Mg2+的抑制作用比Ca2+稍強，但處理后都能維持在65%以上的活性。

2.8 陰離子對碳酸酐酶穩定性的影響

圖8 陰離子對細菌碳酸酐酶活性的影響

3 結論

1) 從土壤中篩選出來的高產碳酸酐酶微生物為Bacillussp.菌，革蘭氏陽性菌，呈短桿狀，于18 h達到生長穩定期。

2)Bacillussp.菌的碳酸酐酶能在10～40 ℃維持較高活性，溫度高于50 ℃則活性降低了70%；pH值處于7.0～8.5時活性較高，而循環冷卻水的pH值一般控制在6.8～9.5，集水池水溫與大部分管道的溫度一般控制在30 ℃左右，碳酸酐酶能在其中維持較高活性。

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(責任編輯 何杰玲)

Identification and Characterization of Bacterium with Carbonic Anhydrase in Karst Landform

YI Zhe1, YE Jiangyu1, LI Darong2, DOU Jianjun1, SHI Yuzhu1

(1.Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering, Chongqing University, Chongqing 400030, China；2.Chongqing Rongji Environmental Technology Co., Ltd.，Chongqing 401120，China)

Karst landform；carbonic anhydrase；circulating cooling water

2017-02-17 基金項目：國家科技重大專項(2013ZX07104004)

易哲(1991—)，男，碩士研究生，主要從事環境工程微生物學研究；通訊作者 葉姜瑜(1963—)，男，四川人，博士，副教授，博士生導師，主要從事環境工程微生物學研究，E-mail：yejy8888@163.com。

易哲，葉姜瑜，李大榮，等.喀斯特地貌中碳酸酐酶微生物鑒定與特性研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(8):113-119.

format：YI Zhe, YE Jiangyu, LI Darong,et al.Identification and Characterization of Bacterium with Carbonic Anhydrase in Karst Landform[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(8):113-119.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.08.019

X172

A

1674-8425(2017)08-0113-07