技术领域
本发明涉及一株简单芽孢杆菌,具体地,涉及一株具有钝化重金属功能的简单芽孢杆菌及其应用,以及含有该简单芽孢杆菌的菌剂和一种钝化重金属的方法。
背景技术
我国重金属污染问题日益突出,成为环境科学领域关注的热点问题之一。由于长期的金属冶炼,矿山开采以及污水灌溉农田,导致土壤中富集了大量的重金属污染物,对耕地土壤质量和民生健康安全造成了极大的威胁。据2014年我国环境保护部和国土资源部对全国土壤污染情况的调查结果显示,部分地区土壤重金属污染严重,受镉、砷、铅、铬等重金属污染场地面积近2万公顷,约占耕地总面积的1/5,其中全国土壤重金属镉超标率达7%,污染最为严重。
重金属镉作为机体生长发育非必需元素,是对植物、动物及人类毒性最强的重金属元素之一。重金属镉经过食物链产生生物放大作用,在较高级的生物体中富集起来,然后通过食物等渠道进入人体。当重金属镉在人体内积累到一定限度,会造成人体急性或慢性中毒,对人体器官特别是肾脏造成很大的危害。
重金属镉污染问题亟待解决。目前常用的物理修复法主要有气相抽提技术和热脱附技术;化学修复法主要有淋洗技术、固定/稳定化技术以及氧化-还原技术;生物修复方法主要有植物修复技术和微生物修复技术。
物理化学方法虽然见效快,但存在二次污染、资金不足等一系列问题;生物修复方法中的植物法是一种环境友好的修复技术,但其修复周期过长, 无法满足快速治理的需求。微生物修复技术利用微生物自身及其代谢过程中的产物将重金属钝化于环境中,降低重金属生物可利用度,对环境扰动小,相比其它修复技术具有环境友好的绝对优势,被认为是在重金属污染方面最具前景的修复技术。
筛选对重金属具有较强抗性及钝化能力的菌株,对重金属的生物钝化至关重要。虽然目前已报道了较多的镉抗性菌株,但真正能够大规模直接用于镉污染土壤生物修复的却不多。
因此,急需开发一株能够强力高效降解环境中的重金属,尤其是镉的微生物菌株。
发明内容
本发明的目的为了克服现有技术修复重金属污染工程量及能耗大,或者是容易造成二次污染,或者修复周期长的缺陷,提供一株能够在简单操作的条件下,无污染的且修复周期短的对重金属进行钝化的菌株及其应用。
为了实现上述目的,一方面,本发明提供了一种简单芽孢杆菌(Bacillus simplex),其中,所述简单芽孢杆菌的保藏编号为CGMCC No.10853。
第二方面,本发明提供了一种菌剂,其中,该菌剂含有如上所述的简单芽孢杆菌(Bacillus simplex)的菌体。
优选的,所述菌剂含有所述简单芽孢杆菌(Bacillus simplex)的死菌体
第三方面,本发明提供了如上所述的简单芽孢杆菌和/或如上所述的菌剂在重金属钝化中的应用。
优选的,所述重金属为镉。
第四方面,本发明提供了一种钝化重金属的方法,该方法包括:将如上所述的简单芽孢杆菌(Bacillus simplex),和/或如上所述的菌剂加入到含有重金属的环境中,以对所述重金属进行钝化。
优选的,所述重金属为镉。
本发明提供的菌株能够在Cd2+浓度高达300mg/L的培养基中生长,浓度低于100mg/L的Cd2+对该菌株的生长无明显影响,表现出了极强的耐镉特性;该菌株的活菌体和死菌体在水体中对低浓度的Cd2+的去除率可分别达70%和90%以上,对300mg/L的高浓度Cd2+的去除率可达30%和50%以上;在土相实验中,该菌株的死菌体、活菌体均能够有效地将重金属镉从可交换态转变为其它稳定形态,对重金属镉具有良好的钝化效果。并且,采用本发明的简单芽孢杆菌对重金属钝化,操作简便,能耗小,不会造成二次污染,并且周期较短,具有较高的经济效益和社会效益。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
生物保藏
本发明的菌株为简单芽孢杆菌(Bacillus simplex),并于2015年5月22日被保藏在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(地址:北京市朝阳区北辰西路1号院3号,中国科学院微生物研究所,邮政编码:100101)(保藏单位的缩写为CGMCC),保藏编号为CGMCC No.10853。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与下面的具体实施方式一起用于解释本发明,但并不构成对本发明的限制。在附图中:
图1是本发明提供的简单芽孢杆菌在不同镉浓度下的水相中的生长曲线。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明,并不用于限制本发明。
第一方面,本发明提供了一种简单芽孢杆菌(Bacillus simplex),其中,所述简单芽孢杆菌的保藏编号为CGMCC No.10853。
本发明的简单芽孢杆菌(Bacillus simplex)分离自安徽宣城的烟植土壤。
所述分离的方法可以为本领域常规的用于新菌株筛选的方法,例如,液相富集法或土壤环流法。
液相富集法具体可以包括:称取适量镉污染土壤样品加入到装有LB液体培养基的三角瓶中,加入适量玻璃珠。将三角瓶在28-30℃,150-170rpm下振荡;将土壤混合液转入离心管,取离心后的上清液作为镉钝化微生物的来源。将所述上清液接种到含有镉的LB液体培养基中,在28-30℃,150-170rpm下振荡培养。用无菌吸管吸取1-2mL,移入另一个富集培养三角瓶中。如此转移三次后,在不同Cd2+浓度的LB固体培养基上进行平板划线,分离单菌落。其中,LB固体培养基中分别含有50mg/L、100mg/L、200mg/L、300mg/L浓度的Cd2+。
土壤环流法具体可以包括:称取镉污染土壤与适量粒径约为3mm的砂粒混合均匀,置于环流装置的上层。下层装入LB培养基作为环流液。启动空气压缩机,开始驯化过程,期间根据环流液的蒸发情况定期补加环流液。驯化结束后,取上层土壤和下层环流液,将驯化后的微生物在不同Cd2+浓度的LB固体培养基上进行平板划线,分离单菌落。其中,LB固体培养基中分别含有50mg/L、100mg/L、200mg/L、300mg/L浓度的Cd2+。
本发明从筛选出的菌株中获得了一株对重金属镉耐抗性最强的细菌进行了DNA提取与鉴定,鉴定结果显示,该菌株的16S rDNA序列gb|KM817245.1(如SEQ ID No:1所示)与简单芽孢杆菌(Bacillus simplex) 有100%的同源性,可确定为简单芽孢杆菌简单芽孢杆菌(Bacillus simplex),并于2015年5月22日被保藏在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心,保藏编号为CGMCC No.10853。
本发明提供的简单芽孢杆菌经过培养能够产生大量简单芽孢杆菌的活菌体,所述培养的方法没有特别的要求,只要是能使所述简单芽孢杆菌增殖即可,例如可以按照107CFU/mL的接种量将简单芽孢杆菌的活菌体接种于LB培养基中,并且在好氧条件下,在25-38℃的温度下培养8-72小时后,得到培养液。
本发明可以进一步分离上述培养液中的简单芽孢杆菌的菌体,所述分离的方法没有特别的限制,只要是能从培养液中富集菌体即可,例如可以通过离心和/或过滤的方法实现,所述离心和所述过滤的条件可以为公知的条件,本发明在此不再赘述。
第二方面,本发明提供了一种菌剂,其中,该菌剂含有如上所述的简单芽孢杆菌(Bacillus simplex)的菌体。
本发明的发明人在研究的过程中意外的发现,本发明的简单芽孢杆菌的死菌体和活菌体均能够有效对金属进行钝化。因此,如上所述的简单芽孢杆菌的菌体可以为活菌体,也可为死菌体,还可以为活菌体和死菌体的混合菌体。但更令人惊奇的是,本发明的发明人发现,本发明提供的简单芽孢杆菌(Bacillus simplex)的死菌体对重金属的钝化效果更佳。
根据本发明,对于以上死菌体的制备方法没有特别的限制,例如但不限于,可以通过自然裂解制备,也可以通过热致死制备。
根据本发明,所述菌剂中所述简单芽孢杆菌的浓度没有特别的限制,可以根据具体的情况进行具体的选择,在此不再详细赘述。
另外,根据预定的用途不同,本发明提供的菌剂可以制备为不同的剂型,并添加相应的赋形剂等成分。其中,在何种剂型的菌剂中添加何种赋形剂为 本领域技术人员所公知,在此不再详细赘述。
本发明的发明人发现,虽然本发明提供的简单芽孢杆菌(Bacillus simplex)是在高Cd2+浓度下筛选得到的,但其对土壤中常规的污染重金属,例如,镍、砷、铜、铅、汞等均有一定的钝化作用。
基于以上发现,第三方面,本发明提供了如上所述的简单芽孢杆菌和/或如上所述的菌剂在重金属钝化中的应用。
本发明提供的简单芽孢杆菌对重金属,例如,镉、镍、砷、铜、铅、汞等均有一定的钝化作用,但其更适用于对重金属镉进行钝化。
本申请中,术语“钝化”是指使重金属固定在污染土壤的表面,降低重金属的生物有效性,减少植物对其吸收利用,从而达到修复重金属污染的环境的目的。
第四方面,本发明提供了一种钝化重金属的方法,该方法包括:将如上所述的简单芽孢杆菌(Bacillus simplex),和/或如上所述的菌剂加入到含有重金属的环境中,以对所述重金属进行钝化。
本发明中的所述重金属的具体选择可以为如上所述的,此处不再重复。
根据本发明,所述含有重金属污染的环境可以包括任何含有重金属的环境,例如,所述含有重金属污染的环境可以包括含有重金属,优选镉,的土壤或水体。
根据本发明,加入至所述含有重金属污染的环境中的简单芽孢杆菌的形式并没有特别的限定,只要保证加入后所述简单芽孢杆菌能够在所述含有重金属污染的环境中起作用并且对所述重金属有效钝化即可,加入的所述简单芽孢杆菌的形式,例如,可以为活菌体,也可以为死菌体,或者可以为菌液或干粉的形式。如上所述的,本发明提供的简单芽孢杆菌的死菌体对重金属的钝化效果更好,因此,本发明优选加入所述简单芽孢杆菌的死菌体。
本发明对加入的简单芽孢杆菌的量也没有特别的限制,这可以根据所述 含有重金属污染的环境中的重金属的含量以及钝化难易程度来决定,例如,当所述环境中的重金属含量较高或较难钝化时,可以提高所述简单芽孢杆菌的加入量;当所述环境中的重金属含量较低或较易钝化时,可以减少所述简单芽孢杆菌的加入量。
另外,当加入到环境中的为本发明的简单芽孢杆菌的活菌体时,还可以向环境中添加适量的适于所述简单芽孢杆菌生长的营养物质,例如,LB培养液,或者是无机盐培养液。所述无机盐培养液例如可以含有0.1-0.2%的KH2PO4,0.1-0.2%的K2HPO4,0.05-0.1%的NH4NO3,0.05-0.1%的MgSO4,0.001-0.002%的CaCl2,0.01-0.02%的FeSO4·7H2O;pH=6.8-7.0。其中,各成分含量以重量份计。
根据本发明,当所述含有重金属的环境为土壤时,为了进一步促进本发明提供的简单芽孢杆菌对重金属的钝化效率,优选的,将土壤中的水含量控制在至少15重量%,更优选为18-30重量%。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
以下实施例中:
LB液体培养基:0.8-1%的蛋白胨,0.5-0.8%的酵母粉,1-1.5%的氯化钠,pH=6.8-7.0。其中,各成分含量以重量份计。
本发明的菌株为简单芽孢杆菌(Bacillus simplex)并于2015年5月22日被保藏在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(地址:北京市朝阳区北辰西路1号院3号,中国科学院微生物研究所,邮政编码:100101)(保藏单位的缩写为CGMCC),保藏编号为CGMCC No.10853。
参比蜡状芽孢杆菌(Bacillus cereus),Huang F,Dang Z,Guo C L,et al.Biosorption of Cd(II)by live and dead cells of Bacillus cereus RC-1isolated from cadmium-contaminated soil[J].Colloids and Surfaces B:Biointerfaces,2013, 107:11-18。
制备例
将本发明的简单芽孢杆菌(Bacillus simplex)以及参比的蜡状芽孢杆菌在LB液体培养基中活化2次,所述活化在28-30℃下进行10-12小时,菌体浓度达到109CFU/mL,分别得到活化的本发明的简单芽孢杆菌(菌株Cd-w)和活化的参比的蜡状芽孢杆菌(菌株D),分别于4℃保存备用。
实施例1
本实施例用于说明本发明的简单芽孢杆菌镉对镉的耐性
将活化的菌株Cd-w接种于LB液体培养基中,28-30℃下培养至10-12h,然后取一定量的菌液(1-2体积%接种量)接入不同镉浓度(分别为0mg/L、50mg/L、100mg/L、200mg/L和300mg/L)的液体培养基,28-30℃,150-170rpm振荡培养,不同时间取样,用紫外分光光度计测定该菌株在600nm波长处的OD值,以确定其不同镉浓度下菌体的生长曲线。每个处理设置三个重复。生长曲线见图1。
由图1可以看出,Cd2+浓度低于100mg/L时,该菌株可正常生长,生长曲线未受到影响,在Cd2+浓度高达300mg/L时,该菌株的最大OD600值仍可达到4.66±0.24,表现出了该菌株对极端环境的适应性和对重金属镉极强的耐受能力。
对比例1
本实施例用于说明参比的蜡状芽孢杆菌镉对镉的耐性
按照实施例1的方法对菌株D的耐镉特性进行测试。结果显示,该菌株D只能够在300mg/L的Cd2+浓度下的OD值最高只能够达到2.31。并且Cd2+ 浓度为100mg/L时,已经影响了该蜡状芽孢杆菌的生长。
实施例2
本实施例用于说明本发明提供的简单芽孢杆菌镉对镉的钝化性能
(1)在水体中
将活化的菌株Cd-w按1-2体积%的接种量接种于液体LB培养基中,28-30℃,150-170rpm下振荡培养16-18h。其中,
一组菌体细胞先115-121℃下进行灭活处理15-20min,然后6000-8000rpm低温离心15-20min,收集死菌体,以作死细胞钝化剂。
另一组菌体细胞直接6000-8000rpm低温离心15-20min,收集活菌体,并用无菌水洗涤2-3次,以作活细胞钝化剂。
将两组细胞分别以0.1g/L的量加入到含镉(0mg/L、50mg/L、100mg/L、200mg/L、300mg/L)水溶液中进行吸附实验,处理3天后测定水体中的Cd2+浓度。结果见表1。
其中,镉含量的检测方式为:取适量处理后的水体,8000rpm离心5min,取上清液,用ICP-AES检测上清液中Cd2+浓度。
(2)在土壤中
按照(1)中方法制备死、活细胞钝化剂,分别将两种钝化剂以1g/L的量加入到含重金属镉的过筛风干土壤中,搅拌均匀,20-24℃下钝化10d,期间保持含水量为20-30%。钝化完成后,用BCR连续提取法提取土壤中各形态的重金属镉,结果见表2。步骤如下:
1.可交换态:准确称取通过100目筛的风干土壤样品1g,加40mL 0.1mol/L的HAc,放在恒温振荡器中24±1℃下连续振荡16h,然后3000-5000rpm下离心15-20min。取上清液,用ICP-AES测定Cd2+含量。
2.可还原态:加入无菌水清1中的洗残余物,振荡20-30min,离心,弃去清洗液。向残渣中加入40mL 0.5mol/L的盐酸羟胺,放在恒温振荡器中22-24℃下连续振荡15-16h,然后3000-5000rpm下离心15-20min。其余步骤同1。
3.可氧化态:向2的残渣中加入10mL H2O2,搅拌均匀,室温下静置1h左右后用水浴加热保持80-85℃1h左右,再加入10mL H2O2,在恒温水浴箱中加热保持80-85℃1h左右。冷却后,加入50mL 1mol/L的NH4Ac,放在恒温振动器中22-24℃下连续震荡16h,然后3000-5000rpm下离心15-20min。其余步骤同1。
4.残余态:向3的残渣中加入10mL HNO3,使酸和样品充分混合均匀。进行微波消解,用ICP-AES测定Cd2+含量。
对比例2-1
本对比例用于说明参比的菌种对镉的钝化性能
按照实施例2中的方法对水体和土壤中镉进行钝化,不同的是,所使用的菌株为菌株D。水中对镉的钝化性能结果见表1,土壤中对镉的钝化性能结果见表2。
对比例2-2
本对比例用于说明自然状态下镉的钝化性能
按照实施例2中的方法对水体中和土壤中的镉进行测试,不同的是,不加入任何菌株。水中对镉的钝化性能结果见表1,土壤中对镉的钝化性能结果见表2。
表1
由表1可以看出,本发明的简单芽孢杆菌(Bacillus simplex)死细胞对水体中重金属镉的钝化效果要优于活细胞,但二者菌对重金属镉具有较大的钝化量。并且本发明提供的简单芽孢杆菌(Bacillus simplex)对重金属镉的钝化效果要明显优于现有技术中的同属的蜡状芽孢杆菌对重金属镉的钝化效果。
表2
由表2可以看出,本发明的简单芽孢杆菌的死、活细胞钝化剂均能够有效地将可交换态的镉转化成为更稳定的可还原态、可氧化态和残渣态。并且,死细胞钝化剂的效果优于活细胞钝化剂,这与水体钝化结果相一致。并且本发明提供的简单芽孢杆菌(Bacillus simplex)对重金属镉的钝化效果要明显优于现有技术中的同属的蜡状芽孢杆菌对重金属镉的钝化效果。
同样的,本发明的菌种对土壤或水体中镍、砷、铜、铅、汞均有一定的的钝化效果。
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于上述实施方式中的具体细节,在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是,在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征,在不矛盾的情况下,可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复,本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外,本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合,只要其不违背本发明的思想,其同样应当视为本发明所公开的内容。