全 文 :第 14卷第 2期
2016年 3月
生 物 加 工 过 程
Chinese Journal of Bioprocess Engineering
Vol 14 No 2
Mar 2016
doi:10 3969 / j issn 1672-3678 2016 02 009
收稿日期:2015-04-13
基金项目:国家自然科学基金(31270162)
作者简介:王鹏胤(1989—),女,江苏常州人,研究方向:分子微生物学;胡 南(联系人),副教授,E⁃mail:hunan@ njtech.edu.cn
M hydrocarbonoclasticus NY4中 N2 OR的酶活
测定及环境因素对酶活力的影响
王鹏胤,高 远,高浩峰,胡 南
(南京工业大学 生物与制药工程学院,江苏 南京 211800)
摘 要:氧化亚氮(N2O)是一种主要的温室气体,其生物学减量控制已经成为研究热点。 在自然环境中,氧化亚氮
还原酶(N2OR)是唯一能将 N2O 还原成 N2的酶。 以 1 株能在高盐条件下进行厌氧及好氧反硝化作用的海杆菌
Marinobacter hydrocarbonoclasticus NY4为研究对象,建立了一种稳定的 N2OR酶活检测方法,考察了 pH、盐质量分数以
及碳氮比(C / N)等环境因素对 N2OR酶活力的影响。 结果发现:当 pH为 7时、盐质量分数为 6%~8%、C / N为 8时,
N2OR呈现出了最高的酶活。 本实验结果丰富了对 N2OR酶学特征的了解,为 N2O生物减量控制提供了部分参考。
关键词:pH;盐浓度;C / N;N2OR
中图分类号:X701 文献标志码:A 文章编号:1672-3678(2016)02-0047-04
Determination and characterization of nitrous oxide reductase in
Mourinobacter hydrocarbonoclasticus NY4
WANG Pengyin,GAO Yuan,GAO Haofeng,HU Nan
(College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering,Nanjing Tech University,Nanjing 211800,China)
Abstract:Nitrous oxide (N2O) is a major greenhouse gas,and its biological reduction has become a hot
topic. Nitrous oxide reductase ( N2OR) is the only enzyme that can reduce N2O to N2 in natural
environments. Marinobacter hydrocarbonoclasticus NY4,a halophilic bacterium with the ability of anaerobic
and aerobic denitrification,was used in this study We established a stable method to determine the activity
of N2OR,and studied the influence of key environment factors on the activity of N2OR including pH value,
salt concentration and carbon / nitrogen ratio (C / N). When pH was at 7,the salinity was 6% and C / N was
8,strain NY⁃4 exhibited the highest N2OR activity. The experimental data enriched the knowledge of the
characteristics of N2OR,and provided some references for the biological reduction of N2O.
Keywords:pH; salinity; C / N; N2OR
氧化亚氮(N2O)是 6 种主要的温室气体之一,
由它产生的温室效应为 CO2的 320 倍[1]。 超过 2 / 3
的 N2O源于土壤生态圈的氮素循环过程[2
-3],
氧化亚氮还原酶(N2OR)是唯一能将 N2O 还原
成 N2的生物酶,在很多具有反硝化功能的微生物中
都证实了它的存在[4-6]。 关于氧化亚氮还原酶的酶
学性质,目前研究甚少,其中 Ferrettl 等[7]和 Dell′
Acqua 等[8-9] 分 别 从 Alcaligenes xylosoxidans 和
Marinobacter hydrocarbonoclasticus 617 的细胞培养
物中直接分离出了 N2OR,并对其生化性质进行了
研究,他们提出反应体系中铜离子的存在及铜离子
价态差异对酶活性有重大影响;Liu 等[10]将源于
Geobacillus thermodenitrificans NG80 2 的 N2OR 编
码基因在大肠杆菌中实现了外源表达,但酶活较
低;Shen 等[11]将 Pseudomonas stutzeri ZoBell ATCC
14405中的 N2OR 编码基因导入了烟草植物,发现
植入 N2OR 编码基因的植株具有更好的 N2O 还原
能力。
笔者所在实验室成员从盐城市新滩盐场分离
到了 1株高效的反硝化细菌海杆菌 M hydrocarbo⁃
noclasticus NY4,发现其能在厌氧及好氧条件下完成
快速的反硝化反应,反硝化终端产物均为 N2,而其
底物生长范围广泛,能在 1% ~15%的盐浓度条件下
生长,因此该菌具有重要的理论研究价值和应用前
景[12]。 拟考虑到环境中影响 N2O 排放的主要因素
是 C / N和 pH[13-14]以及 M hydrocarbonoclasticus NY4
是一种耐盐的海洋微生物,因此,本实验考察了碳
氮比(C / N)、pH 以及盐浓度对 N2OR 酶活力的影
响,并建立以细胞裂解液测定 N2OR酶活的方法。
1 材料与方法
1 1 材料
菌株 M hydrocarbonoclasticus NY4 筛选自江苏
省盐城市的新滩盐场。
活化培养基(g / L):牛肉膏 5,蛋白胨 10,NaCl
80,KCl 5,MgSO4·7H2O 2 5。
发酵培养基(g / L):蛋白胨 10,酵母提取物 5,
NaCl 10,CuSO4·5H2O 0 2。
1 2 N2OR粗酶液制备
将 NY4菌种从冻存管中取出,在活化培养基中
过夜培养,然后按 1%的接种量(体积分数)转接到
100 mL 的发酵培养基,30 ℃培养 12 h,将获得的
M hydrocarbonoclasticus NY4菌液静置 24 h,离心收
集菌体,重悬于 5 mL浓度为 20 mmol / L Tris HCl缓
冲液中,超声波法进行细胞破碎(振幅 25%、频率 10
Hz、10 min),高速离心后取上清,即得粗酶液 5 mL。
粗酶液用 0 45 μm 的水系过滤后,保存在充满气体
He的西林瓶中。
1 3 N2OR酶活的测定
酶活测定方法在文献[9]的基础上进行改进,向
容量为 3 5 mL 的比色皿中加入 20 mmol / L 的 Tris
HCl缓冲液(pH 7 0)1 5 mL、10 mmol / L的甲基紫精
溶液 0 2 mL,酶液 0 1 mL,比色皿密封后反复进行抽
真空和充 He处理,用少量的 704硅胶封住针孔,以确
保比色皿在测定过程中维持厌氧状态。 用微量注射
器向比色皿中注入适量现配浓度为 50 mmol / L 的连
二亚硫酸钠溶液,后者与甲基紫精形成蓝色中间体,
使得混合反应液在 600 nm处的吸光值(A600值)保持
在 1 0~1 2,相对稳定。 向比色皿中注入 0 1 mL 的
N2O饱和溶液,启动酶催化反应,在N2OR的催化作用
下,甲基紫精与连二亚硫酸钠的蓝色中间体作为电子
供体向 N2O提供还原性电子,同时褪去蓝色,混合反
应液的 A600值也随之降低,A600斜率降低幅度反映了
N2OR酶催化反应的速率。 分光光度计记录 5 min内
每隔 10 s A600的变化(加入前 1 min与加入后 4 min),
绘制 A600值的变化曲线,并计算斜率,前 1 min内的曲
线斜率在-0 02~ 0 01 之间为有效数据,后 4 min 的
斜率为这段时间的平均斜率,在数值上,酶活力 =
(-斜率) / 11 4。 N2O饱和溶液采用 N2O气体向双蒸
水中持续鼓泡 0 5 h 的方法获得[15]。 甲基紫精的消
光系数为 11 4 mmol / (L·cm) [16]。
1 4 环境因素对 N2OR酶活的影响
配制不同环境条件下的发酵培养基,按 1%的
接种量将活化后的菌株 NY4 分别接入其中,在
30 ℃转速为 200 r / min 的条件下过夜培养。 然后,
分别取 1 mL 菌液,在波长为 600 nm 处测定吸光值
A600,作为细菌生长量的参考。 剩余的菌液按照酶
活测定方法,测定 N2OR酶活。
1 4 1 pH对 N2OR酶活的影响
配制 5份 100 mL发酵培养基,用 HCl和 NaOH
调节其 pH分别为 6、7、8、9 和 10。 此时,盐质量分
数为 2%,C / N为 10。
1 4 2 盐质量分数对 N2OR酶活的影响
配制 6 份 NaCl 质量分数分别为 0、2%、4%、
6%、8%和 10%的发酵培养基各 100 mL。 此时 pH
为 7,C / N为 10。
1 4 3 C / N对 N2OR酶活的影响
发酵培养基中的总氮为 3 000 mg / L,化学需氧量
(COD)为30 g / L,C / N为10,通过添加NaNO3 作为无机
氮调节培养基的 C / N分别至 3、4、5、6、7、8、9和 10,每
份配制 100 mL。 此时的 pH为 7,盐质量分数为 2%。
2 结果与讨论
2 1 海杆菌 NY4的 N2OR酶活测定
根据实验方法制取菌株 NY4的粗酶液,以不具
有 N2OR酶活的大肠杆菌作为阴性对照。 反应过程
84 生 物 加 工 过 程 第 14卷
中的 A600值变化曲线如图 1所示。 由图 1可知:在 5
min的测定过程中,含有 N2OR 酶活的 NY4 粗酶液
使甲基紫精与连二亚硫酸钠形成的蓝色中间体褪
色明显,在反应的第 1~2 min内尤为剧烈,表明此时
大量的还原性电子从蓝色中间体传递至 N2O 并将
后者还原成 N2,而不含有 N2OR 酶的大肠杆菌细胞
裂解液几乎不能催化 N2O 的还原反应。 根据拟合
直线的斜率计算出酶活:0 1 mL 粗酶液的酶活为
0 05 U,依此推算,5 mL 粗酶液(100 mL 菌液)中
N2OR的总酶活为 2 50 U。
图 1 测定 N2OR酶活时 A600的变化
Fig 1 Changes of A600 in the assaying
of N2OR activity
N2OR对 O2 极为敏感,反应体系在整个测定过
程中均要求维持厌氧状态,包括混合溶液中的溶解
氧也要去除干净,因此,N2OR 的酶活测定相对困
难,Dell′acquq等[9]采用厌氧手套箱完成整个测定
过程,由于常规分光光度计难以放置在实验室小型
厌氧手套箱内,因此笔者改进了测定方法,采用向
封闭比色皿中混合溶液反复冲加气体 He 的策略,
有效地维持了其厌氧状态,从而对 N2OR 的酶活进
行了准确测定。
2 2 pH对 N2OR酶活性的影响结果
实验设置了 5 个 pH 梯度,但当 pH 为 6 时,
M hydrocarbonoclasticus NY4生长状况极差,因此没
有进行后续的酶活测定及分析。 从图 2 可以看出,
菌体生长量及 N2OR酶活在 pH为 7时均为最大,并
随着 pH值的上升呈现同步下降现象,相对于菌体
生长,酶活下降则更为明显,尤其当 pH 为 10 时,
N2OR酶活急剧下降。 Dell′acquqa 等[9]在研究中指
出,N2OR对 pH 变化是敏感的,在碱性条件下能获
得更高的酶活。 而在实验结果中,酶活在 pH 为 7
的中性条件下达到最高,随着碱性提高,N2OR 酶活
损失明显,这与土壤环境中 N2O 的释放规律是一致
的,研究表明自然环境中 N2O 的排放通常与环境
pH呈正相关关系[17]。
图 2 pH对菌体生长及 N2OR酶活的影响
Fig 2 Effects of pH on the cell growth
and N2OR activity
2 3 盐质量分数对 N2OR酶活性的影响结果
M hydrocarbonoclasticus NY4 是一种海洋微生
物,盐质量分数对其生长代谢及反硝化能力都有影
响[12],结果如图 3 所示,由图 3 可知:菌体的最适生
长盐质量分数为 2%,当盐质量分数为 8%时,菌体
表现出最高的总氮去除能力。 随着盐质量分数的
增加,N2OR 的酶活呈现上升趋势。 当盐质量分数
大于 6%时,即使细胞生长受到抑制,但 N2OR 酶活
稳定在 2 50 U左右,而当盐质量分数低于 4%时,酶
活显著降低,这个结果也部分解释了前期实验中发
现的高盐条件下获得更高总氮去除率的现象。 推
测的原因有二:一是较高盐条件下,N2OR 编码基因
的转录表达量增加;二是高盐条件下, N2OR具有更
高的底物催化效率。 具体原因有待后续实验证实。
图 3 盐质量分数对菌体生长及 N2OR酶活的影响
Fig 3 Effects of salinity on the cell growth
and N2OR activity
2 4 C / N对 N2OR酶活性的影响结果
N2OR的电子竞争力较弱,足够的还原性电子有
利于 N2O 的还原,而还原力是由碳源提供的,因此,
C / N对 N2OR的活性及 N2O 的排放有较大影响[13]。
94 第 2期 王鹏胤等:M hydrocarbonoclasticus NY4中 N2OR的酶活测定及环境因素对酶活力的影响
本实验采用固定碳源改变氮源的方式研究 C / N 对
N2OR酶活的影响,结果如图 4 所示。 由图 4 可知:
C / N对菌体生长影响较小,尤其是当 C / N为 4~9时,
菌体生长平稳;但 C / N 的变化对 N2OR 酶活影响明
显,当 C / N小于 8时,N2OR酶活随着 C / N的升高而
增加,当 C / N为 8时酶活力达到峰值。
图 4 C / N对菌体生长及 N2OR酶活的影响
Fig 4 Effects of C / N on the cell growth
and N2OR activity
3 结论
N2O的排放及减量控制受到了环境工作者越来越
多的关注,而氧化亚氮还原酶是自然环境中唯一能直
接将 N2O还原为 N2的生物酶。 本实验以一株源自海
洋具备处理含盐含氮废水能力的细菌 M hydrocarbon⁃
oclasticus NY4为研究对象,建立了氧化亚氮还原酶的
酶活测试方法,考察了几种主要的环境因素对 N2OR
酶活力的影响,结果表明,当pH 7 时、盐质量分数为
6%~8%以及 C / N为 8时,菌体细胞表现出了最大的
N2OR活力。 研究结果对 M hydrocarbonoclasticus NY4
中N2OR的酶活及影响因素进行了真实的评价,也为这
一类型反硝化细菌的后续应用提供了有力参考。
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(责任编辑 周晓薇)
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