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Determination and characterization of nitrous oxide reductase in Mourinobacter hydrocarbonoclasticus NY4

M.hydrocarbonoclasticus NY4中N2OR的酶活测定及环境因素对酶活力的影响



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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