为解决苯磺隆残留问题,本试验利用富集驯化培养分离法,从连续多年使用苯磺隆的田间土壤中,分离筛出一株能以苯磺隆为唯一碳源、氮源生长的降解菌。通过形态学、生理生化测定及16S rDNA序列系统发育分析,鉴定该菌株为产碱杆菌。抗生素敏感试验和底物敏感试验表明:降解菌株BHL对试验浓度范围内的所有供试抗生素都表现为敏感,其中对硫酸阿米卡星最为敏感;菌株BHL可以很好的利用试验所用磺酰脲类除草剂和有机磷农药,同时还可以利用部分芳香族化合物。本研究为功能农药残留降解菌的研究提供了理论基础。
全 文 :核 农 学 报 2015,29(1):0202 ~ 0207
Journal of Nuclear Agricultural Sciences
收稿日期:2014⁃05⁃13 接受日期:2014⁃08⁃09
基金项目:山西省科技攻关项目“麦田除草剂苯磺隆残留危害的综合治理技术” (20110311022),山西农业大学博士基金“除草剂残留的安全性
评价及小麦对其响应基因性差异的研究”(412559),横向委托项目“苯磺隆残留风险评价”(2010HX02)
作者简介:赵永斌,男,主要从事化学调控与化学除草。 E⁃mail:zhaoyongbin9999@ 163. com
通讯作者:杜慧玲,女,教授,主要从事作物化学调控研究。 E⁃mail:duhuiling66@ 163. com
文章编号:1000⁃8551(2015)01⁃0202⁃06
苯磺隆降解菌的分离鉴定和特性研究
赵永斌1 霍德敏1 张天宝2 杜慧玲2
( 1 山西农业大学农学院,山西 太谷 030801;2 山西农业大学文理学院,山西 太谷 030801)
摘 要:为解决苯磺隆残留问题,本试验利用富集驯化培养分离法,从连续多年使用苯磺隆的田间土壤
中,分离筛出一株能以苯磺隆为唯一碳源、氮源生长的降解菌。 通过形态学、生理生化测定及 16S rDNA
序列系统发育分析,鉴定该菌株为产碱杆菌。 抗生素敏感试验和底物敏感试验表明:降解菌株 BHL 对
试验浓度范围内的所有供试抗生素都表现为敏感,其中对硫酸阿米卡星最为敏感;菌株 BHL 可以很好
的利用试验所用磺酰脲类除草剂和有机磷农药,同时还可以利用部分芳香族化合物。 本研究为功能农
药残留降解菌的研究提供了理论基础。
关键词:苯磺隆;降解菌;富集分离;鉴定
DOI:10 11869 / j. issn. 100⁃8551 2015 01. 0202
随着科技农业的发展,农药在田间的大量使用给
人们带来效益的同时,农药污染的环境问题也日益严
重[1 - 3]。 土壤中农药的降解途径,一般分为物理、化学
与生物过程,微生物降解与化学水解是主要降解方
式[4 - 5]。 近年来,国内外研究者开展生物强化修复农
药的研究,通过富集培养、分离筛选等技术已经筛选出
多种能够降解农药的微生物[6 - 8]。 应用微生物进行生
物修复已成为环境修复的一个主要研究方向[9]。
2011 年田方方[21]做过苯磺隆、使它隆降解菌的
研究报道,其他对苯磺隆降解菌的研究报道还较
少[10]。 因此,本研究对连续多年使用苯磺隆的麦田土
壤进行苯磺隆降解菌的分离鉴定。 通过降解菌的驯化
培养,筛选出能够高效降解苯磺隆的微生物,旨在解决
苯磺隆残留药害问题,为该除草剂的生物治理提供有
效途径[11 - 13]。
1 材料与方法
1 1 供试土壤和药品
土样为山西农业大学农作站连续多年使用苯磺隆
的麦田土壤。 苯磺隆原药(纯度 95% )由中国沈阳化
工研究所提供。
1 2 BHL菌株的分离和鉴定
1 2 1 降解菌的分离、纯化及保存 把 1 g 土样接种
于 50 mL的灭菌三角瓶中,将苯磺隆溶于少量乙腈,并
加入 25 mL 已灭菌无机盐液体培养基,在 28℃条件
下,黑暗培养 1 周后,在新鲜培养基转接吸取 1 mL 培
养液,连续驯化、富集[14]。 转接 7 次后,用接种环蘸取
少许富集培养液,划线分离。 选择不同形态特征的菌
落,重新转接至含苯磺隆 100 mg·L - 1的无机盐液体培
养基中,转接多次直至获得纯种苯磺隆降解菌,命名为
BHL,并保存在含苯磺隆的纯化培养基上。
1 2 2 形态特征观察 将 BHL在 NA(琼脂营养培养
基)平板上划线,28℃下培养并观察。 观察菌落的形
状、颜色、光泽、质地、边缘情况、表面状况(是否隆起
或凹陷;湿润、粘稠或干燥)、以及与培养基结合程度
等。 采用悬滴法进行细菌运动性观察,革兰氏染色,电
镜观察菌体大小和鞭毛着生情况。
1 2 3 生理生化测定 BHL 菌株的接触酶反应,厌
氧性,C、N 源利用,水解性以及耐盐性等生理生化指
标的测定参照东秀珠等[27]编著的《常见细菌系统鉴定
手册》,每处理 3 次重复。
1 2 4 16SrDNA序列分析 细菌基因组 DNA的提取
参照张桂山[25]和林万明[26]的方法,以 XJPrimer1:5′⁃A
202
1 期 苯磺隆降解菌的分离鉴定和特性研究
GAGTTTGATCCTGGCTCAG⁃3′ 和 XJPrimer⁃2:5′⁃ ACGG
CTACCTTGTTACGACT⁃3′ 为引物,以细菌基因组 DNA
为模板建立 PCR 反应体系,PCR 反应总体积为 50
μL,其中含 DNA 模板 2 5 ng,正反引物(10 μM)各
1 0 μL,dNTP(2 5 mM)4 0 μL,10 × Buffer(含 Mg2 + )
5 0 μL,5 U·μL - 1 Taq 酶 0 25 μL,加 ddH2O使终体积
为 50 μL。 扩增程序为 95℃ 预变性 4 min,94℃ 变性
1 min,55℃ 退火 1 min,72℃ 延伸 1 min 30 s,扩增 30
个循环后 72℃延伸 7 min,4℃保存,0 8%琼脂糖凝胶
电泳检测扩增结果。 PCR 测序由北京三博远志生物
技术有限责任公司完成。 序列校正后与 GenBank 数
据库中相关序列进行同源性比对,并用 MEGA5 0 软
件构建系统发育树。
表 1 BHL菌株部分形态学特征
Table 1 The morphology properties of strains BHL
菌株
Strains
颜色
Colour
形状
Shape
边缘
Edge
表面
Surface
透明度
Transparenc
运动性
Moveabil
革兰氏染色
Gram stain
BHL 乳白色 杆状 完整 干燥 半透明 无 —
注:“ - ”染色结果为阴性。
Note: “ - ” means negative result.
1 2 5 抗生素敏感性和底物广谱性试验 抗生素敏
感性试验采用药物纸片琼脂扩散法(简称纸片法)进
行。 试验用抗生素有先锋ⅴ、丁胺卡那、硫酸阿米卡
星、庆大霉素、红霉素、链霉素、磺胺霉素(上海振谱生
物科技有限公司)。
底物广谱性试验:在 20 mL 无机盐液体培养基中
分别加入 100 mg·L - 1苯磺隆和胺苯磺隆以及苯、甲
苯、二甲苯、萘、邻苯二酚、苯酚、毒死蜱、敌百虫、敌敌
畏、乐果、喹硫磷等,接种已活化 24 h 的降解菌株
BHL,接种浓度为 106 个·mL - 1,30℃ 上摇床培养(150
r·min - 1),观察菌体生长情况,并设置对照。
2 结果与分析
2 1 BHL的形态特征
BHL菌株的培养性状:BHL 在 NA 培养基菌落为
乳白色、表面干燥且隆起、边缘整齐完整、半透明、质地
致密、与培养基结合牢固(表 1)。 经染色观察,菌株的
革兰氏反应为阴性杆状,无鞭毛,不能运动,其中 BHL
菌体营养体大小为(1 5 ~ 2 0 μm × 0 33 ~ 0 55 μm)
(图 1)。
2 2 BHL菌的生理生化特性
由表 2 可知,BHL 菌接触酶反应呈阳性、需氧生
图 1 菌株 BHL电镜照片
Fig. 1 The electron micrographs of strains BHL
长,MR试验呈阴性,VP 试验为阳性,能水解明胶、淀
粉,利用柠檬酸盐、葡萄糖、甘露醇等为 C 源,不能利
用乳糖和丙二酸盐。 在浓度分别为 2% 、5% 、7% 的
NaCl 条件下均能生长,说明该菌株具有一定的耐盐
性。 温度试验表明,在小于等于 50℃时可以很好生
长,55℃时不可生长,说明该菌不耐高温。 BHL 的生
理生化试验表明该菌为产碱杆菌。
2 3 16S rDNA序列测定及其系统发育树的构建
BHL 菌 PCR 扩增结果如图 2 所示,扩增到的
16S rDNA序列长度为 1 433bp,序列测定及校正后,将
BHL菌株的 16S rDNA 基因序列输入 GenBank 数据
库,进行 BLAST比对,结果(图 3)表明该菌株的 16S
rDNA基因序列与数据库中多个菌种的同源性都在
99% 以上, 它们是 Alcaligenes sp. ( AJ002802 1 )、
Alcaligenes spATSB22 ( EF397580 1 )、 Alcaligenes sp.
DG⁃5 ( FJ919599 1 )、 Alcaligenes sp. IS⁃J2
(EF599757 1 )、 Alcaligenes sp. L⁃1B ( EF059713 1 )、
Alcaligenes sp. LBO⁃1 ( EF032603 1 )、 Alcaligenes sp.
NyZ215 ( EF540877 1 )、 Alcaligenes sp. PNCB1
(AY090020 1 )、 Alcaligenes sp. Yen ( AY744384 1 )、
Alcaligenes sp. ( AJ002808 1 )、 Alcaligenes sp.
(EF540877 1),并用它们构建进化树。 综合生理生化
和 16S rDNA序列分析结果,BHL 菌株被鉴定为产碱
杆菌。
2 4 抗生素敏感性和底物广谱性试验
2 4 1 抗生素敏感性试验 采用药物纸片琼脂扩散
法进行抗生素敏感试验,抗菌药物由药物纸片在琼脂
302
核 农 学 报 29 卷
表 2 BHL菌株主要生理生化特性
Table 2 The main physiological and biochemical
properties of strains BHL
生理生化特征
Characteristics
鉴定结果
Results
生理生化特征
Characteristics
鉴定结果
Results
接触酶
Peroxidase +
V⁃P反应
V⁃P reaction +
厌氧生长
Anaerobicgrowth - NaCl∶ 2% +
葡萄糖
Glucose + NaCl∶ 5% +
乳糖
Lactose - NaCl∶ 7% +
甘露醇
Mannitol + NaCl∶ 10% -
明胶水解
Glutin hydrolysis + 温度:10℃ +
柠檬酸盐利用
Citrate utilization + 温度:20℃ +
丙二酸盐利用
Disodium malonate - 温度:30℃ +
淀粉水解
Starch hydrolysis + 温度:50℃ +
MR试验
Methyl red - 温度:55℃ -
注:“ + ”表示反应呈阳性或者可以生长、利用;“ - ”表示反应呈阴
性或者不可以生长、利用。
Note: “ + ”means positive or can grow,use. ‘ - ’ means negative or
cannot grow,use.
图 3 以 16S rDNA序列为基础的 BHL菌株系统进化树
Fig. 3 The phylogenetic tree of the strain BHL based on 16S rDNA sequence
图 2 16S rDNA PCR 产物琼脂糖凝胶电泳图
Fig. 2 The agarose gel electrophoresis of product
produced by 16S rDNA PCR
生素浓度比较小未将 BHL细菌全部杀死;离滤纸片较
近的培养基抗生素浓度较大,BHL 细菌全部被杀死而
清晰透明。
2 4 2 底物广谱性试验 底物降解广谱性试验结果
见表 4。 菌株 BHL能较好的利用苯磺隆、胺苯磺隆二
种磺酰脲类除草剂;能很好的利用邻苯二酚、苯酚、对
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1 期 苯磺隆降解菌的分离鉴定和特性研究
表 3 降解菌株 BHL的抗生素敏感性试验结果
Table 3 The result of sensitivity test of strain BHL to antibiotics
抗生素
antibiotics
先锋ⅴ
Novaporin
丁胺卡那
Amikacin
硫酸阿米卡星
Amikacin
庆大
Gentamicin
红霉素
Erythromycin
链霉素
streptomycin
磺胺霉素
Sulfonamides
乙酰霉素
Acetylspramycin
添加浓度
Concentration / (mg·mL - 1)
25 30 10 40 25 10 25 25
抑菌圈
Zone of inhibition / mm 8 0 3 3 10 7 3 11 3 2 3 2 8 —
图 4 菌株 BHL对庆大霉素和先锋霉素的敏感性
Fig. 4 The sensitivities of strain BHL to gentamicin
and cephalothin
表 4 降解菌株 BHL的降解底物广谱性
Table 4 The diversity of substrates degraded by strain BHL
底物
Substrate
生长状况
Growing state
底物
Substrate
生长状况
Growing state
邻苯二酚
Catechol + +
胺苯磺隆
Ethametsulfuron⁃methyl + +
乙草胺
Acetochlor +
苯磺隆
Tribenuron⁃methyl + +
二甲苯
Dimethylbenzene +
灭草喹
Imazaquin acid +
苯酚
Phenol + +
萘
Naphthalene -
甲苯
Methylbenzene -
草甘膦
Glyphosate +
硝基苯
Nitrobenzene +
对苯二胺
p⁃Phenylenediamine +
对硫磷
Parathion + +
敌百虫
Dipterex +
毒死蜱
chlorpyrifos +
喹硫磷
Quinalphos +
乐果
Dimethoate + +
敌敌畏
Dichlorvos + +
注:“ + + ”表示可以能很好的生长、利用; “ + ”表示可以生长、利
用;“ - ”表示不可以生长、利用。
Note: “ + ”means positive or can grow,use; “ - ” means negative or
can not grow,use.
内向外扩散,试验发现在纸片周围一定距离内的 BHL
细菌受到抑制,形成一个抑菌圈。 菌株 BHL抗性谱见
表 3,BHL菌株对硫酸阿米卡星最为敏感,除乙酰霉素
外,均产生透明晕圈。 这是因为抗生素对菌株 BHL具
有一定的最小抑菌浓度。 晕圈外比较模糊,是由于抗
硫磷、敌敌畏、乐果,可以利用二甲苯、乙草胺、毒死蜱、
敌百虫、草甘膦、喹硫磷、灭草喹、对苯二胺、硝基苯;不
能利用甲苯、萘。
3 讨论
磺酰脲类除草剂的微生物降解是非常重要一种降
解途径。 大多数的除草剂可以作为某些微生物的能量
来源被微生物直接利用而使除草剂降解。 杨亚军
等[15]分离得到一个烟嘧磺隆的降解菌,经鉴定为枯草
芽孢杆菌;朱连丹[16]鉴定了氯嘧磺隆的降解菌为杂色
曲霉,黑曲霉,链霉菌属,而李丽[17]分离得到氯嘧磺隆
的降解菌为巨大芽孢杆菌;林晓燕等[19]筛选出高效降
解苄嘧磺隆的菌株,经鉴定为芽孢杆菌。 Joshi 等[20]
研究表明,对绿磺隆降解起重要作用的微生物主要是
放线菌浅灰链霉菌(Streptomycesgriseolus)、真菌黑曲霉
(Aspergillus niger)和青霉(Penicillium sp. ) 3 种。 本试
验从形态、分子水平以及降解菌的生理生化等方面对
分离纯化的苯磺隆降解菌进行鉴定,表明该菌为产碱
杆菌,与田方方[21]提取的磺酰脲类除草剂降解菌其中
的 1 株菌株相一致。 本试验研究表明降解菌株 BHL
的降解底物广谱性良好,可以为多功能菌(菌群)的研
究提供一定的应用价值[22 - 24]。
本试验分别选取 10 ~ 55℃阶段内不同温度对
BHL菌株生长进行测试,当温度小于 50℃时都能很好
的生长,然而产碱杆菌的最适生长温度是 30℃,菌株
不耐受高温;耐盐性测试表明,盐浓度应该控制在
10%以内;其他各项生理指标均对后续苯磺隆的降解
特性研究的实验条件提供了依据。
在微生物修复的研究报道中,菌株的筛选对试验
至关重要,它是影响试验成败的关键因素。 本研究分
离降解菌的土壤取自连续多年使用苯磺隆的麦田土
502
核 农 学 报 29 卷
壤,土壤菌落的结构本身经过自然的筛选,具有更强的
目的性和针对性,而 BHL对苯磺隆的降解规律还有待
进一步研究。
4 结论
本试验从连续多年施用苯磺隆的田间土壤中,分
离筛出 1 株能降解苯磺隆的菌株 BHL,对其进行了鉴
定以及较为系统详细的抗菌谱和底物广谱性研究。 菌
株 BHL可以利用苯磺隆作为唯一碳源和氮源进行生
长。 经 Blast比对,菌株 BHL 16S rDNA 与数据库中多
个 Alcaligene sp.同源性都在 99%以上。 生理生化特性
研究和 16S rDNA 序列分析表明该菌株为产碱杆菌。
菌株抗敏性的检测结果表明,菌株 BHL对试验浓度范
围内的所有供试抗生素都敏感,其中硫酸阿米卡星最
为敏感。 广谱性试验表明降解菌株 BHL 能较好的利
用苯磺隆、胺苯磺隆二种磺酰脲类除草剂,也可以很好
的利用部分有机磷农药生长,同时菌株 BHL还可以利
用部分芳香族化合物。
苯磺隆降解菌的分离鉴定及生理生化特性研究,
为解决苯磺隆药物残留问题提供了理论基础和技术支
持。
参考文献:
[ 1 ] 许贤,王贵启,樊翠芹.河北省境内播娘蒿对苯磺隆抗药性研究
[J] .华北农学报, 201l, 26(增刊): 241 - 247
[ 2 ] 魏东斌,张爱茜,韩朔睽,王连生.磺酰脲类除草剂研究进展[J] .
环境科学进展, 1999, 7(5): 34 - 37
[ 3 ] 牛志峰,杜慧玲. 不同小麦品种对苯磺隆除草剂的耐药性研究
[J] .山西农业科学, 2008, 36(2): 28 - 29
[ 4 ] 李青云,徐小芳,刘幽燕.氯氰菊酯高效降解菌 GF31 的生长特性
及其对污染土壤的修复能力[ J] . 环境工程学报, 2011, 5(6):
1425 - 1430
[ 5 ] 刘祥英,柏连阳. 土壤微生物降解磺酰脲类除草剂的研究进展
[J] .现代农药, 2006, 5(1): 29 - 32
[ 6 ] 沈东升,方程冉,周旭辉. 土壤中降解甲磺隆除草剂的微生物的
分离与筛选[J] .上海交通大学学报, 2002, 20(3): 187 - 189
[ 7 ] 李军红,颜慧,宋文华.氯磺隆讲解优势菌的筛选固定化及特性
研究[J] .农业环境科学学报, 2004, 23(5):985 - 988
[ 8 ] 夏江,梅乐和,黄俊,盛清,许静,吴晖.产 γ -氨基丁酸的乳酸菌
株筛选及诱变[J] .核农学报, 2006, 20(5):379 - 382
[ 9 ] 李朝霞,牛仙,何文艺,仝妍妍,金辉,丁成.高浓度氯苯优势降解
菌的筛选及其降解酶的纯化[ J] . 微生物学报, 2013, 53 (5):
455 - 463
[10] 杜慧玲,吴济南,王丽玲.苯磺隆对土壤酶活性的影响[ J] . 核农
学报, 2010, 24(3): 585 - 588
[11] Haimi J. Fritze H. Moilanen P. Decomposer Animals and
Bioremediation of Soils [ J ] . Environmental Pollution, 2000, 107
(2):233 - 238
[12] 滕春红,苏少泉.除草剂在土壤中的微生物降解及污染土壤的生
物修复[J] .农药, 2006, 45(8):505 - 507
[13] Brian J R;Fermor T R;Semple K T. Induction of PAH⁃catabolism in
mushroom compost and its use in the biodegradation of soil⁃associated
phenanthrene[J] . Environmental Pollution, 2002, 118(1):65 - 73
[14] 蔡瀚,尹华,叶锦韶,常晶晶,彭辉,张娜,何宝燕. 1 株苯并[ a]
芘高效降解菌的筛选与降解特性[J] .环境科学, 2013, 24(5):
1937 - 1944
[15] 杨亚军,刘顺,吴丽芬. 可降解水体中烟嘧磺隆微生物的分离与
筛选[J] .农药学学报, 2007, 9(3):275 - 279
[16] 朱连丹.土壤残留氯嘧磺隆降解菌的筛选[D].长春:吉林农业
大学. 2008,3 - 6
[17] 李丽.氯嘧磺隆高效降解菌的分离筛选及其生物学特性研究
[D].北京:中国农业科学院, 2008:1 - 3
[18] 张初署,刘阳,邢福国,杨庆利,杨勃扬. 七种培养基对黄曲霉分
离效果的比较[J] .核农学报,2013,27(2):208 - 212
[19] 林晓燕,王稀,赵宇华,丁海涛.苄嘧磺隆对淹水稻田土壤呼吸和
酶活性的影响[J] .浙江大学学报, 2008, 34(1):109 - 113
[20] Joshi M M, Brown H M, Romesser J A. Degradation of chlorsulfiiron
by soil microorganisms[J] . Weed Science,1985,33(6):888 - 893
[21] 田方方.苯磺隆、使它隆降解菌的分离鉴定及生长特性的初步研
究[D].哈尔滨:哈尔滨师范大学, 2011:4 - 12
[22] 鄢恒宇.产碱杆菌氰降解的研究[D].南宁:广西大学, 2007:3 -
11
[23] 袁媛,邢福国,刘阳.植物精油抑制真菌生长及毒素积累的研究
[J] .核农学报,2013,27(8):1168 - 1172
[24] 田伟,王磊,李刚,汪贞,李妍,张纪兵.高温纤维素降解菌的筛选
及内切酶基因的克隆表达 [ J] . 农业环境科学学报,2014,33
(4):788 - 793
[25] 张桂山. 多菌灵、呋喃丹对湖南红壤土壤微生物和酶活性的效
应及多菌灵降解细菌的分离鉴定与降解性研究[D]. 杭州:浙
江大学, 2005: 25 - 36
[26] 林万明,王颖群. 幽门螺杆菌 PCR检测的研究进展[J] . 中国微
生态学杂志, 1994, 5(4): 53 - 56
[27] 东秀珠, 蔡妙英. 常见细菌系统鉴定手册[M]. 北京:科学出版
社, 2001: 191 - 211
602
Journal of Nuclear Agricultural Sciences
2015,29(1):0202 ~ 0207
The Isolation, Identification, and the Property Research of
Degrading Bacteria of Tribenuron⁃methyl⁃methyl
ZHAO Yongbin1 HUO Demin1 ZHANG Tianbao2 DU Huiling2
( 1 College of Agriculture, Shanxi Agricultural University, Taigu, Shanxi 030801;
2 College of Arts and Sciences, Shanxi Agricultural University, Taigu, Shanxi 030801)
Abstract:In order to solove the problem of tribenuron⁃methyl⁃methyl residues, By using the method of accumulation,
domestication, culture and partition, degrading bacteria was isolated from the soil, which had used tribenuron⁃methyl⁃
methyl as the only carbon resource and nitrogen resource for many years. This degrading bacteria was identified as
alcaligenes, by the testing of morphology and the physiology biochemistry and by the phylogenetic analysis of 16S rDNA
sequence system. The sensitivity tests of antibiotic and substrate showed that the degrading bacteria BHL was sensitive to
all the tested antibiotic within the given concentration ranges, and ‘BHL’ was the most sensitive to AMK. Meanwhile,
‘BHL’ could substantially degrade the sulfonylurea herbicide and organophosphorus pesticide and partly degrade
aromatic compound used in the test.
Keywords:tribenuron⁃methyl⁃methyl, degrading bacteria, accumulation and isolation, identification
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