一株新型Kerstersia gyiorum 菌株CY-2对 Cr(VI) 的还原性能

游胜雄, 王义安, 林华, 李唐铭, 柏家欢, 赖才星. 一株新型Kerstersia gyiorum 菌株CY-2对 Cr(VI) 的还原性能[J]. 环境工程学报, 2023, 17(12): 4096-4106. doi: 10.12030/j.cjee.202307038
引用本文: 游胜雄, 王义安, 林华, 李唐铭, 柏家欢, 赖才星. 一株新型Kerstersia gyiorum 菌株CY-2对 Cr(VI) 的还原性能[J]. 环境工程学报, 2023, 17(12): 4096-4106. doi: 10.12030/j.cjee.202307038
YOU Shengxiong, WANG Yian, LIN Hua, LI Tangming, BAI Jiahuan, LAI Caixing. Reduction properties of Cr(VI) by a novel Kerstersia gyiorum strain CY-2[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2023, 17(12): 4096-4106. doi: 10.12030/j.cjee.202307038
Citation: YOU Shengxiong, WANG Yian, LIN Hua, LI Tangming, BAI Jiahuan, LAI Caixing. Reduction properties of Cr(VI) by a novel Kerstersia gyiorum strain CY-2[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2023, 17(12): 4096-4106. doi: 10.12030/j.cjee.202307038

一株新型Kerstersia gyiorum 菌株CY-2对 Cr(VI) 的还原性能

    作者简介: 游胜雄 (1996—) ,男,硕士研究生,1875074098@qq.com
    通讯作者: 林华(1984—),男,博士,教授,linhua5894@163.com
  • 基金项目:
    国家自然科学面上基金资助项目(52070051, 52170154);广西科技计划项目(2020GXNSFAA297256);广西高等学校高水平创新团队及卓越学者计划资助(桂财教函[2018]319);广西八桂学者和特聘专家项目;井冈山大学(自然科学)博士科研启动项目(JZB2307)
  • 中图分类号: X703

Reduction properties of Cr(VI) by a novel Kerstersia gyiorum strain CY-2

    Corresponding author: LIN Hua, linhua5894@163.com
  • 摘要: 为探究李氏禾人工湿地-微生物燃料电池中铬还原菌与Cr(Ⅵ)的相互作用关系,从中筛选一株具有Cr(VI)还原能力的菌株CY-2,并对该菌还原Cr(VI)的特性和机制进行了探究。通过16S rRNA基因序列鉴定,该菌CY-2为Kerstersia gyiorum (OQ773627),其对Cr(VI)的最低抑制浓度为300 mg·L−1;在较宽的pH(4.0~9.0)、温度(27~52 ℃)和接种量(1%~20%)内还原Cr(VI);并在pH=6.0、37 ℃和10%接种量下,该菌在36 h内对50 mg·L−1 Cr(VI)的还原率为100%,对100、150、200和250 mg·L−1 的Cr(VI)在120 h内的还原率分别为62%、42%、25%和16%。此外,菌株CY-2对Mg2+、Mn2+、Cd2+、Cu2+、Co2+、Ni2+和Zn2+具有高耐受性,对呋喃唑酮、利福平和甲硝唑抗生素表现出耐药性,而对其他抗生素表现出敏感性。SEM-EDX和FTIR表征结果表明,菌株CY-2不对铬进行生物吸附;铬的存在导致了细菌细胞表面官能团的变化,并使含硫酸盐分子减少,从而该菌可能通过还原、生物累积和外排等机制有效还原铬。以上结果表明所筛选出的菌株CY-2在铬污染场地的有效生物修复中具有潜在的应用价值。
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  • 图 1  分离的5株细菌对Cr(VI)的最低抑制浓度

    Figure 1.  The minimum inhibitory concentration of Cr(VI) for the five isolated bacterial strains

    图 2  在50 mg·L−1 Cr(VI)下菌株 CY-2 的生长曲线和铬还原曲线

    Figure 2.  Growth curve and chromium reduction curve of strain CY-2 at 50 mg·L−1 Cr(VI)

    图 3  菌株CY-2的菌落形态和革兰氏染色特征

    Figure 3.  Colony morphology and Gram staining characteristics of strain CY-2

    图 4  菌株CY-2基于 16S rRNA 基因序列同源性的系统发育树

    Figure 4.  Phylogenetic tree of strain CY-2 based on 16S rRNA gene sequence homology

    图 5  不同pH条件下菌株 CY-2 的生长曲线和铬还原曲线

    Figure 5.  Growth curves and chromium reduction curves of strain CY-2 at different pHs

    图 6  不同温度下菌株 CY-2的 生长曲线和铬还原曲线

    Figure 6.  Growth curves and chromium reduction curves of strain CY-2 at different temperatures

    图 7  不同接种量下菌株 CY-2 的生长曲线和铬还原曲线

    Figure 7.  Growth curves and chromium reduction curves of strain CY-2 at different inoculum levels

    图 8  不同Cr(VI)浓度下菌株 CY-2 的生长曲线和铬还原曲线

    Figure 8.  Growth curves and chromium reduction curves of strain CY-2 at different Cr(VI) concentrations

    图 9  金属离子对菌株 CY-2 还原Cr(VI)效果的影响

    Figure 9.  Effect of metal ions on the reduction of Cr(VI) by strain CY-2

    图 10  菌株CY-2在不同抗生素下的生长状况

    Figure 10.  Growth conditions of strain CY-2 under different antibiotics

    图 11  菌株CY-2与铬反应前后的SEM-EDX图

    Figure 11.  SEM-EDX plot of strain CY-2 before and after reaction with chromium

    图 12  菌株CY-2与Cr(VI)反应前后的 FT-IR 图谱

    Figure 12.  FT-IR spectra of strain CY-2 before and after reaction with Cr(VI)

    表 1  菌株CY-2的耐药性分析

    Table 1.  Drug resistance analysis of strain CY-2

    抗生素药片含量/ug抑菌环直径/mm结果
    克拉霉素(CLR)1022.48S
    阿莫西林(AML)1535.60S
    甲硝锉(MTZ)50.00R
    四环素(TE)3022.02S
    利福平(RD)57.80R
    左氧氟沙星(LEV)524.12S
    庆大霉素(CN)1021.36S
    呋喃唑酮(FR)10013.26R
      注:“R”表示耐药,“S”表示敏感。
    抗生素药片含量/ug抑菌环直径/mm结果
    克拉霉素(CLR)1022.48S
    阿莫西林(AML)1535.60S
    甲硝锉(MTZ)50.00R
    四环素(TE)3022.02S
    利福平(RD)57.80R
    左氧氟沙星(LEV)524.12S
    庆大霉素(CN)1021.36S
    呋喃唑酮(FR)10013.26R
      注:“R”表示耐药,“S”表示敏感。
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-07-10
  • 录用日期:  2023-09-26
  • 刊出日期:  2023-12-26
游胜雄, 王义安, 林华, 李唐铭, 柏家欢, 赖才星. 一株新型Kerstersia gyiorum 菌株CY-2对 Cr(VI) 的还原性能[J]. 环境工程学报, 2023, 17(12): 4096-4106. doi: 10.12030/j.cjee.202307038
引用本文: 游胜雄, 王义安, 林华, 李唐铭, 柏家欢, 赖才星. 一株新型Kerstersia gyiorum 菌株CY-2对 Cr(VI) 的还原性能[J]. 环境工程学报, 2023, 17(12): 4096-4106. doi: 10.12030/j.cjee.202307038
YOU Shengxiong, WANG Yian, LIN Hua, LI Tangming, BAI Jiahuan, LAI Caixing. Reduction properties of Cr(VI) by a novel Kerstersia gyiorum strain CY-2[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2023, 17(12): 4096-4106. doi: 10.12030/j.cjee.202307038
Citation: YOU Shengxiong, WANG Yian, LIN Hua, LI Tangming, BAI Jiahuan, LAI Caixing. Reduction properties of Cr(VI) by a novel Kerstersia gyiorum strain CY-2[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2023, 17(12): 4096-4106. doi: 10.12030/j.cjee.202307038

一株新型Kerstersia gyiorum 菌株CY-2对 Cr(VI) 的还原性能

    通讯作者: 林华(1984—),男,博士,教授,linhua5894@163.com
    作者简介: 游胜雄 (1996—) ,男,硕士研究生,1875074098@qq.com
  • 1. 桂林理工大学环境科学与工程学院,桂林 541000
  • 2. 桂林理工大学,广西岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心,桂林 541000
  • 3. 井冈山大学生命科学学院,吉安 343000
基金项目:
国家自然科学面上基金资助项目(52070051, 52170154);广西科技计划项目(2020GXNSFAA297256);广西高等学校高水平创新团队及卓越学者计划资助(桂财教函[2018]319);广西八桂学者和特聘专家项目;井冈山大学(自然科学)博士科研启动项目(JZB2307)

摘要: 为探究李氏禾人工湿地-微生物燃料电池中铬还原菌与Cr(Ⅵ)的相互作用关系,从中筛选一株具有Cr(VI)还原能力的菌株CY-2,并对该菌还原Cr(VI)的特性和机制进行了探究。通过16S rRNA基因序列鉴定,该菌CY-2为Kerstersia gyiorum (OQ773627),其对Cr(VI)的最低抑制浓度为300 mg·L−1;在较宽的pH(4.0~9.0)、温度(27~52 ℃)和接种量(1%~20%)内还原Cr(VI);并在pH=6.0、37 ℃和10%接种量下,该菌在36 h内对50 mg·L−1 Cr(VI)的还原率为100%,对100、150、200和250 mg·L−1 的Cr(VI)在120 h内的还原率分别为62%、42%、25%和16%。此外,菌株CY-2对Mg2+、Mn2+、Cd2+、Cu2+、Co2+、Ni2+和Zn2+具有高耐受性,对呋喃唑酮、利福平和甲硝唑抗生素表现出耐药性,而对其他抗生素表现出敏感性。SEM-EDX和FTIR表征结果表明,菌株CY-2不对铬进行生物吸附;铬的存在导致了细菌细胞表面官能团的变化,并使含硫酸盐分子减少,从而该菌可能通过还原、生物累积和外排等机制有效还原铬。以上结果表明所筛选出的菌株CY-2在铬污染场地的有效生物修复中具有潜在的应用价值。

English Abstract

  • 铬是一种常见的剧毒重金属,广泛应用于金属电镀、合金制造、皮革鞣制、木材保存和陶瓷制造等工业制造业中[1-2];其中,Cr(VI)和Cr(III)是最常见的2种形态[3]。与Cr(III)相比,Cr(VI)具有更高的溶解度和流动性,使其对细胞毒性和诱变的危害性高出100倍[4-5]。质量浓度≥0.2 mg·mL−1的Cr(VI)和质量浓度≥1.0 mg·mL−1的Cr(III)会损害细胞遗传物质[6]。鉴于Cr(VI)对环境和人体的危害,美国环境保护局将其列为A级人类致癌物[7]。传统的铬处理方法(如吸附/积累、离子交换和化学沉淀等)存在成本高、产生有毒污泥及衍生污染物等缺点[8-9]。相比之下,生物修复技术具有成本低、便于大规模执行、高效率、特异性和环境兼容性强等优点[1012]。近年来,从铬污染场地分离出的微生物已成为解毒/还原Cr(VI)的研究热点,为实现铬污染环境的生物修复提供了一种安全和生态友好的选择[13-14]

    近年来,本课题组围绕人工湿地-微生物燃料电池(constructed wetland-microbial fuel cell, CW-MFC)中湿地植物李氏禾[15]、不同构型[16]和不同基质碳源[17]下的电化学性能、污染物净化效果和电子传递机制[18]等方面进行了一系列研究。为了探究CW-MFC中特异性耐铬菌或具有铬还原能力菌种,还需进一步探究特异性微生物对Cr(VI)的作用机制。研究人员已分离出多种具有铬生物修复能力的细菌,并对它们与铬的相互作用进行了深入研究[19-20]。据报道,细菌通过多种机制对抗Cr(VI)的毒性,包括络合、离子交换、配位、吸附、螯合和微沉淀、还原和外排等[21-22]。例如,LIAO等[23]研究证明了超氧化物歧化酶和Na+/H+反转运蛋白是phagmitetus BB中解毒Cr(VI)的关键抗氧化系统。GANG等[24]研究表明,在希瓦氏菌MR-1(Shewanella oneidensis MR-1)中,与鞭毛组装、核糖体、运输、硫代谢和能量代谢相关的蛋白质参与了长期对铬的适应。此外,嗜酸窄养单胞菌(Microbacterium paraoxydans)和纤维素微生物(Cellulosimicrobium sp.)利用铬还原酶成功修复Cr(VI)[25-26]。细菌还原Cr(VI)具有复杂的反应机制,尽管Cr(VI)解毒的一般机制已被广泛研究,但对于CW-MFC系统中特异性功能微生物对铬的解毒机制所具有的复杂网络仍需进一步探究。

    本研究拟对从李氏禾CW-MFC反应器中筛选出的铬还原菌进行形态学和分子生物学鉴定,并拟研究其对Cr(VI)还原特性及机制;旨在丰富修复铬污染的微生物菌种资源,同时揭示在李氏禾CW-MFC中微生物还原 Cr(VI)过程中的生物学过程。

    • 实验所用的菌株CY-2来源于李氏禾CW-MFC反应器[18]的阳极区域,经鉴定为圆形、灰白色、革兰氏阴性杆菌。Cr(VI)母液(1 000 mg·L−1):首先将2.829 g重铬酸钾盐干燥2 h,再溶于1 L 超纯水中并过滤灭菌。通过在培养基中稀释母液以得到所需浓度。LB培养基中含有10 g胰蛋白胨、5 g酵母提取物、 10 g NaCl、超纯水 1 L。将pH调节至 7.0~7.2,然后在121 ℃下高压蒸汽灭菌15 min。固体培养基中琼脂的投加量为1.5%~2.0%。

    • 1)通过富集培养法分离出耐铬菌株[27]。将富集后的菌液进行梯度稀释,然后涂布在含有50 mg·L−1 Cr(VI)的LB固体培养基上[28],再倒置于恒温培养箱中,在37 ℃下培养 48 h。最后从中挑选5个形态各异的菌落,分别标记为CY-1、CY-2、CY-3、CY-4和CY-5,以用于进一步研究。

      2)将5个菌株的指数期菌液接种到Cr(VI)质量浓度为50、100、150、200、250、300 、350和400 mg·L−1 的 LB培养基中,并在37 ℃,200 r·min−1的摇床上培养24 h。观察菌株的生长情况,并确定最低抑菌浓度(minimum inhibitory concentration,MIC) 。每个实验进行3次重复。

      3)根据MIC结果,选择MIC最高的菌株,将其接种到Cr(VI)质量浓度为50 mg·L−1 的 LB培养基中,在37 ℃,200 r·min−1的摇床上振荡培养120 h。以不加菌的培养基作对照,其他处理相同。每个实验进行3次重复。每间隔12 h取样,监测细菌生长情况,并检测上清液中Cr(VI)的残余量和总铬变化,以确定细菌的还原潜力。

    • 采用广东环凯微生物科技有限公司购入的试剂盒对MIC最高的菌株进行形态和生化特性的初步鉴定。为了确定MIC最高的菌株的属种,采用16S rRNA序列检测方法。使用DNA提取试剂盒(广州艾基生物)提取细菌DNA。然后使用16S引物组27F/1492R(27F: 5-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3和1492R: 5-GGTTACCTTGTTACGACTT-3)进行PCR扩增[29],得到约1 400 bp的PCR产物。将获得的 PCR产物纯化后委托广州艾基生物技术有限公司完成测序。然后通过National Center for Biotechnology Information(NCBI)数据库进行比对分析[30]。最后利用MEGA7.0软件构建系统发育树,并进行同源性分析。

    • 在50 mg·L−1 Cr(VI)的LB培养基中进行还原实验,将培养液中的pH分别调至4.0、5.0、6.0、7.0、8.0和9.0,在37 ℃、10%接种量、200 r·min−1条件下,每间隔12 h取样,检测pH对MIC最高的菌株生长和还原Cr(VI)的影响。菌株最适生长温度的实验设计同pH影响实验,初始pH控制在7.0,温度依次设定为27、32、37、42、47和52 ℃,检测温度对MIC最高的菌株生长和还原Cr(VI)的影响。接种量实验中分别设置接种量为 1% 、5% 、10% 、15% 和 20%,检测接种量对MIC最高的菌株生长和还原Cr(VI)的影响。在最佳pH、温度和接种量条件下,调节Cr(VI)的初始质量浓度为50、100、150、200和250 mg·L−1,研究Cr(VI)初始浓度对MIC最高的菌株还原反应的影响。调节 Cr(VI)初始质量浓度为100 mg·L−1,将金属离子Mg2+、Mn2+、Cd2+、Cu2+、Co2+、Ni2+和Zn2+以50 mg·L−1的质量浓度加入到培养基中,分析金属离子对MIC最高的菌株还原Cr(VI)的影响。每隔12 h取样,监测细菌生长情况,并检测上清液中的Cr(VI)的残余量。每组实验设置 3 个重复。

    • 将MIC最高的菌株的菌悬液(2×109 CFU·mL−1)涂布在不含铬的LB固体培养基上,然后添加不同抗生素(克拉霉素、阿莫西林、甲硝锉、四环素、利福平、左氧氟沙星、庆大霉素和呋喃唑酮)。在37 ℃下培养72 h后,根据抑菌圈直径大小评估对抗生素的敏感性[21]

    • 在Cr(VI)质量浓度为100 mg·L−1和不含铬的LB培养基中培养MIC最高的菌株,48 h后收集细胞样品。采用扫描电子镜显微镜(SEM,捷克TESCAN MIRA LMS)对细菌表面形貌进行观察,并利用能量色散 X射线谱仪(EDX)来确定元素含量。采用傅立叶红外光谱仪(FTIR,美国Frontier)在 400~4 000 cm−1内测定细胞内官能团变化。

    • 取2 mL的菌液于紫外分光光度计(上海仪电分析仪器有限公司)600 nm 处检测其吸光度(OD),即为菌体的浊度(或浓度)。使用电感-等离子体发射光谱(ICP-OES,美国Qpetima7000DV)测定培养基中的总铬。采用二苯碳酰二肼分光光度法(DPC),在540 nm处检测培养基中剩余的Cr(VI)浓度 [31]

    • 图1所示,菌株CY-2对Cr(VI)的耐受性最高,MIC为300 mg·L−1。有研究表明,分离的细菌对铬的耐受性差异很大,从受污染场地分离出的大宝山芽孢杆菌(Bacillus dabaoshanensis sp.)能耐受高达600 mg·L−1的Cr(VI)[32],而克雷白氏菌(Klebsiella pneumoniae)和Mangrovibacter yixingensis分别对80 mg·L−1和100 mg·L−1的Cr(VI)表现出抗性[33]。细菌的耐受水平可能与其周围环境中铬的浓度呈正相关,且细菌固有的铬抵抗能力和适应性决定了它们修复铬的能力[34]。因此,后续实验选择菌株CY-2进行生物修复潜力的研究。

    • 在50 mg·L−1 Cr(VI)处理下,菌株CY-2的生长曲线和对铬的去除效果如图2(a)和图2(b)所示。可以看出,菌株CY-2生长良好,在60 h内对Cr(VI)还原率高达90%,而对总铬的去除率较低。表明CY-2 主要通过还原作用,将 Cr(VI)还原为 Cr(III)。同时,发现菌株CY-2在48 h后对Cr(VI)的还原保持稳定,这一现象可归因于在较高铬浓度下,生物积累的Cr(VI)流出细胞以减少细胞内损伤[10,35]。需要注意的是,还原实验中只定量分析了Cr(VI),而在总铬去除的研究同时考虑了Cr(VI)和Cr(III)的总含量[12,24]。因此,菌株CY-2可能生物积累 Cr(VI),同时将 Cr(VI) 还原为 Cr(III),进而使铬离子主动从细胞中释放出来。

    • 菌株CY-2的菌落形态见图3。可以看出,CY-2在平板上形成灰白色的圆形菌落(图3(a)),并且该菌为革兰氏阴性杆菌(图3(b))。生化测试结果表明,CY-2的接触酶反应、氧化酶反应、H2S反应、甲基红反应、硝酸盐(还原) 反应 、明胶液化反应、葡萄糖均为阳性,而V-P实验、蔗糖反应、西蒙氏柠檬酸盐反应均为阴性。此外,通过16S rRNA 测序并上传NCBI进行序列同源性分析。发现CY-2与 Kerstersia gyiorum的相似性最高,同源性达到 99.64%。根据CY-2的生理生化特征,进一步确认其为Kerstersia属。K. gyiorum属于Alcaligenaceae科,与AlcaligenesBordatellaAchromobacterPigmentiphaga属关系密切[36]。TEKERLEKOPOULOU等[37]发现Kerstersia属与Cr(VI)在悬浮反应器和附着反应器中的降解密切相关,因此,菌株CY-2可能在铬污染环境中具有生存适应能力,并且有潜力成为一种有效的生物修复工具。该菌株的16S rRNA序列已在NCBI上提交,登录号为OQ773627并使用Mega7.0程序构建菌株CY-2的系统发育树(图4)。

    • 1) pH对菌株CY-2生长和还原Cr(VI)的影响。由图5(a)可知,CY-2在培养基pH为6.0~9.0之间呈现出良好的生长状态,而在pH为4.0和5.0时生长受到了明显抑制。由图5(b)可以看出,CY-2可以在较宽的pH范围(4.0~9.0)下还原Cr(VI),且还原Cr(VI)的最佳pH为6.0,36 h内对Cr(VI)的还原率可达100%。培养基的pH过高或过低均会影响细菌生长,从而导致该菌的铬还原能力减弱[38]。FOCARDI等[39]研究表明,中度嗜卤菌株TA-04(Halomonas sp. TA-04)在pH为6.0~7.0时对Cr(VI)的还原酶活性最大。MURUGAVELH等[40]研究表明,嗜盐单胞菌(Halomonas sp.)还原Cr(VI)的最佳pH在6.0~7.0,这与本研究结果一致。

      2)温度对菌株CY-2生长和还原Cr(VI)的影响。由图6(a)可知,菌株CY-2在27~47 ℃时正常生长,但超过52 ℃生长受到抑制。而图6(b) 可见,CY-2可以在较宽的温度范围(27~52 ℃)下还原Cr(VI),最适温度为37 ℃,对Cr(VI)的还原率可达92%。在不同温度条件下,不同的细菌对Cr(VI)的还原效果也不同。有研究[31]表明,菌株IFR-2和IFR-3生长和还原Cr(VI)的最佳生长温度为35~40 ℃,而Bacillus dabaoshanensis sp.细菌的最佳生长温度为30~37 ℃[32]

      3)接种量对菌株CY-2生长和还原Cr(VI)的影响。如图7所示,菌株CY-2在1%~20%的初始接种量下能够良好地生长,并且随着初始接种量从1%增加到10%,该菌对Cr(VI)的还原率逐渐提高。然而,当初始接种量超过10%时,Cr(VI)还原率反而下降,所以CY-2还原Cr(VI)的最佳接种量为10%,还原率为93%。这表明增加细菌的初始接种量可以在一定程度上提高Cr(VI)的还原率,并减少生长延迟时间[41];但这也可能导致细菌在生长过程中对营养物质发生竞争作用,从而导致Cr(VI)还原率下降[42]

      4) Cr(VI)初始质量浓度对菌株CY-2生长的影响。如图8(a)所示,在0 mg·L−1和50 mg·L−1的Cr(VI)质量浓度下,细菌的生长状态在24~120 h内仅略微下降,然而当Cr(VI)质量浓度超过100 mg·L−1时,该菌的生长状态下降更为明显。对照实验结果表明,在无铬条件下,该菌的生长曲线呈现出一个短暂的平稳期和下降期。但在Cr(VI)的存在下,由于其对细菌生长具有毒性和抑制作用,导致CY-2生物量减少,并延长适应高胁迫条件的滞后期[43]。LIU等[44]评估了5~100 mg·L−1 Cr(VI)对芽孢杆菌XW-4(Bacillus sp. XW-4)的生长影响,结果表明,当Cr(VI) 质量浓度为100 mg·L−1时,细菌生长受到显著影响;而在Cr(VI) 质量浓度为5~20 mg·L−1时,对细菌的生长影响相对较小。SHEKHAR等[45]也研究了假单胞菌V3(Pseudomonas sp. V3)在逐渐增加Cr(VI) 质量浓度(20~200 mg·L−1)下的细菌生长动力学,结果表明,在初始较低的20 mg·L−1质量浓度下,细菌细胞生长达到最大值;而在较高的Cr(VI) 质量浓度(200 mg·L−1)下,细菌生长显著降低。

      Cr(VI)初始质量浓度对菌株CY-2还原Cr(VI的影响。结果如图8(b)所示,可以看出不同的初始Cr(VI)浓度显著影响CY-2还原Cr(VI)的效率。在36 h内,细菌完全还原50 mg·L−1的Cr(VI),而对质量浓度为100、150、200和250 mg·L−1 的Cr(VI),在120 h内的还原率分别为62%、42%、25%和16%,其还原效果优于大多数已分离出的菌株,如BANERJEE等[46]报道的Rhodococcous erythropolis 在 Cr(VI)浓度为 50 mg·L−1 时还原率为 89.54%,而FOCARDI等[39]报道的 Halomonas sp.在 Cr(VI)浓度为 54 mg·L−1 时还原率仅为 33.26%。CY-2通过在其生长过程中发生的Cr(VI)还原来降低Cr(VI)的毒性,并且这一还原反应可能发生在细胞包膜和细胞质内[47]。同时,随着Cr(VI)质量浓度增加,100~250 mg·L−1质量浓度下的铬还原百分比降低,而在50 mg·L−1下未观察到这种现象。这可能是由于生物蓄积的Cr(VI)会从细胞中释放出来,以最大程度地减少对细胞的损伤[10];在较低的铬浓度下,细菌可能不会排出Cr(VI),因此,其生长几乎不受铬的影响。

      5)金属离子对菌株CY-2还原Cr(VI)的影响。如图9所示,结果表明在72 h内,Cu2+和Co2+可以促进CY-2完全还原100 mg·L−1的Cr(VI)。这与MALA等[48] 的研究结果吻合,主要原因是Cu2+可以诱导铬还原酶的活性,从而促进铬的修复。其他研究表明Ni2+、Zn2+和Cd2+会抑制铬还原酶的活性[49],但在本研究中,Cd2+和Ni2+对CY-2对Cr(VI)的还原作用影响不大。与对照组相比,Mn2+、Mg2+、Zn2+分别抑制了10%、8%和10%的Cr(VI)还原。而XU等[50]报道Mg2+对铬还原酶活性没有任何显着影响。这说明菌株CY-2在处理含有其他有毒重金属的Cr(VI)复合污染场地时具有较强的耐受性,这对生物修复具有积极意义。

    • 菌株CY-2对抗生素的耐药性如表1图10所示,菌株CY-2对克拉霉素、阿莫西林、四环素、左氧氟沙星和庆大霉素敏感,但对呋喃唑酮、利福平和甲硝唑表现出耐药性。微生物对抗生素和金属的抗性可能与质粒相关。这些特性的出现也可能是由于暴露在抗生素或金属污染的环境中,进而选择抗生素和金属离子的抗性因子来表达[51-52]

    • 菌株CY-2与铬反应前后的SEM-EDX结果如图11所示。可见,在Cr(VI)存在的情况下,细胞呈现出明显的形态学变化,表面呈不规则结构,细胞聚集成块并严重变形。这种形态学变化与之前CHEN等[53]报道的蜡样芽孢杆菌(B. cereus)的研究结果一致,表明这可能是细菌对外部有毒污染物的一种自我保护机制。此外,与铬反应前后的EDX图中均未观察到Cr元素的存在,这与 HE等[54]在研究Cr(VI)处理下fususiformis Lysinibacillus ZC1的EDX分析结果相一致,也未观察到Cr元素的存在。表明菌株CY-2对铬的解毒作用不是通过生物吸附过程,而是通过先还原Cr(VI)为Cr(III),然后将Cr(III)释放到周围介质中,这与铬去除研究的研究结果一致。

    • 菌株CY-2与Cr(VI)反应前后的红外光谱图如图12所示。可见,在反应前的图谱中观察到蛋白质的——OH官能团的伸缩振动峰(3 312 cm−1),CH3伸缩振动峰(2 940 cm−1),蛋白质肽键的酰胺I(1 655 cm−1)、酰胺II(1540 cm−1)和酰胺III(1 399 cm−1)振动峰,以及蛋白质成分的C—N伸展振动峰(1 065 cm−1)[22,28,55]。在反应后的图谱中,这些官能团的峰强度显著减小,说明在铬处理下,菌株CY-2中这些功能基团的相对丰度减少。在400~800 cm−1内,主要变化发生在500~650 cm−1区域,对应于硝基(—NO2)和硫化物官能团[56-57]。具体来说,400~550 cm−1和550~700 cm−1处分别对应二硫化物和硫化物基团。硫酸盐通常存在于细菌细胞表面分子中,如蛋白质、脂类和糖脂等。但在与Cr(VI)反应后的FTIR图谱中,观察不到对应于硫酸盐的吸收峰,表明细胞膜组成发生了变化,特别是含硫酸盐的大分子在Cr(VI)处理后有所减少。有研究[58]表明,铬诱导细胞中的硫酸盐减少,主要是因为铬与硫竞争ABC转运蛋白进入细胞,并由于铬诱导的氧化应激而降低细胞中硫的可用性。因此,细胞膜中含硫酸盐大分子的减少可能是由于铬诱导的硫酸盐不足所致。

    • 1) 分离得到的一株对铬具有较高耐性的菌株CY-2,可以完全还原50 mg·L−1 Cr(VI)。经 PCR扩增,16S rRNA 基因检测,鉴定菌株CY-2为Kerstersia属菌,命名为 Kerstersia sp. CY-2。

      2) 菌株CY-2在pH为6.0、接种量为10%、温度为37 ℃的条件下具有最佳的Cr(VI)还原能力。在供试的金属离子中,Cu2+和Co2+能促进菌株CY-2将100 mg·L−1的Cr(VI)完全还原,而 Mn2+、Mg2+和Zn2+分别抑制10%、8%和10%的Cr(VI)还原。

      3) 菌株CY-2能够将Cr(VI)积累并转化为Cr(III),然后释放到周围介质中。未在与铬反应前后的SEM-EDX图谱中观察到铬峰,表明该菌株表面未发生生物吸附;而在FTIR图谱结果中发现Cr(VI)改变了细菌细胞表面的功能基团 ,并通过竞争性抑制硫酸盐进入细胞内从而导致含硫酸盐的分子减少。

    参考文献 (58)

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