微生物胞外聚合物对重金属镉的解毒作用及红外光谱分析
第33卷,第11期 光谱学与光谱分析2013年11月 SpectroscopyandSpectralAnalysisVol畅33,No畅11,pp3041‐3043
November,2013
微生物胞外聚合物对重金属镉的解毒作用及红外光谱分析
张海欧1,周维芝1,2倡,马玉洪1,赵海霞1,张玉忠2
1畅山东大学环境科学与工程学院,山东济南 250100 2畅山东大学生命与科学学院国家重点实验室,山东济南 250100
摘 要 为探索微生物胞外物在微生物对重金属的抗性和去除过程中的作用,比较分析了对重金属镉具有不同抗性和去除率的菌株SCSE425‐7和SCSE709‐6胞外物的产生情况和菌株的红外光谱谱图。结果表明,在含镉条件培养时,菌株SCSE425‐7表现了较高的镉抗性,分泌了相对较多的可溶性胞外多糖;而菌株SCSE709‐6镉抗性较SCSE425‐7低,但镉的生物去除性能较好,分泌了更多不可溶胞外聚合物。这说明,在重金属毒性胁迫下,微生物分泌的可溶性胞外多糖可能有助于提高微生物对重金属的抗性,而不可溶性胞外聚合物有助于重金属的微生物吸附。菌株红外光谱分析结果表明不可溶胞外聚合物上的酰胺基和羧基是其吸附镉离子的主要官能团。
关键词 胞外聚合物;红外光谱;吸附
中图分类号:O657畅3;O636畅1 文献标识码:A DOI:10畅3964/j畅issn畅1000‐0593(2013)11‐3041‐03
组成,包括杂多糖和同聚多糖。可溶性胞外多糖能够有效抵抗干燥及毒性环境;不可溶性EPS(insolubleEPS)主要包括不可溶性胞外蛋白(proteins)和不可溶多糖(insolublepoly‐saccharides)中的荚膜多糖及粘多糖[5,6]。研究表明某些分离纯化的微生物EPS可以螯合沉淀重金属,从而使重金属离子从水体中去除[7]。但是在活菌培养过程中,微生物胞外物对重金属的解毒作用及其相互作用的了解还十分有限,对可溶性和不可溶性EPS在水环境重金属离子的去除和微生物的解毒作用国内外很少报道。
本文研究两株对重金属镉具有不同抗性和去除率的深海菌株SCSE425‐7和SCSE709‐6在不同镉浓度下产生的可溶性胞外多糖和不可溶性EPS对菌株生长和镉去除的影响,并通过菌株红外光谱谱图分析菌株去除重金属离子的主要作用方式。
引 言
重金属污染修复一直是环境领域研究的难点和热点,其中镉是一种广泛应用的、污染面积最广、危害最大的重金属元素之一,因而镉污染及其治理受到高度关注[1]。微生物对水体中重金属的解毒作用包括两方面,一是通过分泌胞外物阻隔重金属离子与菌体的近距离接触,使微生物对重金属具有高耐受性或高抗性;二是微生物菌体可与重金属离子近距离接触,并可通过胞外物分泌和/或特殊代谢途径经细胞表面吸附、内部累积和外部沉淀卷积重金属离子将重金属离子从水体中去除[2]。具有重金属去除作用的微生物应用于重金属污染水体和土壤的修复技术近年来得到了广泛关注。微生物修复技术由于成本低、无二次污染,使其在重金属污染治理领域具有潜在的应用价值,是重金属污染治理的重要研究方向之一[1]。
polymericsubstances:EPS)对重金属的去除起着重要作用[3,4]。EPS是一定环境条件下微生物分泌于体外的高分子聚合物,有两种形式,分泌到培养基中的可溶性EPS(solubleEPS)和与细胞紧密结合的不可溶性EPS(insolubleEPS)[3]。可溶性EPS主要由可溶性胞外多糖(solublepolysaccharides) 收稿日期:2013‐01‐30,修订日期:2013‐04‐10
大量研究表明微生物分泌的胞外聚合物(extracelluar
1 实验部分
1畅1 仪器
RH‐Q型全温振荡器(江苏荣华),5804R型高速冷冻离心机(德国Eppendorf),TAS‐990原子吸收分光光度计(北京普析通用),752型紫外‐可见分光光度计(上海菁华),20SX型FTIR光谱仪(美国Nicolet)。LDZX‐50KB立式压力蒸汽
基金项目:国家自然科学基金项目(51178255,31290231),国际海域资源调查与开发“十二五”计划项目(DY125‐15‐T‐05)资助 作者简介:张海欧,女,1988年生,山东大学环境科学与工程学院硕士研究生 e‐mail:seagull880613@163畅com
倡通讯联系人 e‐mail:wzzhou@sdu畅edu畅cn
灭菌器(上海申安医疗器械厂),SW‐CJ‐FD洁净工作台(苏州苏净安泰)。
1畅2 菌株生长量及除镉效率测定
将具有抗镉水平和除镉水平的菌株活化24h后,以3%的接种量接种到含不同浓度镉的100mL液体LB培养基中,25℃,200r・min-1摇床培养至稳定期后测定600nm波长下吸光度并记为OD600,OD600表示菌体的细胞密度,能反应细菌的生长量。菌液10000r・min-1离心分离后,利用原子吸收分光法测定上清液中剩余的镉浓度。1畅3 胞外聚合物的测定
菌株培养至稳定期后,菌液10000r・min-1离心,上清液过0畅45μ多糖含量[8]m。不能透过膜的菌团用去离子水洗三次的膜,采用苯酚‐硫酸法测量滤液中的可溶性,再用同体积10mmol・L-113000r・min-1离心分离提取不可溶胞外聚合物EDTA重新悬浮,振荡5h后将悬浮液。分别采用苯酚‐硫酸法和Folin‐酚法测量上清液中的不可透过膜多糖和蛋白含量[8]。
1畅4 红外光谱表征
将分别在无镉和含镉条件培养的两菌株用去离子水清洗两遍KBr,洗去可溶性多糖成分cm-1压片后的分辨率在20,扫描SX型60FTIR,带有不可溶次,扫描范围为光谱仪上400进EPS行的干燥菌体用~测4000定,cm采用-1。
22 结果与讨论
2畅1 菌株胞外聚合物的解毒作用
图1(a)表明,在含镉培养基培养时两菌株均产生较多的可溶性多糖,其中菌株SCSE425‐7产生的可溶性多糖高于菌株SCSE709‐6。两菌株可溶性胞外多糖的产量随着培养液中镉浓度的升高而增大。这说明可溶性多糖可能螯合镉离子,阻止镉离子接近细胞从而减小镉离子对菌株的毒害。由此可见,可溶性多糖对提高重金属的抗性水平起着一定的作用。
由图1(b)可知,不可溶性EPS中胞外多糖产量均不高。镉的加入明显促进了两菌株胞外蛋白的产生,随着镉浓度增加SCSE,菌株SCSE709‐6胞外蛋白产量迅速升的刺激下425‐7,。EPS关于红假单胞菌属的研究中也表明高中蛋白的产量提高[9],进一步证实了胞外蛋,在重金属并超越白在重金属去除过程中起到的关键性作用。菌株SCSE709‐6在镉SCSE大于50mg・L-1的浓度下去除率有必然相关关系425‐7。可见仍明显高于菌株,,这也反映菌株的抗性机理和除镉机理存在重金属抗性水平与重金属的去除之间没较大差异,两株菌的胞外物在重金属解毒过程中贡献不同。图1(b)说明,在重金属抗性浓度范围内,细菌分泌的不可溶性胞外蛋白有助于镉的去除,超出抗性浓度范围后,重金属毒性显著,分泌更多的不可溶性胞外蛋白仍无助于重金属去除。
2畅2 红外光谱谱图分析
两菌株的红外光谱如图2所示。图中3301~3419cm-1
处的谱峰可归属为细胞表面蛋白质N—H键的伸缩振动和碳水化合物中结合水的O—H键的伸缩振动。1651和1
555
Fig畅1 ProductionofEPS,OD600StrainCdSCSE709‐6andStrainandcadmiumSCSE425‐removal7indifferentrateof
2+concentrations
(a):ProductionofsolubleEPSandOD600;(b):Productionofinsolu‐bleEPSandcadmiumremoval
rate)
Fig畅2 IRwithspectrainsolubleofSCEPS
SE425‐7andSCSE709‐6
a:StrainofSCSE425‐7culturedinCd(Ⅱ);b:StrainofSCSE425‐7culturedfree;d:inStrainCd(Ⅱof)SCSE‐free709‐6;c:StrainculturedofSCSEinCd709‐6(Ⅱ)
culturedinCd(Ⅱ)‐展振动cm-1处的谱峰来自典型的细胞蛋白质酰胺Ⅰ带(C—O的伸
)和酰胺Ⅱ带(N—H的弯曲振动与C—N伸展振动的
叠加)[10]。1239cm-1处的谱峰为C—O与O—H的叠加吸收峰。比较图2中c和d可知,CO的吸收峰在1652cm-1由锐锋变成钝峰,C—O吸收峰在1416cm-1处发生红移,说明镉离子与多糖上的—COO结合减少了—COO的含量;酰胺基团的特征吸收峰在1541cm-1处发生移动,说明蛋白质上的官能团对镉的去除起重要作用。由此可见蛋白的酰胺基和羧基是SCSE709‐6吸附Cd2+的主要官能团。比较图2中a和b看出,SCSE425‐7吸附Cd2+后—O—H的伸缩振动向低波数移动31cm-1(峰位由3419~3388cm-1),说明在结合镉时,O原子参与络合Cd2+,使O—H键的键长增加,振动峰红移。酰胺Ⅱ带发生移动(峰位由1555~1543cm-1),表明不可溶EPS中胞外蛋白参与了Cd2+的吸附。
3 结 论
SCSE709‐6和SCSE425‐7对镉的抗性水平和去除水平不同可归结为:在重金属镉的胁迫下菌株SCSE425‐7形成大量可以透过膜的可溶性胞外多糖,能够使重金属离子无法接近菌体提高细菌的抗镉水平,但无益于镉的去除。SCSE709‐6产生大量不可溶性EPS,能够有效螯合镉离子,将重金属镉去除。红外光谱也表明不可溶性胞外多糖和蛋白对重金属的去除起到重要作用,尤其是不可溶性胞外蛋白上的酰胺基和羧基是吸附镉离子的主要官能团。
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ZHANGHai‐ou1,ZHOUWei‐zhi1,2倡,MAYu‐hong1,ZHAOHai‐xia1,ZHANGYu‐zhong2
1.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,ShandongUniversity,Ji’nan 250100,China2.StateKeyLabofMicrobialTechnology,ShandongUniversity,Ji’nan 250100,China
Abstract Inordertoexploretheeffectofextracelluarpolymericsubstances(EPS)onresistanceandremovalofheavymetals,theproductionofEPS,secretedbycadmium‐resistantstrain(SCSE425‐7)andcadmium‐removalstrain(SCSE709‐6)wasinves‐tigatedcombinedwithFouriertransforminfraredspectroscopy(FTIR).TheresultsshowedthatthehighresistancetocadmiumofstrainSCSE425‐7wasrelatedtothehighproductionofsolubleEPS,whereasSCSE709‐6secretedmoreinsolubleEPSresul‐tinginbettercadmiumremovalperformance.ItwasindicatedthatsolubleextracellularcarbohydratesmayhelpthebacteriatoenhanceresistancetoCd2+,andinsolubleEPScouldcontributetoCd2+removaleffectively.TheFTIRspectrashowedthatthe
2+
peaksofamideandcarboxylweremainfunctionalgroupsforCdadsorption.
Keywords Extracelluarpolymericsubstances(EPS);Fouriertransforminfraredspectroscopy(FTIR);Adsorption
(ReceivedJan.30,2013;acceptedApr.10,2013)
倡Correspondingauthor
微生物胞外聚合物对重金属镉的解毒作用及红外光谱分析
作者:作者单位:
张海欧, 周维芝, 马玉洪, 赵海霞, 张玉忠, ZHANG Haiou, ZHOU Weizhi, MAYuhong, ZHAO Haixia, ZHANG Yuzhong
张海欧,马玉洪,赵海霞,ZHANG Haiou,MA Yuhong,ZHAO Haixia(山东大学环境科学与工程学院,山东 济南,250100), 周维芝,ZHOU Weizhi(山东大学环境科学与工程学院,山东 济南250100; 山东大学生命与科学学院国家重点实验室,山东 济南 250100), 张玉忠,ZHANGYuzhong(山东大学生命与科学学院国家重点实验室,山东 济南,250100)光谱学与光谱分析
Spectroscopy and Spectral Analysis2013(11)
刊名:英文刊名:年,卷(期):
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引用本文格式:张海欧.周维芝.马玉洪.赵海霞.张玉忠.ZHANG Haiou.ZHOU Weizhi.MA Yuhong.ZHAO Haixia.ZHANGYuzhong 微生物胞外聚合物对重金属镉的解毒作用及红外光谱分析[期刊论文]-光谱学与光谱分析 2013(11)