外源Zn2+强化Arthrobacter sp. DNS10降解阿特拉津的作用效果与机制

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阿特拉津作为一种效率高、成本低的除草剂在全世界使用非常广泛。然而,阿特拉津在实现杂草控制的同时,也因其具有生物毒性、残留期长的特性对生态环境及生物健康造成严重影响。微生物降解是当前公认的高效、绿色的阿特拉津消减技术,如何进一步提升阿特拉津微生物降解效果值得深入关注。本研究将前期试验筛选获得的一株阿特拉津高效降解菌Arthrobacter sp.DNS10为供试菌株,重点考察外源Zn2+强化菌株DNS10降解阿特拉津的效果与相关机制,主要得到如下研究结果:(1)研究了外源Zn2+对菌株DNS10降解阿特拉津能力与基因表达的影响。与未添加外源Zn2+的处理相比,0.05 m M和1.0 m M的外源Zn2+添加可以使促进菌株DNS10的生长,其中0.05 m M的Zn2+比1.0 m M的Zn2+对菌株DNS10的生长促进作用更明显。同样随着培养时间从32 h增加到56 h,0.05 m M和1.0 m M外源Zn2+培养菌株DNS10对阿特拉津的去除率明显高于无外源Zn2+添加处理。在培养48 h,添加0.05 m M Zn2+处理中菌株DNS10对阿特拉津的去除率为94.42±2.03%,1.0 m M Zn2+处理阿特拉津的去除率为86.02±1.49%,在不添加外源Zn2+的处理,阿特拉津去除率仅为66.43±3.59%。研究发现,外源Zn2+的添加可以增加菌株DNS10阿特拉津氯水解基因(trz N)的表达,其中在整个培养阶段的第48 h,0.05 m M和1.0 m M外源Zn2+添加处理中菌株DNS10 trz N基因表达量分别是不加Zn2+处理中菌株该基因表达量的1.91±0.03和1.11±0.05倍。(2)研究了外源Zn2+对菌株细胞膜特性与跨膜转运的影响。研究表明:与未添加外源Zn2+的处理相比,0.05 m M Zn2+处理DNS10菌体表面呈现突起状,菌体表面的粗糙度也随之增加,说明外源Zn2+增加了细胞表面与阿特拉津接触的吸附位点和接触面积。不加Zn2+处理菌株DNS10的zeta电位为-10.83±0.70 mv,而0.05 m M Zn2+添加处理菌株DNS10的zeta电位为-13.23±0.76 mv,说明外源Zn2+处理能够使菌株DNS10表现出更强的负电性。此外,流式细胞分析结果表明:0.05 m M Zn2+显著地增加了菌株DNS10的膜通透性;通过对阿特拉津在胞内的积累量进行测定,发现添加低浓度Zn2+(0.05 m M)处理中的菌株DNS10细胞内积累的阿特拉津浓度为0.0093 mg·g-1(48 h),是不加Zn2+处理的的2.21倍。而高浓度(1.0 m M)Zn2+对菌株DNS10膜通透性以及阿特拉津积累的调节作用相对较小。外源Zn2+的添加同样可提升菌株DNS10 ATP酶的活性,其中在第32 h菌株的ATP酶最高,0.05 m M Zn2+添加处理菌株的ATP酶的活性较未添加Zn2+处理相比提升了11.34倍。(3)胞外聚合物(EPS)作为一种大分子有机物存在于降解菌的表面,其复杂的成分与基团,对阿特拉津的表面吸附有很重要的作用。因此研究了不加Zn2+和0.05 m M外源Zn2+存在条件下菌株DNS10产生的EPS的组成成分以及结合阿特拉津特性的影响与相关机制。结果表明:菌株DNS10产生的胞外聚合物主要由多糖、蛋白质以及少量腐殖酸构成,其含量分别为598.84±3.95、90.87±5.24和12.42±1.90 mg·g-1,添加0.05 m M Zn2+处理提取的EPS主要成分发生改变,主要促进了EPS中类蛋白质和类腐殖酸的含量,分别为139.20±3.91和48.46±2.62 mg·g-1。三维荧光光谱扫描发现,0.05 m M外源Zn2+存在条件下菌株DNS10产生的EPS中类腐殖酸的荧光强度显著增强。EPS与阿特拉津结合后,其中所包含的类蛋白质物质的荧光强度发生明显淬灭,类腐殖酸被完全淬灭,说明EPS中的蛋白质和腐殖酸在与阿特拉津结合过程中起重要的作用。两种EPS与阿特拉津结合后,EPS中蛋白质与多糖的羟基、羧基和羰基以及腐殖酸中的苯环等官能团发生不同程度的偏移,说明EPS中的蛋白质、多糖和腐殖酸在吸附阿特拉津的过程中密不可分。
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