草甘膦降解菌的筛选、鉴定及降解特性研究

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草甘膦除草剂(Glyphosate)是一种广谱灭生性除草剂,被广泛应用于农林业治理一年生和多年生杂草。随着抗草甘膦转基因农作物的大量种植,草甘膦的使用量、生产量和销售量不断激增。对草甘膦毒性及残留危害的深入研究表明,解决草甘膦残留污染修复问题对保障生态环境安全和人类健康具有重要意义。以微生物降解为核心的生物修复技术具有生态友好、经济实惠、高效快速的优点,是解决化学农药残留污染的有效途径。本文从农药污染环境中驯化筛选出一株草甘膦高效降解菌并进行菌种鉴定;建立了高效稳定的草甘膦及其降解产物残留分析方法;探究高效降解菌株的降解特性;鉴定其草甘膦降解产物,推测草甘膦降解途径;对高效降解菌株进行全基因组测序及分析,预测其草甘膦降解相关的基因。主要研究结果如下:(1)草甘膦降解菌的筛选与鉴定采用富集培养法,从农药厂长期污染的活性污泥中分离纯化出52株能够耐受草甘膦的细菌菌株,从中筛选出一株耐受高浓度草甘膦的高效降解菌株26B。菌株26B在48 h内对浓度为500 mg/L的草甘膦降解率高达98.7%。通过形态学、生理生化特征和16S r DNA序列分析,将其鉴定为中间苍白杆菌(Ochrobactrum intermedium)。(2)草甘膦及其降解产物的残留分析方法利用超高效液相串联质谱技术,建立了高效、快速的草甘膦残留分析方法,保留时间为0.62 min,最低检出限为0.01 mg/L,该方法同时还能有效检测其降解产物氨甲基膦酸(AMPA),保留时间为0.71 min。(3)草甘膦降解菌株26B降解特性研究通过单因素试验探究温度、接种量和p H对菌株26B降解草甘膦能力的影响,测定菌株26B降解草甘膦的最佳温度为30℃;菌株26B对草甘膦的降解速率与接种量呈正相关,降解率随接种量增加而提高;菌株26B在极端p H条件下无法生长,其他p H条件下降解草甘膦速率无明显差异。在温度为30℃,p H为7.0,接种量为0.2 g/L条件下,菌株26B利用浓度为500 mg/L的草甘膦作为唯一碳源进行生长,培养24 h后对草甘膦的降解率达到100%。(4)草甘膦降解产物鉴定及降解途径分析利用UPLC-MS/MS技术检测出菌株26B降解草甘膦的主要中间产物为AMPA,菌株26B还可利用AMPA作为唯一碳源进行生长并完全降解AMPA。根据降解产物分析初步推测该菌株降解草甘膦的途径为:首先,菌株26B裂解草甘膦分子结构的CN键,将草甘膦转化为AMPA和乙醛酸;随后,AMPA分子结构的C-P键在菌株26B的作用下,转化为磷酸和甲胺;最终,菌株26B可完全矿化草甘膦。(5)草甘膦降解菌株26B基因组测序及分析菌株26B基因组含有2条染色体,总长度约为5050541 bp,G+C含量为56.32%,还含有6个环形质粒和1个线性质粒。菌株26B基因组预测编码基因有4981个,总长度为4475139 bp,占全基因组长度的88.61%。通过对菌株26B基因组的氨基酸序列进行比对,发现该菌株可能含有10个与草甘膦降解相关的基因序列,其中4个基因序列与草甘膦耐受性相关,6个基因序列是草甘膦降解基因gox的同源基因分别为1_2748、2_1381、2_439、2_274、1_2200、2_1335,其功能有待进一步研究。综上所述,中间苍白杆菌(O.intermedium)26B在较宽的温度、p H条件下都能够高效降解草甘膦,是目前已报道的草甘膦降解菌中降解效率最高的微生物菌株,具有应用于草甘膦残留污染修复的潜力。
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