关键词:
石油污染土壤
生物修复
基因工程菌
摘要:
随着石油开采量和使用量的不断增加,其在开采、运输、储存过程中的不规范操作或事故,导致大量石油进入环境中,造成了严重的环境污染问题。石油是一种成份十分复杂的天然有机化合物的混合物,通常由烷烃、芳香烃、胶质和沥青质组成。根据油源的不同,烷烃组分可占石油的50%~95%,且我国原油含蜡量高,其中石蜡主要成份为长链烷烃,导致了烷烃组分中的长链烷烃含量较高。长链烷烃因其含量高,难降解的特点,提高其处理效率就尤为重要。微生物修复是迄今为止修复石油污染较为有效安全的一种方法,但微生物往往受限于其降解能力,导致了处理效果不理想,通过分子生物学手段构建可降解石油污染物的基因工程菌用于污染修复是一种较为有效的方法,工程菌株因其具有降解能力强、降解底物范围广的特点,成为修复石油污染的理想菌株。
本研究对Acinetobacter vivianii KJ-1中长链烷烃降解基因almA进行原核表达并分析其降解功能。将该基因通过三亲接合转化法转入至野生型石油降解菌Acinetobacter calcoaceticus 21#中,分析其生长特性、降解能力、产酶活性的变化。考虑到基因工程菌直接投加到环境中可能存在着安全性问题,实验制备了石油降解酶制剂用于石油污染土壤修复中。最终对野生型菌株*** 21#进行了全基因组分析及工程菌株*** 21#-A3重测序分析,在分子水平上验证了其石油烃降解能力。主要研究结果如下:
(1)对本实验室保藏菌株*** KJ-1中长链烷烃降解基因almA进行原核表达,测定了AlmA蛋白对2-癸酮和2-十二酮的酶活性,分别达到0.39(U/mg)和0.37(U/mg)。并测定了AlmA蛋白的代谢产物,其可催化脂肪酮转化为相应的酯,而在相同条件下不进行长链正构烷烃的羟基化。实验结果证明菌株KJ-1中AlmA蛋白具有Baeyer-Villiger单加氧酶(BVMO)活性,参与了烷烃降解途径中的次末端氧化途径。
(2)通过三亲接合转化法将*** KJ-1中almA基因转入至野生型石油降解菌Acinetobacter calcoaceticus 21#中,并通过PCR扩增及测序验证了almA基因被整合至*** 21#基因组中,成功构建出一株基因工程菌。对其生长特性、降解能力及产酶活性进行检测发现:外源基因的导入并未显著影响野生型菌株*** 21#的生长能力,受体菌与工程菌生长趋势大致相同,而在以正二十八烷为唯一碳源的无机盐培养基中,工程菌株*** 21#-A3表现出比野生型菌更强的增殖能力。在正二十八烷降解实验中,与野生型菌株21#相比,工程菌株21#-A3在7 d和14 d时对C的降解率分别提高了6.72%和6.89%。在测定粗酶液酶活时发现,重组工程菌21#-A3制备的粗酶液对2-癸酮、2-十二酮的酶活性分别提高了18.81%和18.56%。
(3)通过对菌株21#和21#-A3制备的酶制剂分别进行土壤修复实验可知,在第1 d和第4 d时两种酶制剂对石油的降解率并无显著差异,第7 d时,二者对1%和5%石油浓度土壤的石油降解率分别达到了20.32%、23.1%和31.64%、35.92%,两种酶制剂对5%石油污染土壤的石油降解率高于1%石油污染土壤,且21#-A3制备的酶制剂石油降解率显著高于21#制备的酶制剂(P<0.05)。
(4)完成了对*** 21#的全基因组分析。菌株*** 21#仅有一个环状的染色体,拼装后序列全长4089750 bp,不含有质粒,GC含量38.67%,预测共有3829条编码基因。通过对编码基因进行KEGG、COG、GO进行功能注释后发现:21#基因组中具有多条与石油烃降解相关基因,包括2个中链烷烃降解基因alk B1_1、alk B1_2,长链烷烃降解基因almA、Lad A基因及芳香烃降解基因cat A、cat B、cat C、ben D,并对其相应代谢通路进行了分析。通过对*** 21#中AlmA蛋白进行系统进化发育树及蛋白多重序列比对分析,预测了该蛋白同样具有BVMO活性。同时发现21#基因组中具有氯霉素、头孢菌素等小类抗生素及磺胺类、四环素抗生素等大类抗生素抗性基因。
(5)完成了对*** 21#-A3的重测序分析。编码区上共有11个核苷酸序列发生变化,1个短片段缺失,通过对蛋白功能分析后,预测该变化不会显著影响菌株21#-A3的生长发育能力。并在重测序过程中发现了一段新增氨基酸序列,此序列与*** KJ-1中AlmA序列相似性达到了