一株乙醇利用菌的分離及其在乙醇含量測定中的應用

應用與環(huán)境生物學(xué)報2009,15(4559-5622009-08-25Chin J Appl Environ Bio/=ISSN 1006-687XDOI:10.3724/SP.J.1145.200900559株乙醇利用菌的分離及其在乙醇含量測定中的應用陳亮鄭軍張益霞趙翠翠何雨原溫廣明楊素萍趙艮貴山西大學(xué)生物技術(shù)研究所化學(xué)生物學(xué)與分子工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗室太原030006摘要從山西清徐農用沼氣池中分離得到一株能以乙醇為唯一碳源和能源生長(cháng)的菌株ME45,通過(guò)生理生化特征及l(fā)6 S rDNA序列分析,將ME45鑒定為嗜有機甲基桿菌( Methylobacterium organophilium)依據ME45能在有氧條件下利用乙醇的特性,因此以固定化細胞和溶氧儀組成測定系統測定了不同含量乙醇的響應時(shí)間以及溶氧變化與乙醇含量的關(guān)系.結果表明,乙醇含量在002%~2%(W)范圍內,響應時(shí)間小于25min,溶氧消耗量同乙醇含量呈函數關(guān)系,擬合系數(R)為09947.干擾實(shí)驗結果表明,該測定體系具有較強的選擇性,待測乙醇樣品中其它醇類(lèi)物質(zhì)含量不高于乙醇含量5倍對乙醇測定無(wú)干擾.以95%乙醇為樣品進(jìn)行多次測定,測定平均值為91.8%,RSD為3.5%,表明該反應體系重現性良好.本研究為進(jìn)一步研究乙醇微生物傳感器奠定了基礎.圖7表1參15關(guān)鍵詞乙醇;嗜有機甲基桿菌;測定;電化學(xué)CLC Q9399Isolation of An Ethanol-utilizing Strain and Its Applicationin determination of ethanolCHEN Liang, ZHENG Jun, ZHANG Yixia, ZHAO Cuicui, HE Yuyuan, WEN Guangming,YANG Suping ZHAO Gengui(Key Laboratory of Chemical Biology and Molecular Engineering of Ministry of Education, Institute of Biotechnology, Shanxi University, Taiyuan 030006, ChinAbstract a bacterial strain ME45 which uses ethanol as the sole carbon source for growth was isolated from a family biogasdigester in Qingxu of Shanxi Province, China. Based on the physiological characteristics and 16S rDNA sequence analysis,strain ME45 was identified as Methylobacterium organophilium. Response time and the relationship between consumptionof dissolved oxygen and different ethanol contents were studied with PVA-H, BO, immobilized cell of ME45 usinelectrochemical method. It was shown that the response time of the ethanol detection system was about 25 min for 0.02%-2%(/n ethanol, the dissolved O, consumption increased with the increase in ethanol content, demonstrating a correlationalelationship, with the correlation coefficient 0.9947. Furthermore, the interference test and the detection of ethanol sample bothobtained satisfactory results. This work highlights the potential of this bacterium for monitoring ethanol. Fig 7, Tab 1, Ref 15Keywords ethanol; Methylobacterium organophilium; determination; electrochemistryCLC Q9399乙醇俗稱(chēng)酒精,是無(wú)色透明、易揮發(fā)和易燃燒的液體,析方法的報道,但仍處于實(shí)驗室硏究階段6.因此,尋找簡(jiǎn)是重要的有機化工基礎原料,廣泛應用于化學(xué)工業(yè)、醫療便、快速、準確和應用廣泛的乙醇分析方法倍受重視衛生及工業(yè)合成等各領(lǐng)域凹隨著(zhù)礦物能源的大量開(kāi)采和消上世紀80年代已有微生物法測定醇類(lèi)物質(zhì)的報道,基耗,乙醇作為化石能源替代品將發(fā)揮重要作用凹.因此,在釀本上都以醇脫氫酶和微生物細胞作為分子識別的元件n,酒、制藥、發(fā)酵和合成工業(yè)產(chǎn)品、化妝品等工業(yè)應用領(lǐng)域以從這些研究報道的結果來(lái)看,都存在壽命短、選擇性和穩定及環(huán)境保護工作中準確、快速地檢測乙醇含量具有重要的意性差等缺點(diǎn),仍處于研究階段,尚未達到應用水平我國目前義,乙醇測定的常用方法主要包括比重法、比色法、氣相色譜在這方面研究較少,僅有孫裕生等報道了一種乙醇細菌電極法和液相色譜法民比重法操作簡(jiǎn)便,可用于高含量乙醇測的制備,制備簡(jiǎn)便,并初步用于樣品檢測,但檢出限和檢測范但對乙醇測定特異性差比色法,如重鉻酸鉀比色法和圍無(wú)法滿(mǎn)足乙醇測定發(fā)展的要求,且測量過(guò)程中易受其它醇碘量法,顯色緩慢且不穩定,受多種因素干擾,操作較為繁類(lèi)物質(zhì)干擾9;而且所用菌株尚未明確鑒定,其代謝機理也瑣.色譜法能檢測微量乙醇,精密度和準確性很高,但儀器昂不甚清楚.目前,國內外微生物法測定乙醇的報道較少,而且貴、操作和維護繁瑣.而且色譜法和比色法也無(wú)法進(jìn)行戶(hù)外多處于實(shí)驗室研究階段.因此,深入開(kāi)發(fā)可適用于乙醇檢測檢測.另外,還有紅外光譜、熒光和激光拉曼光譜等乙醇分的微生物資源并應用于乙醇含量的測定具有重要的意義.我們從山西清徐農用沼氣池中分離得到一株以乙醇為唯一碳源收稿日期:2008-06-02接受日期:2008-09-12*國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目(No.50534100)資助 Supported by the Key生長(cháng)的菌株,依據其生理生化特性和16 RdNA序列分析,該Project of the National Natural Science Foundation of China(No. 5053410菌株被鑒定為甲anophiliun),并通訊作者Correspondingauthor(E-mail:chungui@Osu.edu.cn)利用電化學(xué)方法中國煤化工測定體系中,初CNMHG560應用與環(huán)境生物學(xué)報 Chin J App/ Environ Biol步研究了不同含量乙醇對溶氧的響應時(shí)間以及溶氧變化與儀(C-6542, Pasco Scientific,USA)檢測體系溶氧變化,記錄乙醇含量的關(guān)系,以期為乙醇微生物傳感器的研制提供思路溶氧值和材料材料與方法1.1材料1.1.1樣品來(lái)源微生物分離的水樣采集于山西清徐農用沼氣池1.1.2培養基①液體培養基:每升含KH2PO40.5gNa, HPO,0.5 g, NaCl 0.4 g, KNO, 1.0 g, NH CI 0.5 gMgSO4 7H, 0 1.0 g, CaC1, 0.2 g, FeSO 7H, 0 0.004 gCuSo, 5H 00. 4 mg, MnSO. H o0.4 mg, ZnSO, 7H O 0. 4 mgNaMoo2H,O0.24ng; CH COOH6mL.②固體培養基:含有2%瓊脂液體培養基圖1實(shí)驗裝置示意圖13主要試劑:聚乙烯醇(PVA9950;q酶、引物合成1恒溫水浴:2緩沖液進(jìn)樣口3.乙陳進(jìn)樣口:4溶氧電極:5溶氧響應儀及其它生化試劑購自大連寶生物工程有限公司;其它化學(xué)試6.排液閥;7通氣口劑均為國產(chǎn)分析純I. Thermostat water bath cauldron; 2. Inlet port; 3. Ethanol inlet port; 41.2富集與分離Dissolved O, electrode; 5. Dissolved O, sensor; 6. Outlet port; 7. Gas vent以5%接種量將采集水樣接入盛有100mL液體培養基的1.8測量條件的選擇600mL鹽水瓶中,于120r/min搖床,30℃培養,菌液渾濁后以消耗溶氧為指標,分別測定了溫度、pH和NaC濃度對再次轉接進(jìn)行富集培養.富集培養物經(jīng)固體瓊脂培養基平板固定化細胞利用乙醇消耗溶氧的影響劃線(xiàn)進(jìn)行菌株分離19響應時(shí)間的測定1.3個(gè)體形態(tài)與培養物特征的觀(guān)察將測試樣品加入體系中,溶氧平衡后,加入固定化細菌體染色后在光學(xué)顯微鏡下觀(guān)察細胞形態(tài).在固定瓊脂胞,開(kāi)始測定并記錄溶氧變化.開(kāi)始測定到溶氧下降達到平培養平板上觀(guān)察菌落特征衡的時(shí)間即為乙醇測量的響應時(shí)間14碳源利用1.10標準曲線(xiàn)的測定離心收集液體培養的菌體細胞,經(jīng)無(wú)菌水洗滌后,接種配制乙醇濃度分別為0.02%、0.05%、0.2%、0.4%、0于含有20mL液體培養基的130mL鹽水瓶中,液體培養基中6%、1%和2%(H)對標準樣品,分別加入測定體系中測定并分別添加不同種類(lèi)和濃度的碳源,觀(guān)察細菌生長(cháng)情況記錄相應的溶氧消耗量,繪制標準曲線(xiàn).1516 S rDNA序列分析及系統發(fā)育分析111千擾物濃度及實(shí)際樣品的測定提取細菌基因組DNA,以5- AGTTTGATCCTGGCTCA在0.4%(V)乙醇樣品中含有不同濃度的干擾物,分別-3和5’· TACCTTGTTACGA CTTCA-3為引物,進(jìn)行16 S rDNA測定不同干擾物濃度對乙醇含量測量值的影響,以每種干擾PCR擴增.擴增條件為:94℃3min;94℃lmin,60℃45s,物濃度對測定值的影響不超過(guò)±5%為標準,進(jìn)行干擾物質(zhì)及72℃1min,循環(huán)30次;72℃10min.PCR擴增產(chǎn)物,經(jīng)克隆濃度的評價(jià)后送上海生工測序.測序序列經(jīng) BLAST比對,在 Gen Bank和以95%乙醇北京化工廠(chǎng)生產(chǎn))和山西杏花村汾酒集團質(zhì)EMBL等數據庫搜索與該序列相似性較高菌株的序列,進(jìn)行檢處提供的汾酒生產(chǎn)過(guò)程中d7和d15固態(tài)發(fā)酵物的浸提液Clustal X多序列比對,再從MEGA3軟件包中選用 Neighbor-為實(shí)際樣品,分別編號為1、2和3.以本實(shí)驗方法和氣相色譜Joining(NJ)、 Algorithm和 Maximum Parsimony(MP方法構建法分別進(jìn)行乙醇含量測定,氣相色譜儀為GC9800型氣相色系統發(fā)育樹(shù),用 Bootstrap對系統樹(shù)進(jìn)行統計檢驗.譜儀(上?？苿?chuàng )色譜有限公司),檢測器為氫火焰檢測器,按16固定化細胞的制備及活化外標法以峰面積計算乙醇含量.后,稱(chēng)菌體濕重稱(chēng)取PVA,加熱攪拌溶解,配制0%ⅣA溶2結果與分析液,冷卻到35℃左右,加入預溫的濕菌體,其中菌體含量為2.1菌株的分離及鑒定3%(w/∽,混勻,將其滴入pH6.0飽和硼酸溶液中過(guò)夜,蒸餾經(jīng)兩次富集培養和反復平板劃線(xiàn)分離獲得菌株ME45水洗滌,4℃保存該菌株在不含乙醇的對照培養基及含有乙醇無(wú)氧條件中均不活化:每次使用前將適量的固定化細胞放入盛有100生長(cháng),而在含乙醇的培養瓶中細菌生長(cháng)良好.表明ME45能利mL液體培養基的600mL鹽水瓶中,在轉速為120rmin搖床中用乙醇同時(shí)消耗氧氣.ME45在固體培養基平板上培養4d,見(jiàn)30℃活化h圖2,菌落直徑0.6~1.2mm,粉色,圓形,稍隆起,邊緣光滑,17測量裝置及方法較濕潤,不透明.細胞顯微觀(guān)察見(jiàn)圖3,細胞短桿狀,0.8μmx如圖1所示安裝測量裝置,恒溫水浴控制測量體系溫10μm,革蘭氏陰性,無(wú)莢膜和芽孢度,將2mL的測試樣品加入18mL的反應體系中,關(guān)閉裝置的ME4516 S rDNA序列 Genbank登錄號為EU567067通氣口,待體系溶氧平衡后置入固定化細胞.通過(guò)溶氧響應16 SrNA序列中國煤化工sein徑CNMHG期陳亮等:一株乙醇利用菌的分離及其在乙醇含量測定中的應用圖2ME45菌落照片Fig. 2 The photo showing of the colony of ME45101520253030.5圖3ME45顯微照片(×1000Fig 3 ME45 in microscope(x100000.30.60Methvlobacteriun進(jìn)化分枝上,與M. luteus6 SrnA序列同源性最高.ME45初步被鑒定為甲基桿菌屬( Methvlobacteriumm)圖5溫度、pH和NaCl濃度對固定化細胞消耗溶氧的影響生理生化測定結果表明,ME45氧化酶和接觸酶為陽(yáng)性;能利Fig5 Effects of temperature, pH and NaCl concentration on consumption用葡萄糖、果糖、乙酸鈉、乙醇、甲醇、甲烷和甲基胺;不能利用癸二酸鈉、甜菜堿和酒石酸鉀鈉.根據形態(tài)特征、生理理線(xiàn)見(jiàn)圖6,加入固定化細菌后,體系溶氧迅速下降,隨著(zhù)乙醇生化特征和16 SrnA序列分析,ME45被鑒定為甲基桿菌屬含量的增加,相對溶氧達到平衡的時(shí)間有所延長(cháng),溶氧消耗的嗜有機甲基桿菌(M. organophilic)12.量增大.乙醇含量在0-2%(V)范圍內響應過(guò)程在25min內達到平衡msp. ATCC 35068(EU144026)Methnlasarcina lacIs(AY00729624乙醇測定的標準曲線(xiàn)Methylomonas rubra NCIMB 11913(AF304194)乙醇含量與溶氧消耗量的關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖7,測定體系中Met/ylasphaera mansoni(U67929)乙醇含量増大,細菌對溶氧的消耗量増多,以乙醇含量對相Methlocaldem sp (DQ496233)應的溶氧消耗量作圖,經(jīng)曲線(xiàn)擬合測定體系溶氧的消耗量(y)Metlnlococcis capsula u(L20842)與乙醇的含量(x)在0.02%-2%(WV)范圍內呈函數關(guān)系,其擬o0[ Strain MEAS (EU567067Aletlrylobacterium /utens(NCIMB 11914)合方程為y=14-1.3498,擬合系數(R2)為0.9947,經(jīng)計算檢出限為1.15×10-4Metinlocapsa acidip/a(AJ2787262.5干擾物濃度的測定at/nYacysiis sp (AF150790)在0.4%乙醇的測量體系中分別含有不同濃度的干擾物Methyosincs trichasporium(Y 18947)質(zhì)進(jìn)行測量,干擾物質(zhì)允許的濃度范圍分別以樣品中乙醇濃圖4菌株ME4516 SrnA序列系統發(fā)育分析度的倍數表示:甲醇、丙醇、丁醇、甲酸、乙酸、乙酸鈉和氨「g4 Phylogenetic tree derived from I6srN^ sequences of strain M正45基酸等為5倍,苯酚為o1倍,葡萄糖、麥芽糖和果糖為7倍.anaylsis of 1 000 resampled data sets. Bar002 represents sequence divergence2.6樣品含量的測定22測定工作條件的選擇進(jìn)行實(shí)際樣品的測定以考察系統的準確性和重復性.將際樣品逐步稀釋進(jìn)行測定,直至溶氧消耗量的測定值在標由于ME45能夠利用乙醇消耗體系溶氧,測試體系的溫準曲線(xiàn)的測定范圍,并進(jìn)行多次測定,結果見(jiàn)表1,本實(shí)驗方度、pH和NaC濃度是影響微生物催化底物反應活性、底物法的測定值與氣相色譜的測定值相一致和溶解氧擴散的主要因素.因而在0.05molL磷酸緩沖液中,選用3g固定化細菌,在設計的實(shí)驗裝置上,對固定化細3討論胞利用乙醇消耗氧氣測定體系的溫度、pH和NaCl濃度進(jìn)行目前,普遍認為甲基細菌屬的細菌通過(guò)RuMP途徑進(jìn)行了優(yōu)化,如圖5所示.因此,選擇溫度為23℃,含有0.5molL同化作用,屬于I型甲烷氧化菌,也有文獻報道具有 Serine途NaCl,pH6.8磷酸緩沖體系進(jìn)行該菌株利用乙醇與消耗溶氧徑.6STNA探針技術(shù)已廣泛用于細菌的分類(lèi)鑒定及生態(tài)關(guān)系的測定學(xué)研究,因此我們進(jìn)行了甲烷氧化菌1個(gè)種屬及ME45系統發(fā)23響應時(shí)間的測定育分析,從圖4可菌根據代謝途不同含量乙醇測量體系的相對溶氧(q)隨時(shí)間的變化曲徑的不同分為兩中國煤化- bacterium菌株CNMHG562應用與環(huán)境生物學(xué)報 Chin J App/ Environ Biol系溶氧量增加并波動(dòng),對樣品檢測和系統的溫度有重要影響,為簡(jiǎn)化測量過(guò)程,該測定體系在無(wú)攪拌的靜息條件下進(jìn)因而響應時(shí)間相對較長(cháng).實(shí)驗表明,該法測定乙醇具有90操作簡(jiǎn)便、專(zhuān)一性強、檢測范圍寬等優(yōu)點(diǎn).關(guān)于該測量裝置微型化及檢測方法實(shí)現連續化,還需進(jìn)一步進(jìn)行研究References1FuQJ(傅其軍),SuY(蘇毅). The seemingly unfaltering growth of theethanol industry. j Light Ind(廣西輕工業(yè)),2005(5):5~92 Tian YS(田宜水, Zhao LX(趙立欣) Analysis fuel ethanol supply in圖6不同含量乙醇測量體系的相對溶氧隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)China. Energy China(中國能源),2007,29(12):26-1Fg.6 Curves of relative dissolved oxygen with time of the measuring system3MoL(牟建樓, Wang j(王頡), Zhang W(張偉), Chen zz(陳志周)subject to various ethanol contents:(),()0.4, and(A)2.0%v/v ethanolMethods for determination of alcohol. Liquor Making(AR it4), 2006, 33Wu XJ, Choi MMF Spongiform immobilization architecture of ionotroppolymer hydrogel coentrapping alcohol oxidase and horseradishy=1.4-1.349e(389peroxidase with octadecylsilica for optical biosensing alcohol in organicsolvent, Anal Chem, 2004, 76(15): 4279-42850.4R2=0.99475 Wen GM, Zhang Y, Shuang SM, Dong C, Choi MMF. Application of aosensor for monitoring of ethanol. Biosensors Bioelectronics, 2007.522.5中/%圖7乙醇含量與溶氧耗量的關(guān)系曲線(xiàn)6 Zhang hB(張洪波),SuDZ(宿德志),HeYL(何焰藍). A research onFig 7 Relationship between dissolved oxygen consumption and differentfourier transform raman spectroscopy of mixed liquor of C, H, OH. Anal& Testing Technol& Instrum(分析測試技術(shù)與儀器),2007,13(3)表1不同樣品乙醇含量的測定Table 1 Determination of ethanol in various samples7 Carelli D, Centonze D, Giglio AD, Quinto M, Zambonin PG. An-free first本實(shí)驗方法 Our method氣相色譜Chromatography RE(o)electrode modified by an overoxidised non-conducting polypyrrole filmAverage(%) RSD (%) N Average(%)nal chim acta,2006,565:27-3595.48 Wang XH(王曉輝),LiX(李新, Sun ys(孫裕生). Sun g(孫國發(fā))LiXH(李曉紅). Study of the ethanol microbial sensor. Chem Sensor(化6學(xué)傳感器),1998,18(3):35-39位于Ⅱ型甲烷利用菌的進(jìn)化分枝上,說(shuō)明 Methylobacteriun這9Lix(李新), Wang XH(王曉輝), Sun ys(孫裕生). Study and個(gè)屬的甲烷氧化菌在進(jìn)化上同Ⅱ型甲烷利用菌接近,與 Elena application on methanol bacterial electrode. Chin Anal chem(分析化等研究報道一致13.1學(xué)),199,027(3):281-284本實(shí)驗室分離到能以乙醇為唯一碳源生長(cháng)繁殖的菌株10 Zhao GG趙民貴, Zheng J(鄭軍 Wen gm(溫廣明, Yang SP楊素ME45,并鑒定為嗜有機甲基桿菌(M. organophiliun),據文獻萍), Dong c(董川). Isolation and characteristics of報道該類(lèi)細菌具有醇脫氫酶1,能夠在有氧條件下利用乙strain and its applifor determination of methane gas. ActaMicrobiol sin(微生物學(xué)報,2008,48(3):398-402醇.因此,利用溶氧測定儀和ME45固定化細胞設計了簡(jiǎn)單的Wen GM, Zheng J, Zhao CG, Dong C, Choi MMF. A microbial裝置,進(jìn)行乙醇含量測定的實(shí)驗.ME45采用乙醇為唯一碳源biosensing system for monitoring methane. Enzyme microbial培養后,對乙醇利用有較強的專(zhuān)一性,以固定化該菌株進(jìn)行Technol,2008,43:257~261了乙醇含量測定,測定結果表明該測定體系不受其它醇類(lèi)物12 Dong XZ(東秀珠, Cai my(蔡妙英). The Common Bacterium質(zhì)干擾,具有較好的選擇性.這也說(shuō)明該菌株胞內的乙醇脫Systematic Determinative Manual. Beijing, China(L3):Science氫酶對乙醇分子的識別和催化有較強的專(zhuān)一性.乙醇含量在Press,2001.145-155002%-2%(W)范圍內,溶氧消耗量同乙醇含量呈函數關(guān)系,13 Hutchens e, Radajewski S, Dumont mG, McDonald IR, Murrell jc響應時(shí)間在25min內;該測定方法在選擇性和專(zhuān)一性方面明Analysis of methanotrophic bacteria in Movile Cave by stable isotope顯優(yōu)于密度比重法,與色譜法相比具有成本低、操作簡(jiǎn)便等probing Environ Microbiol, 2004, 6(2): 111-120優(yōu)點(diǎn).該生物反應系統的測試范圍為0.02%~2%(V1),通過(guò)14 Liang ZB(梁戰備),ShiY(史弈),YueJ(岳進(jìn)). Advances in the調整實(shí)際測試樣品的稀釋倍數,可以在較大的范圍內測定乙research of methanotroph. Chin Ecol(生態(tài)學(xué)雜志),2004,23(5)醇含量,其靈敏度、檢出限及檢測范圍均優(yōu)于已有報道.對198-20595%乙醇和山西杏花村汾酒集團質(zhì)檢處提供的實(shí)際樣品檢Hanson RS, Hanson TE Methanotrophic bacteria. Microbiol Rev, 199660(2):439-471測,測定結果與氣相色譜測定值相吻合.由于攪拌使反應體中國煤化工CNMHG