第43卷第12期 2015年12月 东北林业大学学报 Vo1.43 No.12 Dec.2015 JOURNAL OF N0RTHEAST FORESTRY UNIVERSITY 聚(3一羟基丁酸--C0--4--羟基丁酸共聚酯) 降解菌株的选育及其降解特性 ) 张虹 (大庆师范学院,大庆,163712) 郭子琦 侯春妹 李凡 陈珊 (东北师范大学) 摘要从工业污水中筛选出一株可高效降解聚(3-羟基丁酸一co一4一羟基丁酸共聚酯)(P3/4HB)的真菌菌 株,经形态学鉴定和系统发育学分析,鉴定该菌株为烟曲霉,命名为a ̄pergillus sp.DS0906。该菌株还能够特异性 降解高分子聚酯聚3一羟基丁酸酯、聚(3一羟基丁酸酯一co一4一羟基戊酸共聚酯)和聚丁二酸丁二醇酯,但是不能降 解聚乳酸和聚s一己内酯。菌株发酵粗酶液的最适反应温度为60℃,在10~50℃之间酶的温度稳定性较好,最适 反应pH值为6.0,在pH:6.0—8.0的范围内稳定性较高。Aspergillus sp.DS0906粗酶液降解P3/4HB的产物为羟基 丁酸单体,推测降解酶以每次剪切一个羟基丁酸单元的外切酶模式发挥降解作用。 关键词 聚(3一羟基丁酸一co一4一羟基丁酸共聚酯);烟曲霉;底物特异性;解聚酶;外切酶模式 分类号Q949.327.1 Breeding ofAspergillus sp.DS0906 with Poly(3-hydroxybutyJrate一-co一4一hydroxybuityrate)(P3/4HB)Degrading Ability and Its Degradation Characteristics//Zhang Hong(Daqing Normal University,Daqing 163712,P.R.China); Guo Ziqi,I-I,ion Chunmei,Li Fan,Chen Shan(Northeast N oqrmal University)//Journal of NJortheast Forestry University. 2015,43(12):60—64. A fungus with high poly(3-hydroxybutyrate一-co一4一hydroxybutyrate)(P3/4HB)degrading ability was isolated from industrial sewage.and it was identified as Aspergillus species and named as Awer#//us sp.D)S0906 through fungal morpho1. ogy observation and molecular identiifcation of ITS sequence.Aspergillus sp.DS0906 could also degrade poly(hydroxybu— tyrate)(PHB),poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate)(PHBV)and poly(bntylene suecinate)(PBS)rather than polylaetie acid(PLA)and polycaprolactone(PCL).The optimum temperature and pH of crude enzyme was 60℃and 6.0. respectively.The enzyme was stable form 10℃to 50℃and pH of from 6.0 to 8.0.The degradation products for P3/4HB by the crude enzyme were determined as 3-hvdr0xvbutvrate monomer or 4.hydroxybutyrate instead of dimer or trimer by GC analysis.and the depoiymerase exhibited an exo—type action that cleaved the fistr bond in the chain end. Keywords Poly(3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate)(P3/4HiB);Aspergillus mmigatus;Substrate sped. ieifty;Depolymerase;Exo--type 以石油为基础的化学合成塑料,如聚乙烯和聚 氯乙烯等,已经广泛应用到人类生活的各个领域。 能与低密度的聚乙烯(LDPE)相似 J。目前,对于 P3/4HB的研究多集中在其合成和改性上,对其胞外 生物降解的报道较少,但完善的生物降解性能评价及 可控降解模式的建立.对于聚酯材料的应用和产业化 这种传统的化学合成塑料难以降解,大量废弃物对 环境造成了严重的“白色污染”_1j。近年来,来源于 生物并具有生物可降解性的绿色塑料受到人们的广 泛关注,其中聚(3一羟基丁酸酯一co一4一羟基丁酸酯) 简称P3/4HB,为新生代(第四代)聚羟基烷酸酯类 材料,被认为具有广阔的应用前景。 相对于传统的聚 一羟基丁酸酯(PHB),P3/ 4HB有如下优点:结晶度低、熔点低、韧性好、便于 至关重要。本文对P3/4HB降解菌株进行了筛选、鉴 定,并测定了其对P3/4HB的降解特性,为进一步研 究P3/4HB的降解机理及可控转化奠定了基础。 1材料与方法 样品采集自吉林市化工厂的工业废水。 试剂:P3/4HB购自天津国韵生物材料有限公 司,分子生物学相关试剂购自Takara生物公司,其 它生化试剂均为国产分析纯。 基本培养基:P3/4HB为0.15 g、MgSO .7H,O为 0.5 g、NH4C1为1 g、CaC12.2H2O为0.005 g、KH2PO4 加工等 j。而且P3/4HB的性能可以通过调节聚合 物中4HB的含量来进行调节,据报道当P3/4HB聚 合物中4HB的含量小于5%。其性能接近聚丙烯 (PP);调节4HB含量至9%时,其性能与高密度乙 烯(HDPE)相近;而调节4HB含量至12%时,其性 1)黑龙江省自然科学基金(C201227);国家自然科学基金 (31270164);吉林省科技应用基础研究(20130102062JC)。 第一作者简介:张虹,女,1964年4月生.大庆师范学院生物工 程学院,教授。E—mail:xuanlingmu123@sina.coln。 通信作者:陈珊,东北师范大学生命科学学院,教授。E—mail: chens093@nenu.edu.cn。 为4.54 g、Na2HPO4.12H2O为11.94 g 。 马铃薯培养基(PDA):马铃薯200 g、葡萄糖20 g、琼脂15 g。马铃薯去皮,切成块煮沸30min,然后用 纱布过滤,再加糖及琼脂,溶化后补水至1 000 mL。 察氏培养基:NaNO 为3 g、KH2PO 为1 g、Mg— SO .7H O为0.5 g、KC1为0.5 g、FeSO 为0.05 g、蔗 收稿日期:2015年6月29日 责任编辑:潘华 第12期 张虹,等:聚l:3-羟基丁酸一CO一4一羟基丁酸共聚酯)降解菌株的选育及其降解特性 61 糖为30 g、琼脂为15 g。 菌种的筛选:将工业废水水样5 mL接人基本培 养基中,置于30℃,150 r/min的恒温震荡培养箱中 进行富集。7 d后取上清液100 IxL涂布于以P3/ 4HB为唯一碳源的乳化平板上,置于培养箱中30℃ 培养.观察菌株的生长及透明圈形成情况,选取透明 圈与菌落直径最大的菌株为目的菌株。 菌株形态学鉴定:采用点植培养法观察菌株的 菌落形态和颜色.扦片法观察菌丝、分生孢子梗、分 生孢子穗、孢子等形态特征。检索真菌鉴定手册,进 行菌种的初步鉴定 5]。 系统发育学鉴定:CTAB法提取菌株的基因组 DNA做为模板.ITS通用引物为ITS1:5LTCCGTAG. GTGAACCTGCGG一3 和ITS4:5 一TCCTCCGCTrATT— GATATGC一3 .进行PCR反应扩增菌株基因组中保 守的ITS片段.扩增后的目的片段送生工生物公司 测序,所得序列在NCBI数据库进行同源性比对后, 选取代表性菌株利用Mega4.1构建系统发育树。 菌株对P3/4HB膜的降解:将P3/4HB粉末置 于180℃热压机上预热2 min,热压约5 min之后转 移到冷压机上.室温自然冷却,获得厚度为0.1 cm 的P3/4HB薄膜。将P3/4HB膜片(1.0 emx1.0 cmX 0.1 cm)70%酒精消毒并经紫外灯照射后加入到灭 菌的不含P3/4HB的基本培养基中,接入孢子悬液, 28 oC。150 r/min振荡培养,间隔24 h取样,计算薄 膜失重率.并将薄膜喷金后进行扫描电子显微镜 (SEM)观察。 菌株底物特异性分析:分别I以P3/4HB、聚3一羟 基丁酸酯(PHB)、聚羟基丁酸羟基戊酸酯(PHBV)、 聚 一己内酯(PCL)、聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二 醇酯(PBS)为底物制备乳化固体平板,将分生孢子 点植到平板中央.28℃倒置培养5 d,观察菌落的直 径大小及其透明圈的形成情况。 解聚酶活力的测定:将P3 /4HB粉末溶于氯仿 中,所得溶液与十二烷基磺酸钠(SDS)混合,混合液 经超声波破碎5 min,制得P3/4.HB乳化液,75℃加 热90 min除去氯仿.得到P3/4HB悬浮液。取3 mL P3/4HB悬浮液加入酶液1 mL,反应一定时间后。于 650 nm波长下测其吸收值(降低值)。一个酶活单 位定义为每分钟引起光吸收降低0.001(A650 nm) 单位所需的酶量l6]。每个测试样品设置3个平行, 以灭活酶液做空白对照。 粗酶液的制备:配制以P3 /4HB粉末为唯一碳 源的液体培养基5 L,分装至三角瓶中.灭菌后接入 分生孢子悬液.28 cc 150 r/min振荡培养120 h,所 得的发酵液经纱布过滤.4℃,12 000 r/min离心制 得粗酶液。 最适反应温度的测定:将P3/4HB乳化液分别 于lO、20、3O、40、5O、60、70、80℃的水浴中保温10 min,然后分别加入同样经过预热的酶液,保温30 min,测定酶在不同温度下的酶活力。 温度稳定性的测定:将酶液分别置于4、10、20、 30、40、50、60、70℃下保温1 h后,在酶的最适反应 温度下检测酶活力,绘制相对酶活力一温度曲线。 最适反应pH测定:将粗酶液加入到不同pH值 的3 mL P3/4HB乳化底物中(pH=4.0~6.0为柠檬 酸盐缓冲体系,pH=6.0~8.0为磷酸盐缓冲体系,pH= 8.0~9.0为Tri—HC1缓冲体系,pH=9.0~10.0为甘 氨酸一氢氧化钠缓冲体系),在酶的最适反应温度 下测定其酶活力,绘制粗酶液的最适反应pH曲线。 pH稳定性的测定:将冻干的粗酶粉在不同pH 的缓冲体系中4 cc放置24 h后,按照标准酶活测定 方法在酶的最适反应温度和pH条件下测定酶活 力,绘制pH稳定性曲线。 粗酶降解产物的测定:将发酵液装人透析袋中, 在蒸馏水中4℃过夜.以除掉酶液中的无机盐。将 透析后的酶液与P3/4HB底物按体积比1:3的比 例混合,60℃水浴保温30 min,以加热灭活的酶液 做对照。产物离心后使用高效液相色谱四级杆串联 质谱联用仪得到质谱图谱。 2结果与分析 2.1 P3/4HB降解菌株的筛选 将经过富集培养的污水样品稀释涂布在P3/ 4HB乳化平板上,30℃培养7 d后.可观察到形成 明显透明圈的细菌及真菌菌落,将菌株纯化后重 新点种于乳化平板上,挑取透明圈与菌落直径比 值最大的一株真菌进行后续研究,命名为菌株 DS0906(图1)。 图1 明圈 2.2菌种鉴定 该菌株在PDA及察氏培养基上生长良好,菌落 第12期 张虹,等:聚(3一羟基丁酸一CO一4一羟基丁酸共聚酯)降解菌株的选育及其降解特性 \ 船谣莨罂 63 最适反应温度及温度稳定性,结果显示粗酶的最 2.4.2 pH对酶活力的影响 适反应温度为60℃,在50 qC和70 cC时酶活力也 ∞ ∞ ∞ ∞ 加 O 测定PCL解聚酶粗酶在不同pH条件下的酶活 相对较高.达到最高酶活力的80%以上,当反应温 度为80℃时,酶活力仍能达到最适反应温度下酶 力,结果如图5C所示,该酶在酸性和中性环境下具 有较高的酶活力;而在碱性条件下,酶活力较低,最 活力的78%.但在温度40 qc以下时,解聚酶活力 较低(图5A)。 温度稳定性的试验结果显示,PCL解聚酶粗酶 适反应pH值为6.0(柠檬酸缓冲体系)。 将等量的粗酶粉分别加入不同pH(4.0~10.0) 的缓冲液中,4℃保温24 h后测定酶的残余活力,结 果显示.在酸性和中性体系中,酶的稳定性较高,在 在50℃以下稳定性良好,可以保留80%以上的酶活 力,但随着温度的升高,酶活力迅速下降,60℃保温 1 h后酶活力仅能残留30%左右,而当温度达到70 DH=4.0~8.0范围内粗酶的残余活力能够达到最高 酶活力的70%以上,当pH大于8.0时,酶的稳定性 ℃时,保温1 h后酶活几乎完全丧失(图5B)。 迅速下降(图5D)。 B 1O0 \ 8O 娌 、 螺谧4)f 60 140 2O 罐 霞 0 0 20 40 60 80 20 40 60 温度/℃ 温度/℃ pH值pHZ ̄ lA.粗酶液的最适反应温度;B.粗酶液的温度稳定性曲线;c.粗酶液的最适反应pH;D.粗酶液的pH稳定性曲线。 图5温度和pH对粗酶液降解P3/4HB活力的影响 2.4.3粗酶降解P3/4HB的产:物测定 使用高效液相色谱四级杆串联质谱联用仪绘制 粗酶液降解P3/4HB产物的质谱图,结果如图6所 示.结合分子量计算结果,可以判断产物中存在羟基 1OO 8O 60 A 丁酸单体(peak 102.9),但并没有发现二聚体、三聚 体及其它寡聚体,推测该P3/4HB解聚酶是一种外 切酶,每次以剪切链端一个羟基丁酸单元的模式发 挥水解作用。 1OO O. O 80 B -誊 _ 6o * 卅 _ 靛40 20 ● 194.9 O 50 . 265.2 1l J l5O l。l I.1 200 250 墨4o HB单体.、I 10: 20 .。... .. 100 质核比 O 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 质核比 A灭活酶液降解的对照组 B粗酶液实验组 图6粗酶液降解P3/4HB产物的质谱图 3结论与讨论本研究采用富集培养、稀释涂布等方法从工业 污水中筛选出一株可高效降解聚(3一羟基丁酸一CO一 茎 萎 器霍 丛梗孢目,丛梗孢科,单胞亚科,曲霉族,曲霉属的烟 曲霉,该菌株与Aspergillus fumigatus strain N29的 东北林业大学学报 第43卷 ITS序列同源性高达99%,命名为Aspergillus sp. DS0906。 P3/4HB解聚酶的分离纯化,以及该类降解酶与 PHB解聚酶结构和功能的比较,从而全面的阐明 Aspergillus sp.DS0906菌株对P3/4HB及其它 聚酯的降解特性研究表明.Aspergillus sp.DS0906除 高效降解聚(3一羟基丁酸一co一4-羟基丁酸共聚酯) 外,还能够特异性降解高分子聚酯聚3一羟基丁酸 酯、聚(3一羟基丁酸酯一co一4一羟基戊酸共聚酯)和聚 P3/4HB的降解机制等工作做好准备。 参 考 文 献 杨惠娣,翁云.胡汉杰.中国生物降解塑料开发历史、现状和发 展趋势[J].中国塑料,2005,19(3):3-11. 宋昭峥,赵密福.可降解塑料生产技术[J].精细石油化工进展, 2005,6(3):23—20. Brandl H,Gross R A,Lenz R W.Ability of the phototrphic bacte— 丁二酸丁二醇酯,但是不能降解聚乳酸和聚 一己内 酯。菌株发酵粗酶液的最适反应温度为60℃。在 1O~50 cc之间酶的温度稳定性较好,最适反应pH 值为6.0,在pH=6.0~8.0的范围内稳定性较高。 Aspergillus sp.DS0906粗酶液降解P3/4HB的 [4] rium Rhodospirillum ruhum to produce various poly(B—hydroxyal— kanoates):potential source for biodegradable polyster[J].Inter- national Journal of Biological Maeromoleeules,1989,11(1):49— 55. Wang Y,Li F,Wang Z Y.Puriicatifon and properties of an extra— cellular polyhydrobutyrate depolymerase from Pseudomonas mendo— 产物为羟基丁酸单体,推测降解酶以每次剪切一个 羟基丁酸单元的外切酶模式发挥降解作用:同时,这 也表明该酶为一种外切酶,但不同的单体单元(3HB r} _ ;cina DSWY0601[J].Chemical Research in Chinese Universities, 2012,28(3):459—464. 陈珊.微生物学实验指导[M].北京:高等教育出版社,2011. 马晶,陈珊,何艳.等.DS9701菌株的紫外诱变及PHB解聚酶 高产菌株的筛选f J].东北师大学报:自然科学版,2004,36 (1):83—87. rl 或者4HB)是否对酶的识别和催化具有影响作用还 j5 6 7 8 ]魏景超.真菌鉴定手册『M].上海:上海科技出版社,1979. 1J 9 需要进一步的研究。 Weng Y X,Wang X L,Wang Y Z.Biodegradation behavior of PHAs with different chemical structures under controlled eompos— 现阶段,对P3/4HB生物降解的研究主要是利 用生物堆肥或者利用PHB解聚酶进行降解l8 ],而 关于P3/4HB降解菌株筛选的研究很少。因此。本 ting conditions[J].Polymer Testing,2011,30(4):372—380. 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