抗镉细菌分离鉴定及其对镉胁迫水稻幼苗生长的影响.pdf
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1、Advances in Microbiology 微生物前沿微生物前沿,2023,12(2),63-70 Published Online June 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/amb https:/doi.org/10.12677/amb.2023.122008 文章引用文章引用:张芯瑜,印宁鸿,陈丹丹,徐樾,罗婧,许爱清.抗镉细菌分离鉴定及其对镉胁迫水稻幼苗生长的影响J.微生物前沿,2023,12(2):63-70.DOI:10.12677/amb.2023.122008 抗镉细菌分离鉴定及其对镉胁迫水稻幼苗生长抗镉细菌分离鉴定及
2、其对镉胁迫水稻幼苗生长的影响的影响 张芯瑜张芯瑜1,印宁鸿印宁鸿1,陈丹丹陈丹丹1,徐徐 樾樾1,罗罗 婧婧1,许爱清,许爱清1,2*1湖南科技大学生命科学与健康学院,湖南 湘潭 2重金属污染土壤生态修复与安全利用湖南省普通高等学校重点实验室,湖南 湘潭 收稿日期:2023年3月28日;录用日期:2023年6月1日;发布日期:2023年6月9日 摘摘 要要 目的:旨在分离目的:旨在分离筛选筛选有利于水稻种植的抗镉菌种资源。方法:有利于水稻种植的抗镉菌种资源。方法:从从水稻根际水稻根际土壤分离纯化抗镉细菌,土壤分离纯化抗镉细菌,采用采用火焰原子吸收分光光度法测定菌株对镉的吸附去除率,利用水培法检
3、测抗镉细菌对镉胁迫水稻幼苗生长火焰原子吸收分光光度法测定菌株对镉的吸附去除率,利用水培法检测抗镉细菌对镉胁迫水稻幼苗生长的影响,运用的影响,运用16S rRNA基因序基因序列分析来鉴定菌株的种属。结果:分离得到列分析来鉴定菌株的种属。结果:分离得到4株抗镉细菌株抗镉细菌Cdr-1Cdr-4,其中其中菌株菌株Cdr-2在含镉在含镉400 mg/L的的培养液培养液生长后,对生长后,对镉离子吸附去除镉离子吸附去除率为率为61.27%。菌株。菌株Cdr-2对无镉对无镉水水稻营养液中培养的稻营养液中培养的水稻幼苗具有促生长作用,水稻幼苗具有促生长作用,但它对受但它对受10 mg/L镉离镉离胁迫的胁迫的水
4、稻幼苗生长水稻幼苗生长有加强毒害有加强毒害作作用用。经经16S rRNA基因测序鉴定菌株基因测序鉴定菌株Cdr-2为产气克雷伯氏菌。为产气克雷伯氏菌。结论:从水稻根际土壤分离出一株兼有抗结论:从水稻根际土壤分离出一株兼有抗镉性和促生长性的镉性和促生长性的产气克雷伯氏菌产气克雷伯氏菌Cdr-2。意义:研究结果可为。意义:研究结果可为产气克雷伯氏菌产气克雷伯氏菌Cdr-2在水稻种植上应用在水稻种植上应用提供参考。提供参考。关键词关键词 镉镉,水稻水稻,抗镉细菌抗镉细菌,产气克雷伯氏菌产气克雷伯氏菌 Isolation and Identification of Cadmium-Resistant
5、Bacteria and Their Influence on Growth of Cadmium-Stressed Rice Seedlings Xinyu Zhang1,Ninghong Yin1,Dandan Chen1,Yue Xu1,Jing Luo1,Aiqing Xu1,2*1School of Life and Health Science,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan Hunan 2Ecological Remediation and Safe Utilization of Heavy Metal-Po
6、lluted Soils,College of Hunan Province,Xiangtan Hunan *通讯作者。张芯瑜 等 DOI:10.12677/amb.2023.122008 64 微生物前沿 Received:Mar.28th,2023;accepted:Jun.1st,2023;published:Jun.9th,2023 Abstract Aim:Isolating and screening of the cadmium-resistant bacteria(Cd-r-BA)that were benefited to rice cultivation.Methods:T
7、he Cd-r-BA was isolated from rice rhizospheric soil.The adsorption and removal rate of cadmium when the Cd-r-BA grows in cadmium-containing broth was detected by the flame atomic absorption spectrometric method.The effects of Cd-r-BA to cadmium-stressed rice seedlings were detected by using water cu
8、lture method.The identification of the object bacte-rium was depended on its 16S rRNA gene sequence.Results:The results showed that four Cd-r-BA strains of Cdr-1Cdr-4 were screened out.Especially,when the strain Cdr-2 grows in broth con-taining 400 mg/L of cadmium,the adsorption and removal rate of
9、61.27%cadmium was detected.The growth of the rice seedlings was prompted by the strain Cdr-2 under cadmium-free rice cul-ture nutrients in water culture box,while the toxic effects of the cadmium to the rice seedlings was enhanced by the strain Cdr-2 under 10 mg/L of cadmium condition.The strain Cdr
10、-2 was identi-fied as species Klebsiella aerogenes by 16S rRNA gene sequencing.Conclusion:The conclusion was drawn that a Klebsiella aerogenes strain Cdr-2 that characterized by cadmium-resistance and growth-promoting was isolated and screened from rice rhizosphericsoil.Significance:The results coul
11、d provide reference data for the application of strain Cdr-2 to the rice cultivation.Keywords Cadmium,Rice Plant,Cadmium-Resistant Bacteria,Klebsiella aerogenes Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY
12、 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 镉(Cadmium,Cd)是元素周期表第五周期 IIB 族元素。镉是生物体非必需元素,对于动植物都是一种毒性非常强的重金属,被国际癌症机构 IARC 列为致癌类物质。Cd 由于其在环境中具有很强的迁移转化特性及对人体的高度危害性而被列为国家重金属污染综合防治“十二五”规划重点关注的 5 大重金属污染元素之一1 2。据 2014 年全国土壤污染状况调查公报数据统计:中国受重金属污染耕地面积约为 2000 万 hm2,占耕地面积的 1/5 左右,以中轻度污染为主,镉污染点位超标率达 7.0
13、%,居所有无机污染物之首3。重金属铅、镉等进入土壤环境当中,会长期蓄积并破坏土壤本身的自净能力,使土壤成为污染物的“储存库”。土壤中固定态的镉,经植物根系活化转变后具有较高的可移动性,通过自由扩散或载体蛋白运输的方式经质外体或共质体途径进入植物根系,再由木质部装载经蒸腾作用向地上部分转运4 5 6 7,最后转运至植物的可食用部分,通过食物链传递,危害人体健康。水稻(Oryza sativa L.)是世界上最重要、消耗最大的粮食作物之一,对其产量的需求随着世界人口的不断增长正不断增加8 9。水稻也是我国第一大粮食作物,因此保证大米中镉的低含量具有重要意义。在镉污染环境中,水稻根系从环境中吸收镉离
14、子后,会把大部分镉离子转化成难溶态镉固定在根系组织中,只有少数可溶态镉被转运到地上部,茎基部压缩的蘖节和地上伸长的 45 个节间以及节和叶片继续对镉进行层层拦截,将其储存在茎基、节和叶片中10 11 12。水稻开花以后,茎叶中储存的部分镉离Open AccessOpen Access张芯瑜 等 DOI:10.12677/amb.2023.122008 65 微生物前沿 子被活化,和 Mn、Zn 等营养元素一起向穗轴和稻米中转运12。镉和营养物质流经穗轴维管束到达籽粒基部,籽粒基部对转运而来的小分子化合物进行选择性吸收后运输至籽粒内部。镉毒害也会影响农作物气孔开闭状态并减缓光合效率,破坏叶绿体膜
15、导致叶绿素降解13,从而造成水稻产量下降。水稻从稻田吸收 Cd 并在稻米中积累,人们在食用含 Cd 的大米后,镉从消化道进入人体,则会出现呕吐、胃肠痉挛、腹疼、腹泻等症状,甚至可因肝肾综合症死亡。大部分 Cd 会被吸收并积累在体内产生毒性,危害人体健康。Cd 在人体器官中积累,其中肾脏和肝脏的积累量占体内 Cd 总量的约 60%。长期的 Cd 毒性易导致脏器功能受损,严重的甚至诱发癌变14 15 16。微生物修复即利用微生物将环境中的污染物降解或转化为其它无害物质的过程。微生物修复可应用于水体或土壤的重金属污染修复。土壤微生物群落与土壤重金属污染之间的关系是当今国内外环境科学领域的一个研究热点
16、。一方面,重金属污染会对土壤微生物群落产生影响,如降低土壤微生物量、可培养细菌菌落数量,或明显改变土壤微生物群落的结构17。一定浓度重金属能够改进水稻根际微生物群落结构和碳源利用18。另一方面,某些微生物菌剂可以有效钝化土壤中的镉,有利于减轻镉对水稻的污染。当肠杆菌和丛毛单胞菌共同培养时,可以将溶液中的镉离子沉淀并完全去除,减少水稻对镉离子的吸收,使稻米中镉含量显著下降19。从镉污染土壤分离筛选的一株食酸代尔夫特(Delftia acidovorans)B9,通过盆栽试验发现向早稻品种中添加 B9 活菌体能增加稻米重量,比对照组重量增加 23.14%20。这些研究表明将抗镉菌种制成微生物菌剂应
17、用在水稻种植领域时,完全有可能降低水稻体内镉含量,提高稻谷产量的同时也能保证稻谷的品质。本研究在分离筛选抗(耐)镉细菌资源过程中,从水稻根际土壤中分离纯化得到一株兼有抗镉性和促生长性的产气克雷伯氏菌 Cdr-2。研究结果为水稻栽培积累了有应用潜力菌种资源的参考性实验数据。2.材料与方法材料与方法 2.1.材料与材料与仪仪器器 采样土壤:采自湘潭市某有色金属冶炼厂附近的水稻根际土壤样品;水稻种子:Y 两优 1928(长沙利诚种业有限公司);牛肉膏,蛋白胨,氯化钠,琼脂粉,Cd(NO3)24H2O(AR,天津市科密欧化学试剂有限公司),镉离子标准溶液(1000 g/mL,国家有色金属及电子材料分析
18、测试中心);Yoshida 水稻营养液(800母液)。全自动高压蒸汽灭菌器(登冠),电热恒温鼓风干燥箱,立式恒温振荡器,洁净工作台,人工气候培养箱(上海一恒),高速冷冻离心机(卢湘仪),原子吸收分光光度计(AA-7000,岛津),植物水培盒(6 孔,容积 1 L)。2.2.实验方法实验方法 2.2.1.抗镉细菌的分离纯化抗镉细菌的分离纯化 在湘潭市某有色金属冶炼厂附近的稻田中随机采取 4 份水稻根际土样。制作含 Cd2+100 mg/L 的牛肉膏蛋白胨固体培养基平板,各取 1 g 土样分别加入 50 mL 灭菌生理盐水制成土样悬液,移取 0.2 mL 土样悬液涂布平板后置于28恒温培养箱中培养
19、48 hr。每个土样挑取2个菌落用于划线分离纯化得到纯菌落,转接到斜面培养基,28培养 48 hr 后,于 4冰箱保藏备用。2.2.2.菌株的抗镉能力和镉去除能力检测菌株的抗镉能力和镉去除能力检测 配制含 Cd2+浓度为 0,200 mg/L、400 mg/L 和 600 mg/L 的牛肉膏蛋白胨培养液,分装成 20 mL/瓶。无菌操作移取抗镉菌 Cdr-1、Cdr-2、Cdr-3 或 Cdr-4 种子液 200 L,分别接种于灭菌培养液中,28恒温张芯瑜 等 DOI:10.12677/amb.2023.122008 66 微生物前沿 震荡培养 48 hr,观察培养液的浊度。移取 1.5 ml
20、 含 Cd2+为 200 mg/L,400 mg/L,600 mg/L 的 48 hr 培养液,转速 10,000 r/min 离心 10 min 收集培养液上清。用去离子水稀释上清液使其中 Cd2+浓度为 1 mg/L以下。将镉离子标准溶液(1000 mg/L)用去离子水稀释,配制 Cd2+浓度分别为 0.1 mg/L、0.2 mg/L、0.4 mg/L、0.6 mg/L、0.8 mg/L 和 1.0 mg/L 的稀释液,用于制作火焰原子吸收分光光度法测镉浓度的标准曲线。利用火焰原子吸收分光光度法测量各上清液吸光值(Abs 228.8 nm),根据标准曲线拟合公式计算上清液中的镉残留量以及镉
21、离子的吸附去除率。2.3.菌株对水稻种子发芽的影响菌株对水稻种子发芽的影响 称取水稻种子 100 g 放入洁净保鲜盒中,先用无菌水浮选去除瘪谷等杂质,用 0.2%高锰酸钾溶液浸泡种子消毒 0.5 hr,无菌水清洗后用 28无菌水浸泡种子,置于恒温培养箱中 28温育至种子破口露白。把破口露白的萌发种子随机分成 5 组,标记为 CK(空白对照)、1#、2#、3#和 4#组,每组平行重复 3 小组。处理方式是:CK(空白对照):不接触任何细菌处理;1#组4#组:将萌发种子分别放入用无菌生理盐水稀释 100 倍的 Cdr-1、Cdr-2、Cdr-3 或 Cdr-4 菌株的 48 hr 培养液,使种子沾
22、上相应菌液。每小组随机挑取 50 颗沾上菌液的种子摆放在带湿润纱布的平板上,放入 28恒温培养箱中培养,观察菌株对水稻种子发芽的影响情况。2.4.菌株对镉胁迫水稻幼苗生长的影响菌株对镉胁迫水稻幼苗生长的影响 按说明书用无菌去离子水稀释水稻营养液母液制成工作液。取 6 个植物水培盒,分别盛装按表 1 处理的水稻培养液 1000 mL。从 2.3 中随机选取各处理中长势状态基本一致的水稻芽苗,用定植海绵固定在植物水培盒定植孔中,其中 5 孔各定植 2 株水稻芽苗,留下 1 个空孔用于通气和观察水情,放入人工气候培养箱中培养。培养条件是 28、湿度 95%、60%光照培养 12 hr;28、湿度 9
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