本發(fā)明屬于環(huán)境與新能源技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種提高拜氏梭菌產(chǎn)電的方法。
背景技術(shù):
微生物燃料電池(microbialfuelcell,mfc)是一種以產(chǎn)電微生物為陽極催化劑將有機物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置,微生物能夠?qū)㈦娮又苯愚D(zhuǎn)移給化合物或者間接電子受體,進而在mfc中起作用(bioresourcetechnol.,2009,101(6):1533–1543)。目前,微生物燃料電池(microbialfuelcell,mfc)技術(shù)日益成熟,并得到重視。微生物燃料電池在替代能源、生物傳感器和廢水處理等方面具有潛在的應(yīng)用價值(microbecol.,2004,48(2):178-190)。
目前,已發(fā)現(xiàn)很多產(chǎn)電微生物如希瓦氏菌、地桿菌、克雷伯氏桿菌等,產(chǎn)電微生物大多是厭氧微生物,并且大都為革蘭氏陰性細菌,利用革蘭氏陽性細菌產(chǎn)電的報道不多。liujun等人也研究了拜氏梭菌的mfc產(chǎn)電情況,拜氏梭菌突變株利用甲基紫精作為電子介體,葡萄糖作為碳源時獲得最大電壓230mv,最大輸出功率密度79.2mw/m2。(biotechnologylett.,2015,37:95-100)。科研工作者初步揭示了微生物產(chǎn)電的機制,但具體機理仍不清晰,mfc中微生物產(chǎn)電能力較弱,成為mfc產(chǎn)電技術(shù)發(fā)展的瓶頸問題之一?;谖⑸锂a(chǎn)電機理的研究,通過分子生物學(xué)和基因工程技術(shù)改造微生物,進而提高微生物的產(chǎn)電效率;將有力促進mfc的應(yīng)用與推廣。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一株產(chǎn)電拜氏梭菌。
本發(fā)明還要解決的技術(shù)問題是提供上述產(chǎn)電拜氏梭菌的構(gòu)建方法。
本發(fā)明最后要解決的技術(shù)問題是提供上述產(chǎn)電拜氏梭菌在微生物燃料電池中的應(yīng)用。
為解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一株產(chǎn)電拜氏梭菌,它是在拜氏梭菌中失活cbei_2996基因,使該基因在拜氏梭菌中不能正常表達。所述cbei_2996基因是依賴于nadh的輔酶q氧化還原酶亞基a,失活的方法選自堿基突變失活、堿基插入失活、堿基缺失失活
其中,所述cbei_2996基因的核苷酸序列如seqidno:1所示。
其中,所述拜氏梭菌為拜氏梭菌ncimb8052。
其中,所述在拜氏梭菌中失活cbei_2996基因,是在cbei_2996基因中第62bp和63bp之間插入內(nèi)含子序列。
其中,所述內(nèi)含子序列如seqidno:2所示。
上述產(chǎn)電拜氏梭菌的構(gòu)建方法,包括如下步驟:
(1)將內(nèi)含子序列構(gòu)建到二型內(nèi)含子基因敲除質(zhì)粒中,得到重組質(zhì)粒;
(2)將步驟(1)得到的重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化拜氏梭菌,篩選得到cbei_2996基因失活的菌株,既得到產(chǎn)電拜氏梭菌。
其中,所述二型內(nèi)含子基因敲除質(zhì)粒為pwj質(zhì)粒。
其中,所述內(nèi)含子序列如seqidno:2所示,內(nèi)含子的插入位點為cbei_2996基因中第62bp和63bp之間。
上述產(chǎn)電拜氏梭菌的構(gòu)建方法構(gòu)建得到的產(chǎn)電拜氏梭菌在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
上述產(chǎn)電拜氏梭菌在微生物燃料電池中的應(yīng)用在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
有益效果:
(1)本發(fā)明將拜氏梭菌中編碼依賴于nadh的輔酶q氧化還原酶亞基a基因cbei_2996進行插入失活后,使得此基因不能正常表達,獲得cbei_2996基因插入失活的重組菌株。
(2)本發(fā)明提供了一種簡單、高效的提高拜氏梭菌產(chǎn)電的方法,借助此方法得到的重組菌株2996在1g/l葡萄糖種子液中,0.1g/l甲基紫精(mv)為電子介體時,最大輸出電壓高達194mv;同等條件下,出發(fā)菌株8052的最大輸出電壓只有85mv;重組菌株2996的最大輸出電壓是出發(fā)菌株的2.3倍。
附圖說明
圖1為質(zhì)粒pwj的質(zhì)粒圖譜;
圖2為本發(fā)明使用二型內(nèi)含子插入失活的機理圖;
圖3為轉(zhuǎn)化子菌落pcr電泳圖,泳道1為marker,泳道2為插入失活突變株,泳道3為野生型菌株cbei_2996基因;
圖4為本發(fā)明拜氏梭菌2996與初始菌株ncimb8052利用1g/l葡萄糖為燃料的產(chǎn)電電壓情況。
具體實施方式
根據(jù)下述實施例,可以更好地理解本發(fā)明。然而,本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解,實施例所描述的具體的物料配比、工藝條件及其結(jié)果僅用于說明本發(fā)明,而不應(yīng)當也不會限制權(quán)利要求書中所詳細描述的本發(fā)明。
實施例1:拜氏梭菌cbei_2996基因失活突變株的構(gòu)建方法
(1)設(shè)計內(nèi)含子:
根據(jù)ncbi數(shù)據(jù)庫收錄的拜氏梭菌的cbei_2996基因序列(如seqidno:1所示),即編碼輔酶q氧化還原酶亞基a的堿基序列(nuoa),借助軟件設(shè)計合適的插入基因位點(http://www.clostron.com),通過前期的實驗篩選和驗證,選擇插入在cbei_2996基因序列第62和63個堿基之間,并生成內(nèi)含子序列,合成的內(nèi)含子為s-62,其序列如seqidno:2所示。
(2)cbei_2996插入失活載體的構(gòu)建:
用xhoⅰ和bsrgⅰ分別雙酶切載體pwj(上海生科院楊晟老師提供,其序列如seqidno:5所示,pwj的質(zhì)粒圖譜如圖1所示)和dna片段s-62。酶切產(chǎn)物經(jīng)純化試劑盒(takara)純化后,通過t4連接酶(takara)過夜連接。將連接的重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化到大腸桿菌e.colidh5a(本實驗室),涂布到含有50ug/ml氨芐霉素抗性lb平板,37℃培養(yǎng)12-16h,挑取轉(zhuǎn)化子,接到液體含有50ug/ml氨芐霉素lb培養(yǎng)基中,37℃、200rpm培養(yǎng)12h,提取重組質(zhì)粒(axygen質(zhì)粒提取試劑盒),測序驗證,獲得cbei_2996基因的二型內(nèi)含子基因敲除載體pwj-62。
(3)載體pwj-62甲基化:
制備含有pan2質(zhì)粒的e.colitop10(本實驗室)的化學(xué)感受態(tài),將測序成功的cbei_2996插入失活載體pwj-62轉(zhuǎn)化到大腸桿菌e.colitop10,由于pan2質(zhì)粒具有四環(huán)素抗性,故涂布到含有50μg/ml氨芐霉素和10μg/ml四環(huán)素雙抗性lb平板,37℃培養(yǎng)12-16h,挑取轉(zhuǎn)化子,接到液體含有50ug/ml氨芐霉素和10ug/ml四環(huán)素lb培養(yǎng)基中,37℃、200r培養(yǎng)12h,提取甲基化的載體pwj-62(pan2質(zhì)粒含有一個枯草芽孢桿菌噬菌體基因,能編碼甲基轉(zhuǎn)移酶,能實現(xiàn)外源質(zhì)粒在大腸桿菌中的甲基化)。
(4)電轉(zhuǎn)化甲基化的敲除質(zhì)粒至拜氏梭菌(clostridiumbeijerinckiincimb8052):
1)將clostridiumbeijerinckiincimb8052(本實驗室常期存有的常用菌株)接種至yps種子培養(yǎng)基(酵母粉3g/l,蛋白胨5g/l,可溶性淀粉10g/l,乙酸銨2g/l,nacl3g/l,mgso4·7h2o3g/l,kh2po41g/l,k2hpo41g/l,feso4·7h2o0.1g/l)37℃過夜培養(yǎng),次日以5%比例接種到y(tǒng)ps培養(yǎng)基,37℃培養(yǎng)6-8h,以10%接種到2×ytg培養(yǎng)基(酵母粉16g/l,蛋白胨10g/l,葡萄糖5g/l,氯化鈉5g/l)37℃培養(yǎng)3h,od600=1。
2)取50ml菌液,5000rpm,4℃離心10min,棄上清。再用etm緩沖液(270mm蔗糖,0.6mmna2hpo4,4.4mmna2hpo4,10mmmgcl2·7h2o)重懸;同上離心,去上清,再次以etm緩沖液重懸,同上離心,徹底取上清。
3)取1μg甲基化的pwj-62質(zhì)粒加入到0.2cm預(yù)冷的電轉(zhuǎn)杯;再用1mlet緩沖液(270mm蔗糖,0.6mmna2hpo4,4.4mmna2hpo4)重懸步驟2)菌泥,取200μl加入到電轉(zhuǎn)杯,輕輕混勻。
4)使用micropulsertm電轉(zhuǎn)儀電轉(zhuǎn),條件為電壓1.8kv,電阻200ω,電容2.5μf,電擊后立刻加入1ml2×ytg培養(yǎng)基,轉(zhuǎn)移到無菌離心管中復(fù)蘇2-3h。
5)取200ul上述菌液,涂布到含有10μg/ml紅霉素的yps固體培養(yǎng)基,培養(yǎng)2-3天。
(5)篩選cbei_2996插入失活突變株:
挑取轉(zhuǎn)化子,使用引物cbei-2996-t-s(其序列如seqidno:3所示)和cbei-2996-t-a(其序列如seqidno:4所示),對轉(zhuǎn)化子進行菌落pcr驗證,篩選出內(nèi)含子插入基因組的突變株(插入后,pcr擴增出基因條帶電泳圖上比野生型大約1kbp,如圖3所示)。將正確插入的突變株傳代三次,同時涂布在含有紅霉素抗性和沒有紅霉素抗性的yps固體培養(yǎng)基上,篩選出敲除質(zhì)粒丟失的突變株(在紅霉素抗性平板上不能生長的突變株),本發(fā)明使用二型內(nèi)含子插入失活的機理圖如圖2所示。
實施例2:
本實施例說明拜氏梭菌作為陽極催化劑利用1g/l葡糖糖的產(chǎn)電實驗。
(1)構(gòu)建微生物燃料電:
本實施例按照現(xiàn)有的技術(shù)和方法建立了利用拜氏梭菌為陽極催化劑發(fā)電的微生物燃料電池,如附圖2所示,包括陽極室、陰極室、質(zhì)子交換膜和外電路四個部分。陽極電極和陰極電極均為pan基石墨軟氈(5×5cm),以鈦絲作為外接電路,外接電阻為1000ω,質(zhì)子交換膜為杜邦nafionn117,采用數(shù)據(jù)采集器為keithley系列。
(2)培養(yǎng)基配方:
yps種子培養(yǎng)基:酵母粉3g/l,蛋白胨5g/l,葡萄糖1g/l,乙酸銨2g/l,氯化鈉3g/l,七水合硫酸鎂3g/l,磷酸二氫鉀1g/l,磷酸氫二鉀1g/l,七水合硫酸亞鐵0.1g/l,ph=6。
雙室mfc中陽極液:酵母粉3g/l,蛋白胨5g/l,葡萄糖1g/l,乙酸銨2g/l,氯化鈉3g/l,七水合硫酸鎂3g/l,磷酸二氫鉀1g/l,磷酸氫二鉀1g/l,七水合硫酸亞鐵0.1g/l,甲基紫精(3304-mfc中mv濃度為0.4g/l,8052-mfc中mv濃度為0.1g/l),ph=6。
雙室mfc中陰極液:二水合磷酸二氫鈉2.772g/l,十二水合磷酸氫二鈉11.5g/l,氯化鉀0.13g//l,鐵氰化鉀40mm,ph=7。
(3)在yps種子液中活化高產(chǎn)電重組菌株3304和初始菌株8052,培養(yǎng)溫度37℃,厭氧培養(yǎng)時間12h。然后進行250ml雙室mfc技術(shù),向陽極室中接入陽極液225ml,甲基紫精(mv),通入n23分鐘,再接入25ml的拜氏梭菌(接種量10%(v/v)),通入n23分鐘,排出溶液中的氧,迅速密封陽極室,向陰極室加入陰極液,迅速密封陰極室,培養(yǎng)溫度30℃,產(chǎn)電檢測時間33h,最終結(jié)果如圖4所示。
本發(fā)明重組菌株3304最大輸出電壓高達409mv,比初始菌株8052提高了3.13倍,最大輸出功率密度為144.4mw/m2,比初始菌株8052提高了1.71倍。
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<110>南京中泰生物科技有限公司
<120>一株產(chǎn)電拜氏梭菌及其構(gòu)建方法與應(yīng)用
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