Citation: LI Jiu-Ling, SUN Kai, MENG Jia, SHEN Ji-Min, QI Hong, JIANG Lei. Detection of N-Acyl-homoserine Lactones Signal Molecules of Quorum Sensing Secreted by Denitrification Flora in Microaerobic Nitrogen Removal Processes by Ultra Performance Liquid Chromatography-Tandem Mass Spectrometry[J]. Chinese Journal of Analytical Chemistry, 2016, 44(8): 1165-1170. doi: 10.11895/j.issn.0253-3820.160103
超高效液相色谱-串联质谱法检测微氧生物脱氮菌群酰基高丝氨酸内酯信号分子
-
关键词:
- 生物脱氮
- / 信号分子
- / 酰基高丝氨酸内酯
- / 超高效液相色谱-串联质谱法
English
Detection of N-Acyl-homoserine Lactones Signal Molecules of Quorum Sensing Secreted by Denitrification Flora in Microaerobic Nitrogen Removal Processes by Ultra Performance Liquid Chromatography-Tandem Mass Spectrometry
-
1. 引 言
厌氧氨氧化是新发现的一种废水生物脱氮机制,具有经济高效等特点,得到了广泛关注[1]。目前所发现的厌氧氨氧化细菌均为革兰氏阴性(G-)细菌,一般具有荚膜或粘液层,生长缓慢,倍增时间长达10~30 d[2, 3]。本课题组在进行低碳氮比(C/N)养猪废水处理研究中,发明了升流式微氧活性污泥处理装置(UMSR),其化学需氧量、氨氮和总氮的去除效率分别为0.72, 0.76和0.94 kg/(m3·d)[4, 5]。分析表明,UMSR的脱氮机制比较复杂,同时存在自养反硝化和异养反硝化作用,其中厌氧氨氧化是其重要脱氮机制之一。由于包括反硝化细菌和厌氧氨氧化细菌在内的脱氮菌群增殖缓慢,UMSR的启动和污泥驯化期长达155 d[4]。在长期驯化中,厌氧氨氧化细菌在系统中得到逐步富集,当菌群数量达到一定程度时会出现快速增殖、系统处理效能迅速提升的现象,说明生物脱氮菌群可能存在群体感应系统[6]。
许多细菌都能合成并释放具有信号功能的自诱导物质(Auto-inducer,AI)。环境中AI浓度随细菌密度的提高而增加,当达到某临界浓度时,能启动菌体中相关基因的表达,调控细菌的生物行为,如毒素及抗生素等次生代谢产物的生成、荚膜及孢子等特殊细胞结构的形成等[7],这种细菌适应环境的调节机制被定义为群体感应(Quorum sensing,QS)[8]。介导G-细菌群体感应的信号分子酰基高丝氨酸内酯(N-acyl-homoserine lactones, AHLs),能够向细菌反馈周围环境中菌体的数量变化并直接调控细菌基因性状的表达[9]。检测废水生物脱氮系统的AHLs,对解析生物脱氮机制及系统的调控运行均有重要意义。
目前,AHLs的检测方法分为微生物传感菌检测和物理化学检测两类方法。其中,微生物传感菌法采用对信号分子有敏感响应的微生物进行信号分子的检测。如McClean采用青紫色素杆菌(Chromobacterium violaceum)作为生物传感菌构建了突变菌株CV026,通过培养过程中的紫色素积累情况检测被试样品中的AHLs,但对酰基侧链长于10个碳原子的AHLs分子灵敏度极低,同时无法检测所有的3-羟基AHLs[10, 11]。而物理化学检测法中,气相或液相色谱与质谱串联的方法比较常见,但大都存在检测时间长、测量精度低、操作复杂等不足[12]。目前尚未有关于超高效液相色谱-串联质谱法(UPLC-MS/MS)测定微氧生物脱氮菌群中信号分子的研究报道[12-15]。本实验以UMSR系统的泥水混合物为样品,探讨了以UPLC-MS/MS测定G-菌群AHLs的方法,在提高检测精度和灵敏度基础上,实现对复杂菌群低浓度信号分子的快速检测和定量分析,为生物脱氮系统的脱氮机制研究和调控运行提供依据。
2. 实验部分
2.1. 仪器与试剂
Aquity超高效液相色谱(UPLC)串联质谱联用仪(Xevo TQ MS,Waters公司); RE-52型旋转蒸发仪(上海光学仪器厂); TG16-WS型台式高速离心机(湖南湘仪实验仪器有限公司); HZQ-C型往复式恒温振荡摇床(哈尔滨东联有限公司); Milli-Q超纯水机(Millipore公司); MS104TS电子天平(梅特勒-托利多仪器有限公司)。乙酸乙酯(色谱纯)、甲醇(色谱纯)和乙酸铵(纯度>99%)购于百灵威公司。C4-HSL, C6-HSL, C8-HSL, C10-HSL, C14-HSL, 3-oxo-C8-HSL, 3-oxo-C10-HSL, 3-oxo-C12-HSL和3-oxo-C14-HSL等9种AHLs信号分子的标准品均为色谱纯(纯度≥98%,购于Sigma公司),分别用甲醇配制成200 mg/L的标准液,于-20℃储存。
2.2. 样品前处理
研究样品为泥水混合物,取自本实验室用于处理低C/N比养猪废水的UMSR[4, 5]。将100 mL样品置于30℃摇床中振荡30 min后,12000 r/min离心7 min,收集50 mL上清液。用等量乙酸乙酯对上清液萃取3次[12],收集上层有机相,经含有适量无水硫酸钠的过滤柱除水后,旋转蒸干,用甲醇定容至5 mL。取1 mL经0.22μm滤膜过滤后,用于UPLC-MS/MS检测分析。
2.3. 实验方法
2.3.2. 质谱条件
电喷雾离子源(ESI);多反应离子监测(MRM);正离子扫描模式;毛细管电压:3.0 kV;毛细管温度:375℃;锥孔电压:30 V;载气:氮气,流速600 L/h;碰撞气:氩气,流速0.15 mL/min。
2.3.1. 色谱条件
BEH C18色谱柱(2.1 mm×50 mm,1.7μm; Waters公司); 分析时间6.5 min;柱温35℃;流速200μL/min;进样体积10μL;流动相: A为含有0.1%(V/V)甲酸和5 mmol/L乙酸铵的甲醇溶液,B为含有0.1%(V/V)甲酸和5 mmol/L乙酸铵溶液。梯度洗脱条件: 0~1.0 min,50%~60% A;1.0~2.5 min,60%~80% A;2.5~6.0 min,80%~100% A;6.0~6.1 min,100%~50% A;6.1~6.5 min,50% A。
3. 结果与讨论
3.1. 色谱条件的优化
采用BEH C18色谱柱,以甲醇作为有机流动相,可获得较好的分离效果和分辨率。同时,在流动相中适量加入乙酸铵可提高离子化效率,获得更好的峰形,而甲酸的加入进一步提高了检测的灵敏度, 降低了检出限[16]。经梯度洗脱,9种AHLs信号分子依次出峰时间如表 1所示,其色谱图如图 1所示。
表 1
化合物
Compounds分子式
Molecular formula保留时间
Retention time
(min)碳四高丝氨酸内酯N-Butanoyl-L-homoserine lactone, C4-HSL C8H13NO3 0.80 碳六高丝氨酸内酯N-Hexanoyl-L-homoserine lactone, C6-HSL C10H17NO3 1.34 氧代碳八高丝氨酸内酯N-3-oxo-Octanoyl-DL-homoserine lactone, 3-oxo-C8-HSL C12H19NO4 1.54 碳八高丝氨酸内酯N-Octanoyl-L-homoserine lactone, C8-HSL C12H21NO3 2.75 氧代碳十高丝氨酸内酯N-3-oxo-Decanoyl-DL-homoserine lactone, 3-oxo-C10-HSL C14H23NO4 2.95 碳十高丝氨酸内酯N-Decanoyl-L-homoserine lactone, C10-HSL C14H25NO3 3.77 氧代碳十二高丝氨酸内酯N-3-oxo-Dodecanoyl-DL-homoserine lactone, 3-oxo-C12-HSL C16H27NO4 3.88 氧代碳十四高丝氨酸内酯N-3-oxo-Tetradecanoyl-L-homoserine lactone, 3-oxo-C14-HSL C18H31NO4 4.63 碳十四高丝氨酸内酯N-Tetradecanoyl-DL-homoserine lactone, C14-HSL C18H33NO3 5.31 图 1
3.2. 质谱条件的优化
使用配置了正离子ESI的三重四极杆质谱,在m/z 50~350范围内对各物质进行扫描,确定9种AHLs信号分子的分子离子峰(见图 2),采用MRM模式优化定量分析条件,调节并获得了最优的锥孔电压、碰撞能量、母离子、子离子等参数,结果见表 2。
表 2
化合物
Compounds母离子
Parent ion (m/z)子离子
Daughter ion (m/z)锥孔电压
Cone voltage (V)碰撞能量
Collision energy (eV)C4-HSL 172.0 102.0*, 71.0 22 10 C6-HSL 200.1 102.0*, 99.0 20 10 3-oxo-C8-HSL 242.0 102.0*, 141.0 22 12 C8-HSL 228.0 102.0*, 127.0 22 12 3-oxo-C10-HSL 270.3 102.0*, 169.1 22 15 C10-HSL 256.0 102.0*, 155.0 22 12 3-oxo-C12-HSL 298.0 102.0*, 197.0 22 12 3-oxo-C14-HSL 326.4 102.0*, 225.2 22 12 C14-HSL 312.0 102.0*, 211.0 13 15 定量离子(Quantitative ion)。 图 2
3.3. 样品前处理方法的优化
由于AHLs为内酯类有机物,因此采用有机溶剂乙酸乙酯对其进行萃取。取自UMSR的泥水混合物经离心处理,上清液为水样,底层浓缩物与残余上清液的混合物为污泥样品。取等量水样和污泥样品各100 mL,分别按2.2节所述方法进行前处理,用UPLC-MS/MS进行分析检测(图 3)。结果表明,各AHLs信号分子在水样中的浓度普遍高于污泥样品,与文献[17]结果一致。选用水样作为检测物,能够获得较污泥样品更强的检测信号和灵敏度,从而能更为清晰地反映出生物脱氮系统的AHLs分布。因此,在后续研究中均选用泥水混合物的离心上清液作为检测样品。
图 3
3.4. 线性关系与检出限
用甲醇配制9种信号分子的混合标准液,设置7个质量浓度梯度,各信号分子的浓度为0.5, 1.0, 5.0, 10.0, 20.0, 50.0和100.0μg/L。以质量浓度为横坐标,定量离子m/z 102对应的峰面积为纵坐标,绘制标准曲线(表 3)。结果表明,在0.5~100μg/L范围内,9种AHLs的浓度与其对应的峰面积均有很好的线性关系和相关系数,检出限为0.01μg/L(除C4-HSL和C14-HSL为0.05μg/L外),定量限为0.5μg/L (除C6-HSL和C14-HSL为1.0μg/L外),均优于高效液相色谱-串联质谱法[18]。
表 3
表 3 9种AHLs信号分子的线性方程、回归系数、检出限和定量限Table 3. Linear equations, correlation coefficients, LODs and LOQs of 9 AHLs compounds化合物
Compound线性方程
Linear equation回归系数
Correlation coefficient (R2)检出限
LOD (μg/L)定量限
LOQ (μg/L)C4-HSL y=425.58x+1587.4 0.9999 0.05 0.5 C6-HSL y=700.33x-2019.2 0.9998 0.01 1.0 3-oxo-C8-HSL y=2253.4x+41330 0.9948 0.01 0.5 C8-HSL y=1242.1x+11030 0.9996 0.01 0.5 3-oxo-C10-HSL y=2452x+70192 0.9969 0.01 0.5 C10-HSL y=958.47x+33589 0.9950 0.01 0.5 3-oxo-C12-HSL y=1139.2x+28423 0.9978 0.01 0.5 3-oxo-C14-HSL y=2413.4x+26780 0.9990 0.01 0.5 C14-HSL y=153.54x+3589 0.9973 0.05 1.0 3.5. 方法的准确度和精密度
向UMSR出水中分别添加5,10和50μg/L的混合标准液,按照2.2节处理,对低、中、高3个加标水平各平行测量3次,根据峰面积计算回收率,结果如表 4。
表 4
化合物
Compounds加标水平Spiked Level 5μg/L 10μg/L 50μg/L 回收率
Recovery
(%)相对标准偏差
RSD
(%,n=3)回收率
Recovery
(%)相对标准偏差
RSD
(%,n=3)回收率
Recovery
(%)相对标准偏差
RSD
(%,n=3)C4-HSL 69.5 12.1 63.2 10.2 64.6 11.5 C6-HSL 85.4 6.6 109.4 7.1 88.7 5.9 3-oxo-C8-HSL 113.9 8.5 104.8 4.7 103.6 5.6 C8-HSL 105.5 4.9 115.6 7.3 102.1 4.3 3-oxo-C10-HSL 62.5 11.3 61.1 10.5 63.5 8.7 C10-HSL 106.6 5.6 109.6 3.4 94.4 2.9 3-oxo-C12-HSL 118.1 10.7 107.2 8.3 109.9 6.7 3-oxo-C14-HSL 70.5 9.7 68.2 10.2 65.2 11.1 C14-HSL 91.3 3.0 114.3 6.3 100.9 3.2 3.6. 实际样品的分析
从两个正在运行的UMSR内采集泥水混合液,利用前述开发的UPLC-MS/MS法对其AHLs信号分子进行检测。其中,样品a和样品b分别取自带有填料的和无填料的UMSR,其它运行参数一致:32℃,水力停留时间(HRT) 8 h,出水回流比45。样品b和样品c的区别是无填料UMSR中的生物量(活性污泥浓度,以总固体含量MLSS计)不同,分别为3.5和4.1 g/L。如图 4所示,样品b中各信号分子浓度普遍大于样品a和样品c。分析认为,在较高的出水回流比条件下,有填料的UMSR中的活性污泥,主要以生物膜的方式固着在填料表面,更新速率较慢[19, 20]。而无填料的UMSR中的活性污泥,以悬浮状态存在,生长旺盛[21, 22]。更强的代谢活性,是无填料UMSR中G-菌群信号分子浓度显著高于生物膜UMSR的主要原因。而在环境条件相同的条件下,微生物群体数量越多[7-9],但由图 4可知,具有较低生物量的样品b的AHLS浓度普遍高于样品C。该结果表明,反应器中的菌群结构及其代谢活性会随着反应器的运行发生变化[4]。
图 4
4. 结 论
建立了超高效液相色谱-串联质谱法,可同时快速准确地检测生物脱氮处理系统活性污泥中G-菌群的9种AHLs信号分子。分析时间6.5 min,检出限为0.01~0.5μg/L。本方法为及时掌握活性污泥功能菌群的生长状态和代谢活性提供了一种快捷途径,也为其它活性污泥系统G-菌群AHLs信号分子的检测提供了技术支撑。
-
-
[1]
van der Star W R L,Abma W R,Blommers D,Mulder J W,Tokutomi T,Strous M,Pjcioreanu C,van Loosdrecht M C W.Water Res.,2007,41(18):4149-4163
-
[2]
van Niftrik L A,Fuerst J A,Damste J S S,Kuenen J G,Jetten M S M,Strous M.FEMS Microbiol.Lett.,2004,233(1):7-13
-
[3]
ZHENG Ping,ZHANG Lei.Journal of ZheJiang University (Agriculture&Life Science),2009,(5):473-481 郑平,张蕾.浙江大学学报:农业与生命科学版,2009,(5):473-481
-
[4]
Meng J,Li J L,Li J Z,Antwi P,Deng K W,Wang C,Buelna G.Bioresource Technol.,2015,198:884-890
-
[5]
Meng J,Li J L,Li J Z,Sun K,Antwi P,Deng K W,Wang C,Buelna G.Bioresource Technol.,2016,201:166-173
-
[6]
Ding S,Zheng P,Lu H,Chen J W,Ghulam A.Appl.Microbiol.Biotechnol.,2013,97(5):1841-1849
-
[7]
Whistler C A,Pierson Ⅲ L S,Palazzo L,Vincenzo Q.J.Bacteriol.,2003,185(13):3718-3725
-
[8]
Raut N,Joel S,Pasini P,Sylvia D.Anal.Chem.,2015,87(5):2608-2614
-
[9]
CAO Guang-Xia,XU Su-Ping,PENG Yuan-Yi.Letters in Biotechnology,2010,3:433-437 曹广霞,徐素平,彭远义.生物技术通讯,2010,3:433-437
-
[10]
McClean K H,Winson M K,Fish L,Taylor A,Chhabra S R,Camara M,Daykin M,Lamb J H,Swift S,Bycroft B W,Stewart G S,Williams P.Microbiology,1997,143(12):3703-3711
-
[11]
CHU Wei-Hua,LIU Yong-Wei,ZHU Wei.Letters in Biotechnology,2011,3:166-169 储卫华,刘永旺,朱卫.生物技术通报,2011,3:166-169
-
[12]
Morin D,Grasland B,Vall E R H K.J.Chromatogr.A,2003,1002(1):79-92
-
[13]
Cataldi T R,Bianco G,Palazzo L,Vincenzo Q.Anal.Biochem.,2007,361(2):226-235
-
[14]
Ortoti C A,Atkinson S,Chhabra S R,Camara M,Paul W,David A B.Anal.Bioanal.Chem.,2007,387(2):497-511
-
[15]
GUO Xiu-Chun,ZHENG Li,ZHANG Kui-Ying.Journal of Instrumental Analysis,2012,31(3):347-350 郭秀春,郑立,张魁英.分析测试学报,2012,31(3):347-350
-
[16]
YI Yong,Tang Xu,LIN Xi-Huang.Chinese J.Anal.Chem.,2016,44(1):124-130 易勇,唐旭,林锡煌.分析化学,2016,44(1):124-130
-
[17]
Decho A W,Frey R L,Ferry J L.Chemical Reviews,2010,111(1):86-99
-
[18]
MA Chen-Chen,LI Bo-Lin,OU Jie,WANG Jing,ZHAO Jun-Hong.Chinese J.Anal.Chem.,2010,38(10):1428-1432 马晨晨,李柏林,欧杰,王婧,赵俊虹.分析化学,2010,38(10):1428-1432
-
[19]
ZHENG Jun,WANG Rong,ZHANG Gang.China Water&Wastewater.,2007,23(21):24-27 郑俊,汪荣,张刚.中国给水排水,2007,23(21):24-27
-
[20]
GUO Jun-Yuan,YANG Chun-Ping,ZENG Long-Yun,HE Hui-Jun,DENG Zheng-Yu.Acta Scientiae Circumstantia.,2010,30(8):1615-1621 郭俊元,杨春平,曾龙云,何慧军,邓征宇.环境科学学报,2010,30(8):1615-1621
-
[21]
ZHANGYi,LIU Min,CHEN Ying,GU Qing,TANG Wei.CIESC Journal, 2014,65(6):2329-2334 张燚,刘敏,陈滢,辜清,汤伟.化工学报,2014,65(6):2329-2334
-
[22]
LIANG Kang-Qiang,ZHOU Jun,XIONG Ya,TAO Tao.Huazhong Univ.Sci.&Tech.(Natural Science Edition), 2012,40(12):117-122 梁康强,周军,熊娅,陶涛.华中科技大学学报(自然科学版),2012,40(12):117-122
-
[1]
-
Table 1. Retention time of 9 kinds of n-acyl-homoserine lactones (AHLs)
化合物
Compounds分子式
Molecular formula保留时间
Retention time
(min)碳四高丝氨酸内酯N-Butanoyl-L-homoserine lactone, C4-HSL C8H13NO3 0.80 碳六高丝氨酸内酯N-Hexanoyl-L-homoserine lactone, C6-HSL C10H17NO3 1.34 氧代碳八高丝氨酸内酯N-3-oxo-Octanoyl-DL-homoserine lactone, 3-oxo-C8-HSL C12H19NO4 1.54 碳八高丝氨酸内酯N-Octanoyl-L-homoserine lactone, C8-HSL C12H21NO3 2.75 氧代碳十高丝氨酸内酯N-3-oxo-Decanoyl-DL-homoserine lactone, 3-oxo-C10-HSL C14H23NO4 2.95 碳十高丝氨酸内酯N-Decanoyl-L-homoserine lactone, C10-HSL C14H25NO3 3.77 氧代碳十二高丝氨酸内酯N-3-oxo-Dodecanoyl-DL-homoserine lactone, 3-oxo-C12-HSL C16H27NO4 3.88 氧代碳十四高丝氨酸内酯N-3-oxo-Tetradecanoyl-L-homoserine lactone, 3-oxo-C14-HSL C18H31NO4 4.63 碳十四高丝氨酸内酯N-Tetradecanoyl-DL-homoserine lactone, C14-HSL C18H33NO3 5.31 Table 2. MRM parameters of 9 kinds of AHLs standards
化合物
Compounds母离子
Parent ion (m/z)子离子
Daughter ion (m/z)锥孔电压
Cone voltage (V)碰撞能量
Collision energy (eV)C4-HSL 172.0 102.0*, 71.0 22 10 C6-HSL 200.1 102.0*, 99.0 20 10 3-oxo-C8-HSL 242.0 102.0*, 141.0 22 12 C8-HSL 228.0 102.0*, 127.0 22 12 3-oxo-C10-HSL 270.3 102.0*, 169.1 22 15 C10-HSL 256.0 102.0*, 155.0 22 12 3-oxo-C12-HSL 298.0 102.0*, 197.0 22 12 3-oxo-C14-HSL 326.4 102.0*, 225.2 22 12 C14-HSL 312.0 102.0*, 211.0 13 15 定量离子(Quantitative ion)。 Table 3. Linear equations, correlation coefficients, LODs and LOQs of 9 AHLs compounds
化合物
Compound线性方程
Linear equation回归系数
Correlation coefficient (R2)检出限
LOD (μg/L)定量限
LOQ (μg/L)C4-HSL y=425.58x+1587.4 0.9999 0.05 0.5 C6-HSL y=700.33x-2019.2 0.9998 0.01 1.0 3-oxo-C8-HSL y=2253.4x+41330 0.9948 0.01 0.5 C8-HSL y=1242.1x+11030 0.9996 0.01 0.5 3-oxo-C10-HSL y=2452x+70192 0.9969 0.01 0.5 C10-HSL y=958.47x+33589 0.9950 0.01 0.5 3-oxo-C12-HSL y=1139.2x+28423 0.9978 0.01 0.5 3-oxo-C14-HSL y=2413.4x+26780 0.9990 0.01 0.5 C14-HSL y=153.54x+3589 0.9973 0.05 1.0 Table 4. Spiked recoveries and relative standard deviations of 9 AHLs compounds
化合物
Compounds加标水平Spiked Level 5μg/L 10μg/L 50μg/L 回收率
Recovery
(%)相对标准偏差
RSD
(%,n=3)回收率
Recovery
(%)相对标准偏差
RSD
(%,n=3)回收率
Recovery
(%)相对标准偏差
RSD
(%,n=3)C4-HSL 69.5 12.1 63.2 10.2 64.6 11.5 C6-HSL 85.4 6.6 109.4 7.1 88.7 5.9 3-oxo-C8-HSL 113.9 8.5 104.8 4.7 103.6 5.6 C8-HSL 105.5 4.9 115.6 7.3 102.1 4.3 3-oxo-C10-HSL 62.5 11.3 61.1 10.5 63.5 8.7 C10-HSL 106.6 5.6 109.6 3.4 94.4 2.9 3-oxo-C12-HSL 118.1 10.7 107.2 8.3 109.9 6.7 3-oxo-C14-HSL 70.5 9.7 68.2 10.2 65.2 11.1 C14-HSL 91.3 3.0 114.3 6.3 100.9 3.2 -
扫一扫看文章
计量
- PDF下载量: 7
- 文章访问数: 1137
- HTML全文浏览量: 221

下载:
下载: