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        常壓室溫等離子體誘變選育微生物絮凝劑高產(chǎn)菌株

        2015-11-29 08:32:04郝建安楊波姜天翔張愛(ài)君張曉青司曉光杜瑾張雨山王靜
        生物技術(shù)通訊 2015年6期
        關(guān)鍵詞:高產(chǎn)

        郝建安,楊波,姜天翔,張愛(ài)君,張曉青,司曉光,杜瑾,張雨山,王靜

        國(guó)家海洋局 天津海水淡化與綜合利用研究所,天津 300192

        微生物絮凝劑(microbail flocculant)是一類由微生物產(chǎn)生的,可使液體中固體懸浮顆粒、菌體細(xì)胞及膠體凝集、沉淀的特殊高分子代謝物。其具有安全無(wú)毒、無(wú)二次污染,作用對(duì)象廣泛、凈化效果明顯,來(lái)源廣泛、預(yù)期成本低等優(yōu)點(diǎn),已成為絮凝劑領(lǐng)域研究的新熱點(diǎn)[1]。

        微生物絮凝現(xiàn)象的研究起步很早,1876年,Louis Pasteur 就發(fā)現(xiàn)酵母菌可產(chǎn)生絮凝現(xiàn)象[2]。1976年,Junji Nakamura 等分離到可產(chǎn)絮凝活性物質(zhì)的醬油曲 霉(Aspergillus sojae)AJ 7002[3];1986 年,Ryuichiro Kurane 等采用從自然界分離出的紅平紅球菌制成絮凝劑NOC-1,并把它用于畜產(chǎn)廢水處理、膨脹污泥處理、磚場(chǎng)生產(chǎn)廢水處理及廢水的脫色處理,都取得了很好的處理效果,被認(rèn)為是目前發(fā)現(xiàn)的最好的生物絮凝劑[4];1991 年,Kazuki Toeda 等發(fā)現(xiàn)一株可產(chǎn)微生物絮凝劑的協(xié)腹產(chǎn)堿桿菌(Alcaligenes cupidus)KT201[5];2002年,Zhang Jianfa等自纖維堆囊菌(Sorangium cellulosum)NUST06 中分離到一種胞外多糖類絮凝劑[6];2010年,Satish V.Patil等自印度固氮菌(Azotobacter indicus)ATCC 9540 中也發(fā)現(xiàn)了胞外多糖類絮凝劑[7]。截止目前,科學(xué)家已經(jīng)陸續(xù)從陸地、海洋與其他環(huán)境中分離出多種絮凝活性微生物,涵蓋數(shù)十個(gè)種屬[8-11]。

        常壓室溫等離子體(atmospheric room-temperature plasma,ARTP),利用氦氣輝光放電產(chǎn)生的等離子體射流作用于微生物,引起微生物的突變。氦氣輝光放電的主要優(yōu)點(diǎn)包括:溫度低,射流的溫度可以維持在40℃以下;放電均勻;等離子體射流的活性粒子種類豐富,主要包括He*(氦的激發(fā)態(tài)),以及氮離子、氧離子等。等離子體射流的活性粒子可以作用于細(xì)胞內(nèi)的DNA 物質(zhì)上,引起DNA 物質(zhì)的損傷,并通過(guò)不完全的修復(fù)過(guò)程引起基因位點(diǎn)突變。該方法首次應(yīng)用在鏈霉菌(Streptomyces avermitilis)的選育中,獲得高產(chǎn)除蟲(chóng)菌素的突變株[12],目前用于綠色糖單胞菌(Saccharomonospora viridis)[13]、茂源鏈輪絲菌(Streptoverticillium mobaraense)[14]、圓紅冬 孢酵母(Rhodosporidum toruloides)[15]等30 多種生物的誘變選育中。

        目前,微生物絮凝劑在工業(yè)化中的應(yīng)用受到生產(chǎn)成本過(guò)高的制約[16],因此,選育微生物絮凝劑的高產(chǎn)菌株,開(kāi)展適合工業(yè)生產(chǎn)的菌株誘變育種,提高微生物絮凝劑的產(chǎn)量是非常必要的。在本研究中,我們利用常壓室溫等離子體誘變系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)絮凝劑的海洋地衣芽孢桿菌(Bacillus licheniformis)DHS-40 進(jìn)行誘變,篩選微生物絮凝劑高產(chǎn)菌株,并對(duì)突變株產(chǎn)微生物絮凝劑的遺傳穩(wěn)定性進(jìn)行研究,獲得了遺傳穩(wěn)定性良好的高產(chǎn)突變菌株。

        1 材料與方法

        1.1 材料

        產(chǎn)微生物絮凝劑菌株海洋地衣芽孢桿菌DHS-40 為本實(shí)驗(yàn)室從天津塘沽海河入??诘奈勰嘀泻Y選并保存。

        LB培養(yǎng)基(g/L):蛋白胨10,酵母粉5,NaCl 10,pH7.0(固體培養(yǎng)基添加1.5%~2%瓊脂粉),121℃滅菌30 min。

        1.2 菌懸液的制備

        取斜面保存的菌種,接種于LB 固體培養(yǎng)基中,30℃恒溫培養(yǎng)2 d,挑取單菌落轉(zhuǎn)接到LB 液體培養(yǎng)基中,30℃振蕩培養(yǎng)2 d,取10 mL對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期菌液,4℃、6000 r/min 離心5 min,收集菌體,用10 mL 生理鹽水沖洗2~3 次,將菌體懸浮于無(wú)菌生理鹽水中制備菌懸液,并將菌懸液濃度調(diào)整到D600nm為0.5~0.7(106~108個(gè)/mL)。

        1.3 ARTP誘變方法

        采用北京思清源生物科技有限公司生產(chǎn)的ARTP-Ⅱ型常壓室溫等離子體誘變系統(tǒng)。吸取10 μL 制備好的菌懸液,涂布在已滅菌的金屬載片上,將載片置于載物臺(tái)上,調(diào)整載物臺(tái)高度,設(shè)定好處理時(shí)間后進(jìn)行照射。本實(shí)驗(yàn)以氦氣為載體,照射功率100 W,工作氣流量10 SLPM,照射距離2 mm。照射處理后將載片轉(zhuǎn)移到裝有1 mL 無(wú)菌生理鹽水的EP管中,振蕩1~2 min,使附著在載片上的菌體洗脫到生理鹽水中,形成新的菌懸液。將新的菌懸液稀釋至10-4、10-5、10-6共3個(gè)梯度,每個(gè)梯度涂布3塊平板,將涂布后的平板放置培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)。

        分別考察照射時(shí)間為30、60、90、120、150、180、210、240、270、300 s時(shí)的活菌數(shù),以未處理樣品為參照,通過(guò)菌落計(jì)數(shù)計(jì)算致死率,確定最佳照射時(shí)間。

        1.4 絮凝活性篩選

        取6個(gè)大燒杯,每個(gè)燒杯中加入1 L調(diào)好濁度的水,其中1 個(gè)為空白對(duì)照,另5 個(gè)燒杯添加絮凝劑樣品。絮凝攪拌分兩階段控制:第一階段為快速混合階段,攪拌轉(zhuǎn)速200 r/min,持續(xù)2 min;第二階段為反應(yīng)階段,攪拌轉(zhuǎn)速30 r/min,持續(xù)25 min。絮凝過(guò)程結(jié)束后,停止攪拌,收起攪拌槳,靜置沉淀15 min,沉淀結(jié)束后于距離上清液頂部2 cm 處取部分上清液,測(cè)量剩余濁度。

        1.5 篩選方法

        1.5.1 突變株初篩 選取經(jīng)絮凝試驗(yàn)后,處理水樣剩余濁度<25 NTU的誘變菌。

        1.5.2 突變株復(fù)篩 選取經(jīng)絮凝試驗(yàn)后,處理水樣剩余濁度<20 NTU的誘變菌。

        1.5.3 突變株終篩 將突變株與原始菌株進(jìn)行同步培養(yǎng),觀察同期絮凝活性變化,選取絮凝活性高于原始菌株的突變株。

        1.6 遺傳穩(wěn)定性分析

        為了檢驗(yàn)突變株的遺傳穩(wěn)定性,對(duì)篩選到的高產(chǎn)突變株進(jìn)行傳代培養(yǎng),測(cè)定不同傳代次數(shù)下突變株發(fā)酵液的表面張力。

        2 結(jié)果

        2.1 ARTP誘變致死率曲線

        在常壓室溫等離子體誘變育種中,影響菌株誘變效率的主要因素有照射距離、氣流量、放電功率和照射時(shí)間。為保證等離子體溫度低于40℃,設(shè)定照射功率100 W、工作氣流量10 SLPM、照射距離2 mm,在此條件下,等離子體誘變強(qiáng)度取決于照射時(shí)間的長(zhǎng)短[12,17]。當(dāng)照射時(shí)間從30 s上升到300 s時(shí),菌株致死率如圖1 所示??梢钥闯?,等離子體與海洋地衣芽孢桿菌DHS-40致死率之間有明顯的劑量累積效應(yīng),隨著照射時(shí)間的增加,菌體的致死率不斷升高。照射時(shí)間>60 s,DHS-40 致死率>60%;照射時(shí)間>240 s,致死率近100%。因此,選擇60~240 s為菌株DHS-40的最佳誘變照射時(shí)間。

        等離子體誘變?yōu)榉嵌ㄏ?,具隨機(jī)性。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[18],選擇菌株致死率在90%以上時(shí),菌株突變率較高,且平板上菌落分散性較好,便于單菌落挑選。因此,選取致死率在90%以上平板的單菌株進(jìn)行高產(chǎn)菌株的篩選。

        2.2 絮凝劑高產(chǎn)菌株的篩選

        共分離得到396 株誘變株,經(jīng)過(guò)初篩、復(fù)篩,共計(jì)篩選得到8 株絮凝活性較高的誘變菌。將DHS-40突變菌株與原始菌株同步培養(yǎng),其生長(zhǎng)狀態(tài)與絮凝活性同步曲線見(jiàn)圖2、3。

        由圖2 可見(jiàn),所有突變株的生長(zhǎng)都比原始菌株要好,生長(zhǎng)速率較快,尤其是90-102 與120-24 菌株的生長(zhǎng)最為迅速,同期生長(zhǎng)速率達(dá)到原始菌株的1.5倍以上。

        由圖3 可見(jiàn),除90-102 與120-24 株外,其他突變株同期絮凝活性低于原始菌株,這2 株突變菌株的同期絮凝活性達(dá)到原始菌株的1.5倍以上。

        2.3 突變株遺傳穩(wěn)定性分析

        誘變菌株遺傳穩(wěn)定性對(duì)發(fā)酵生產(chǎn)非常重要,由于突變菌株在傳代過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)表型延遲現(xiàn)象,導(dǎo)致高產(chǎn)菌株傳代后出現(xiàn)生產(chǎn)性衰退[19],因此必須對(duì)菌株傳代過(guò)程中遺傳穩(wěn)定性進(jìn)行研究。為驗(yàn)證突變株遺傳穩(wěn)定性,對(duì)突變株進(jìn)行6 代連續(xù)發(fā)酵培養(yǎng),并檢測(cè)每一代發(fā)酵液絮凝活性,結(jié)果如圖4 所示。可以看出,突變株有較好的遺傳穩(wěn)定性,連續(xù)傳代6 次,突變株處理后水樣的剩余濁度一直在30 NTU左右。

        3 討論

        圖1 海洋地衣芽孢桿菌DHS-40在不同照射時(shí)間下的致死率曲線

        圖2 原始菌和突變株同步生長(zhǎng)曲線

        微生物絮凝劑是具有絮凝活性的生物大分子物質(zhì),與化學(xué)絮凝劑相比,具有無(wú)毒、能生物降解等優(yōu)點(diǎn),未來(lái)在環(huán)保、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。目前微生物絮凝劑的主要問(wèn)題是產(chǎn)量太低,導(dǎo)致生產(chǎn)成本過(guò)高,限制了其應(yīng)用推廣。選育高產(chǎn)微生物絮凝劑菌株,是提高微生物絮凝劑產(chǎn)量的方法之一,在發(fā)酵工業(yè)中,大部分都采用誘變菌株作為生產(chǎn)菌株。

        本研究采用一種新的誘變育種方法,該方法產(chǎn)生的等離子體射流活性粒子種類豐富、放電均勻,與傳統(tǒng)的誘變技術(shù)相比,具有操作簡(jiǎn)單、安全性高等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于微生物誘變育種中。楊穎[13]等對(duì)綠色糖單胞菌進(jìn)行快速誘變,篩選出木聚糖酶高產(chǎn)菌株酶活比原始菌株提高17 倍;夏書(shū)琴[14]等利用ARTP 誘變茂原鏈輪絲菌(Streptoverticillium mobaraense),谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶酶活達(dá)2.73 U/mL,比原始菌株提高82%。等離子體作用于微生物,導(dǎo)致其DNA 物質(zhì)的損傷,但部分微生物會(huì)通過(guò)自身的修復(fù)系統(tǒng)修復(fù)存活,使微生物基因序列和代謝網(wǎng)絡(luò)發(fā)生顯著變化,導(dǎo)致微生物的突變[20-21]。本實(shí)驗(yàn)中,菌株經(jīng)過(guò)等離子體誘變后,最終篩選出2 株高產(chǎn)的突變株90-102 與120-24。這2 株突變株生長(zhǎng)速率提高了近1.5倍,同期絮凝活性也提高了近1.5倍。因此,ARTP育種能有效提高菌株微生物絮凝劑產(chǎn)量,篩選出微生物絮凝劑的高產(chǎn)誘變株。

        圖3 原始菌和突變株同步絮凝曲線

        圖4 突變株遺傳穩(wěn)定性

        綜上,我們利用常壓室溫等離子體誘變海洋地衣芽孢桿菌DHS-40,通過(guò)搖瓶篩選微生物絮凝劑的高產(chǎn)菌株,獲得2 株高產(chǎn)的突變株90-102 與120-24,與原始菌株相比,生長(zhǎng)速率提高了近1.5倍,同期絮凝活性也提高了近1.5倍,且傳代試驗(yàn)證實(shí)該突變株具有良好的遺傳穩(wěn)定性。

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