呂睿+李博+宋鳳敏
摘要:為了開(kāi)發(fā)高效微生物解鉀肥,利用解鉀菌選擇培養(yǎng)基,從陜西省周至縣獼猴桃園農(nóng)田土壤中分離出具有解鉀能力的菌株共計(jì)12株,通過(guò)純化培養(yǎng),篩選出1株高效解鉀菌JK3。利用16S rDNA基因序列分析方法對(duì)該菌株的分類(lèi)信息進(jìn)行鑒定,鑒定結(jié)果表明該菌株為膠質(zhì)芽孢桿菌(Paenibacillus mucilaginosus),并通過(guò)試驗(yàn)確定該菌株的最適培養(yǎng)條件:初始接種量1.5%,搖床轉(zhuǎn)速200 r/min,培養(yǎng)溫度30 ℃,初始pH值為7,最佳碳源為糖蜜,最佳氮源為麩皮。試驗(yàn)結(jié)果可為解鉀菌JK3的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持。
關(guān)鍵詞:解鉀菌;分離;篩選;鑒定;最適條件
中圖分類(lèi)號(hào): S182 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A
文章編號(hào):1002-1302(2016)11-0471-04
鉀是植物生長(zhǎng)所必需的三大營(yíng)養(yǎng)元素之一,一般植物體內(nèi)含鉀量占干物質(zhì)質(zhì)量的0.3%~0.5%[1]。鉀的營(yíng)養(yǎng)功能主要表現(xiàn)于鉀能激活多種酶的活性,目前已知的多種酶需要一價(jià)陽(yáng)離子活化,其中鉀離子是植物體內(nèi)最有效的激活劑;鉀能促進(jìn)光合作用,提高二氧化碳的同化率;鉀可促進(jìn)作物體內(nèi)物質(zhì)的合成與轉(zhuǎn)運(yùn)[2];鉀能維持細(xì)胞膨壓,促進(jìn)植物生長(zhǎng),植物各種正常代謝過(guò)程都需要細(xì)胞維持正常的結(jié)構(gòu)和形態(tài),而細(xì)胞的正常結(jié)構(gòu)和形態(tài)的維持又需要一定的滲透壓,鉀離子和氯離子正是維持植物細(xì)胞滲透壓的主要離子;鉀能增強(qiáng)植物抗逆性[3],鉀也能增強(qiáng)作物抗寒、抗旱、抗高溫、抗病、抗鹽、抗倒伏等的能力,從而提高其抵抗外界環(huán)境的忍耐能力。
然而,隨著種植業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,農(nóng)作物產(chǎn)量和復(fù)種指數(shù)的不斷提高,土壤中的耗鉀量不斷增加,全國(guó)耕地土壤速效鉀含量以2 mg/kg速度下降,南方各地土壤缺鉀情況更為嚴(yán)重[4-5]。一方面,我國(guó)可溶性鉀礦資源嚴(yán)重匾乏,國(guó)家每年花巨額外匯進(jìn)口鉀肥仍難以滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)上對(duì)鉀肥的需要[6-7]。另一方面,土壤自身含有大量的含鉀礦物,只是它們主要以穩(wěn)定的硅鋁酸鹽形式存在,其鉀不能為作物吸收利用[8]。土壤中的含鉀硅酸鹽礦物只有在理化因素和微生物的作用下,通過(guò)分化和分解逐步釋放出鉀,供作物生長(zhǎng)利用。因此,利用微生物降解含鉀礦物就顯得尤為重要[9]。國(guó)內(nèi)外的研究表明,目前發(fā)現(xiàn)的解鉀菌株多為膠質(zhì)芽孢桿菌(Paenibacillus mucilaginosus)[10-11],其在生物菌肥、生物冶金及污水處理方面有著廣泛的應(yīng)用前景[12],因此,膠質(zhì)芽孢桿菌的研究受到廣泛關(guān)注。
本試驗(yàn)以鉀長(zhǎng)石粉作為唯一鉀源,通過(guò)選擇性培養(yǎng),從獼猴桃大田土壤中分離出12株解鉀細(xì)菌,并通過(guò)分離、純化、復(fù)篩,得到1株解鉀能力較強(qiáng)的細(xì)菌JK3,研究該菌株的生理生化特征及它對(duì)鉀長(zhǎng)石粉的降解特性,確定菌株的最適接種量、最適pH值、最適生長(zhǎng)溫度及溶氧量對(duì)解鉀能力的影響,旨在確定該菌株的生長(zhǎng)情況及解鉀能力,為開(kāi)發(fā)新的成本低、效果好且不污染環(huán)境的解鉀菌,充分利用土壤中的鉀素資源提供科學(xué)依據(jù),對(duì)發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)具有十分重要的意義。
1 材料與方法
1.1 材料
1.1.1 土樣 土樣采自陜西省西安市周至縣獼猴桃園土壤,土樣采集方法為5點(diǎn)采樣法,去除表層土壤,用土鉆取深度為0~20 cm的土壤,將5個(gè)不同點(diǎn)的土樣混合為1份,裝入無(wú)菌樣品采集袋,標(biāo)簽注明采樣信息,放入4 ℃冰箱保存。
1.1.2 礦樣 鉀長(zhǎng)石粉過(guò)100目篩,然后用無(wú)菌水浸泡3 d,除去水溶性鉀[13]。
1.1.3 培養(yǎng)基 分離培養(yǎng)基[14]:蔗糖5.0 g,KH2PO4 0.5 g,MgSO4·7H2O 0.5 g,CaCO3 5 g,瓊脂20 g,去離子水1.0 L,pH值7.2~7.5,121 ℃滅菌20 min。
選擇培養(yǎng)基:蔗糖5.0 g,MgSO4·7H2O 0.5 g,CaCl2 0.1 g,F(xiàn)eCl3 0.005 g,鉀長(zhǎng)石粉1.0 g,瓊脂20 g,去離子水 1.0 L,pH值7.2~7.5,121 ℃滅菌20 min。
1.2 方法
1.2.1 解鉀菌的富集 取3支250 mL錐形瓶,各裝入含無(wú)機(jī)鹽液體培養(yǎng)基100 mL,向錐形瓶中分別加入1 g土壤樣品,搖床培養(yǎng)3 d(溫度30 ℃,轉(zhuǎn)速180 r/min),吸取錐形瓶底部菌液進(jìn)行轉(zhuǎn)接,富集解鉀菌,每次轉(zhuǎn)接前將菌液涂布到平板上計(jì)數(shù)。
1.2.2 解鉀菌的初篩 將富集培養(yǎng)基中的菌種轉(zhuǎn)接到含鉀長(zhǎng)石無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基的平板上,置于30 ℃恒溫培養(yǎng)箱中,出現(xiàn)菌落后,挑取單菌落轉(zhuǎn)接至新的固體培養(yǎng)基上,重復(fù)上述操作3次,將單菌落放入冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>
1.2.3 解鉀菌的復(fù)篩 將初篩出的菌株轉(zhuǎn)接到裝有100 mL鉀長(zhǎng)石液體培養(yǎng)基中,恒溫培養(yǎng)3 d,涂布,記錄菌數(shù),同時(shí)檢測(cè)鉀長(zhǎng)石的降解,在菌液中加入4 mL H2O2,121 ℃消解 30 min,4 000 r/min離心5 min[1],取上清液,定容至100 mL,以不接菌處理為對(duì)照,用火焰分光光度計(jì)測(cè)量速效鉀含量,篩選出1株生長(zhǎng)旺盛、降解能力強(qiáng)的菌株。
1.2.4 菌株形態(tài)學(xué)及生理生化特征 將分離純化得到的菌株在固體平板上進(jìn)行劃線(xiàn)培養(yǎng),在溫度為30 ℃的條件下培養(yǎng)2 d,觀察菌株生長(zhǎng)狀況及菌落特征。
1.2.5 菌株16S rDNA序列分析及比對(duì) 選用細(xì)菌16S rDNA通用引物27F(5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′)、1 492R(5′-GGTTACCTTGTTACGACTT-3′)建立PCR擴(kuò)增體系進(jìn)行擴(kuò)增。PCR反應(yīng)體系(50 μL):5×One Taq Standard Reaction Buffer 10 μL,10 mmol/L dNTPs 1 μL,10 μmol/L Forward Primer 1 μL,10 μmol/L Reverse Primer 1 μL,One Taq DNA Polymerase 1 μL,Template DNA 2.0 μL,Nuclease-Free Water 34 μL。擴(kuò)增程序:94 ℃預(yù)變性10 min;94 ℃變性30 s,65 ℃退火30 s,72 ℃延伸1 min,共30個(gè)循環(huán);72 ℃后延伸 10 min。產(chǎn)物經(jīng)純化后測(cè)定基因序列,利用BLAST將菌株的基因序列與GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)中的序列進(jìn)行比較,選取相似性較高的模式菌株序列,用MEGA5.1中Neighbor-Joining法比較同源性,構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)。
1.2.6 菌株解鉀能力測(cè)定 配制解鉀培養(yǎng)基(無(wú)鉀)按 100 mL 每瓶分裝于250 mL錐形瓶中,各加入0.1 g準(zhǔn)確稱(chēng)取的鉀長(zhǎng)石粉,在121 ℃條件下滅菌20 min,每個(gè)錐形瓶接入2%待測(cè)菌懸液,30 ℃條件下?lián)u床培養(yǎng)5 d,菌液中加入 4 mL H2O2,121 ℃消解30 min,然后4 000 r/min離心5 min,取上清液,定容至100 mL,利用火焰分光光度計(jì)測(cè)定上清液中速效鉀含量。
1.2.6.1 最適生長(zhǎng)溫度的測(cè)定 按2%接種量將菌株接入培養(yǎng)液中,調(diào)節(jié)pH值為7,將菌種接于解鉀液體培養(yǎng)基中,分別置于溫度為26、28、30、32、34 ℃的搖床中培養(yǎng)5 d,菌液中加入4 mL H2O2,121 ℃消解30 min,然后4 000 r/min離心 5 min,取上清液,定容至100 mL,以不接菌處理為對(duì)照,檢測(cè)速效鉀含量。
1.2.6.2 最適生長(zhǎng)轉(zhuǎn)速的測(cè)定 按試驗(yàn)得出的最適接種量將菌液接種到解鉀液體培養(yǎng)基中,調(diào)節(jié)pH值為7,溫度設(shè)置為 30 ℃,調(diào)節(jié)搖床轉(zhuǎn)速分別為140、180、200、220 r/min,培養(yǎng)5 d后,菌液中加入4 mL H2O2,121 ℃消解30 min,然后 4 000 r/min 離心5 min,取上清液,定容至100 mL,以不接菌處理為對(duì)照,檢測(cè)速效鉀含量。
1.2.6.3 最適初始pH值的測(cè)定 配制解鉀液體培養(yǎng)基,分組調(diào)節(jié)pH值為6、7、8、9,按最適初始接種量和最適生長(zhǎng)轉(zhuǎn)速將菌液接種到解鉀菌篩選培養(yǎng)基中,在30 ℃條件下?lián)u瓶培養(yǎng) 5 d,菌液中加入4 mL H2O2,121 ℃消解30 min,然后 4 000 r/min 離心5 min,取上清液,定容至100 mL,以不接菌處理為對(duì)照,檢測(cè)速效鉀含量。
1.2.6.4 最適初始接種量測(cè)定 配制液體培養(yǎng)基,將菌液進(jìn)行稀釋?zhuān)?.1%、0.5%、1%、1.5%、2%等5個(gè)接種量接入到解鉀培養(yǎng)基中,在30 ℃條件下?lián)u瓶培養(yǎng)5 d,菌液中加入 4 mL H2O2,121 ℃消解30 min,然后4 000 r/min離心5 min,取上清液,定容至100 mL,以不接菌處理為對(duì)照,檢測(cè)速效鉀含量。
1.2.6.5 碳源利用試驗(yàn) 被測(cè)碳源為蔗糖、玉米淀粉、馬鈴薯淀粉、糖蜜、葡萄糖,濃度為1%,在配好的液體培養(yǎng)基中接入菌種,按前述試驗(yàn)確定的最適培養(yǎng)條件將各樣品搖瓶培養(yǎng) 5 d,菌液經(jīng)消解,離心處理,取上清液測(cè)定速效鉀含量。
1.2.6.6 氮源利用試驗(yàn) 被測(cè)氮源為酪蛋白胨、馬鈴薯汁[1]、硫酸銨、大豆蛋白胨、麩皮,氮源濃度為1%。接入菌種,按前述試驗(yàn)確定的最適培養(yǎng)條件將各樣品搖瓶培養(yǎng)5 d,菌液經(jīng)消解,離心處理,取上清液測(cè)定速效鉀含量。
1.2.7 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)采用Excel 2010和SPSS 19統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析和多重比較。
2 結(jié)果與分析
2.1 解鉀菌的篩選
對(duì)土壤樣品進(jìn)行涂布處理,初步得到菌株56株,經(jīng)復(fù)篩,得到具有高效解鉀能力的菌株12株,通過(guò)火焰原子吸收分光光度計(jì)測(cè)量解鉀量。由表1可知,12株解鉀菌的解鉀能力均較強(qiáng),相比于對(duì)照組均明顯增強(qiáng)。其中,JK2解鉀效果最弱,菌液中速效鉀含量為2 mg/L,比空白對(duì)照增加 5.26%;而菌株JK3培養(yǎng)液中速效鉀含量最高,達(dá)到 3.7 mg/L,比空白對(duì)照增加了94.74%,其解鉀能力最強(qiáng)。菌株JK12解鉀量為3.5 mg/L,與菌株JK3差異不顯著,菌株JK3的解鉀率明顯高于其他菌株,本試驗(yàn)以JK3菌株為研究對(duì)象,對(duì)其菌落特征和解鉀特性作進(jìn)一步研究。
2.2 菌落形態(tài)及生理生化特征
采用平板劃線(xiàn)法將JK3菌株進(jìn)行純化,并轉(zhuǎn)接至固體培養(yǎng)基上,培養(yǎng)2 d后,觀察菌株形態(tài)。如圖1所示,菌株單菌落呈水滴狀,菌落無(wú)色透明,邊緣光滑,表面濕潤(rùn)且黏稠,菌落直徑約為0.5 cm。2.3 16S rDNA測(cè)序分析
菌株JK3經(jīng)16S rDNA測(cè)序獲得1 400 bp的基因片段,將序列信息提交到GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)中,利用BLAST將菌株的基因序列進(jìn)行相似性比較,結(jié)果表明,菌株JK3與膠質(zhì)芽孢桿菌屬同源性很高,從16S rDNA序列相似性比較結(jié)果看,菌株JK3與膠質(zhì)芽孢桿菌相似性達(dá)到100%, 選取21株同源性較高的膠質(zhì)芽孢桿菌菌株序列與待測(cè)菌株序列構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù),如圖2所示。從系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)可以看出,菌株JK3與膠質(zhì)芽孢桿菌相似性達(dá)到100%,且處于同一分支,距離最近,鑒定菌株JK3為膠質(zhì)芽孢桿菌。
2.4 菌株解鉀能力研究
2.4.1 最適培養(yǎng)溫度 溫度的變化對(duì)菌株的生長(zhǎng)有顯著影響,由圖3可看出,隨著溫度的升高,菌株解鉀能力逐漸增強(qiáng),當(dāng)溫度達(dá)到30 ℃時(shí),解鉀量達(dá)到最高,菌液中的速效鉀含量達(dá)到5.82 mg/L,比28 ℃時(shí)增加了0.7 mg/L,而溫度為32 ℃時(shí),解鉀量為5.13 mg/L,與28 ℃時(shí)差異不顯著,可能是溫度升高導(dǎo)致菌株生長(zhǎng)受到抑制,使解鉀能力降低,因此確定菌株JK3的最適生長(zhǎng)溫度為30 ℃。
2.4.2 最適培養(yǎng)轉(zhuǎn)速 由圖4可看出,不同搖床轉(zhuǎn)速對(duì)解鉀率有明顯影響,當(dāng)搖床轉(zhuǎn)速增加時(shí),菌株解鉀能力逐漸增強(qiáng),當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到200 r/min時(shí),菌液中速效鉀含量最高,菌液中的速效鉀含量達(dá)到5.36 mg/L;當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到220 r/min時(shí),解鉀能力降低,菌液中速效鉀含量為4.70 mg/L,比200 r/min時(shí)顯著降低0.66 mg/L。其原因可能是轉(zhuǎn)速過(guò)高,產(chǎn)生的剪切力對(duì)菌體造成機(jī)械損傷,降低了菌株的解鉀能力[15],說(shuō)明菌株JK3的最適培養(yǎng)轉(zhuǎn)速為200 r/min。
2.4.3 最適培養(yǎng)pH值 不同pH值對(duì)菌株生長(zhǎng)及解鉀能力有顯著影響。由圖5可看出,當(dāng)pH值達(dá)到7時(shí),解鉀量達(dá)到最大,菌液中的速效鉀含量達(dá)到6.1 mg/L,與其他pH值時(shí)有顯著差異;當(dāng)pH值達(dá)到9時(shí),解鉀能力為4.8 mg/L,與pH值為6時(shí)無(wú)顯著差異,而比pH值為8時(shí)低了0.6 mg/L,有顯著差異。由此確定菌株JK3的最適生長(zhǎng)pH值為7,且菌株適合生長(zhǎng)于中性或偏堿性的環(huán)境中,這對(duì)于菌株的大規(guī)模生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。
2.4.4 最適初始接種量 由圖6可以看出,隨接種量的增加,速效鉀含量呈逐漸上升的趨勢(shì);當(dāng)接種量為1.5%時(shí),菌液中速效鉀含量達(dá)到最大,為5.82 mg/L,比接種量為1.0%時(shí)高了 1.5 mg/L,且有顯著性差異;而當(dāng)接種量達(dá)到2%時(shí),解鉀量為5.83 mg/L,與1.5%時(shí)無(wú)顯著性差異。因此,從經(jīng)濟(jì)角度考慮,選取1.5%為最適接種量。
2.4.5 最佳初始碳源 不同碳源對(duì)菌株JK3的解鉀能力有顯著影響,以糖蜜為碳源時(shí),菌液速效鉀含量最高,達(dá)到了 5.6 mg/L,其解鉀能力最強(qiáng);以淀粉為碳源時(shí),解鉀能力次之,菌液中速效鉀含量達(dá)到5.1 mg/L,比糖蜜低了0.5 mg/L,有顯著性差異;而以葡萄糖為碳源時(shí),解鉀能力最弱,速效鉀含量為4.2 mg/L,與其他碳源相比,均存在顯著性差異。結(jié)果表明,該解鉀菌株對(duì)碳源的利用以雙糖和多糖為主,利用效率優(yōu)于單糖,其最適生長(zhǎng)碳源為糖蜜。
2.4.6 最佳初始氮源 不同氮源對(duì)菌株JK3的解鉀能力有顯著影響,以麩皮(麩皮加水煮沸后過(guò)濾,取濾液)為氮源時(shí),菌液速效鉀含量最高,達(dá)6.1 mg/L,其解鉀能力最強(qiáng);以大豆蛋白胨為氮源時(shí),解鉀能力次之,菌液中速效鉀含量達(dá)到5.4 mg/L,比麩皮低0.7 mg/L,且存在顯著性差異;而以硫酸銨為氮源時(shí),解鉀能力最弱,速效鉀含量為4.3 mg/L,與其他氮源相比,均有顯著性差異。結(jié)果表明,菌株對(duì)有機(jī)氮的利用率高于無(wú)機(jī)氮,菌株最適生長(zhǎng)氮源為麩皮濾液。
3 討論
隨著種植業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,農(nóng)作物產(chǎn)量和復(fù)種指數(shù)的不斷提高,土壤中耗鉀量的不斷增加,全國(guó)耕地土壤速效鉀含量逐年下降,南方各地土壤缺鉀情況更為嚴(yán)重。土壤中的含鉀硅酸鹽礦物只有在理化因素和微生物的作用下,才會(huì)通過(guò)分化和分解逐步釋放出鉀,供作物生長(zhǎng)利用。土壤中含有大量的解鉀菌株[16],李海龍等從秦嶺周至縣土壤中篩選出1株高效解鉀菌,解鉀率達(dá)到25.1%[17];袁文功等從云南昆明白泥山土壤樣品中分離獲得1株硅酸鹽細(xì)菌,其解鉀量比空白組高出1.79倍[18]。研究表明,目前發(fā)現(xiàn)的解鉀菌株多為膠質(zhì)芽孢桿菌,其在生物菌肥、生物冶金及污水處理方面有著廣泛的應(yīng)用前景,因此,膠質(zhì)芽孢桿菌的研究受到廣泛關(guān)注[12]。本研究從周至縣獼猴桃園土壤中篩選出1株高效解鉀菌株,通過(guò)16S rDNA測(cè)序,并對(duì)序列進(jìn)行比對(duì)確定其為膠質(zhì)芽孢桿菌,命名為JK3。
不同菌株解鉀能力也不相同,秦文旺等從鉀頁(yè)巖礦區(qū)分離篩選得到1株解鉀能力強(qiáng)的野生型膠質(zhì)芽孢桿菌,解鉀能力達(dá)到2.8 mg/L[19];麻瑞陽(yáng)從不同作物的土壤中篩選出12株解鉀菌株,解鉀能力最高達(dá)到9.61 mg/L[20]。研究表明,菌株JK3在最適培養(yǎng)條件下培養(yǎng),解鉀量可達(dá)到6.1 mg/L,具有較強(qiáng)的解鉀能力。而不同的菌株培養(yǎng)條件對(duì)菌株解鉀能力也有顯著影響,試驗(yàn)表明,菌株JK3在初始pH值為7、轉(zhuǎn)速 200 r/min、培養(yǎng)溫度30 ℃的條件下解鉀能力最強(qiáng)。接種量的選擇,綜合了菌株解鉀能力及經(jīng)濟(jì)效益等因素,確定最適接種量為1.5%,解鉀能力達(dá)到5.82 mg/L,與2%接種量時(shí)的5.83 mg/L無(wú)顯著差異。本試驗(yàn)中,菌株JK3以糖蜜為唯一碳源時(shí)解鉀能力最強(qiáng),而以葡萄糖為唯一碳源時(shí)解鉀能力最弱,分別是5.86、4.31 mg/L,說(shuō)明菌株對(duì)多糖的利用優(yōu)于單糖。而對(duì)氮源的利用則表現(xiàn)為有機(jī)氮優(yōu)于無(wú)機(jī)氮,其解鉀能力分別為6.1、4.26 mg/L。
4 結(jié)論
本研究從獼猴桃園采集土樣,篩選到12株高效解鉀菌,通過(guò)鑒定和解鉀能力的測(cè)定,復(fù)篩出1株解鉀能力最強(qiáng)的菌株,利用16S rDNA基因序列分析方法對(duì)該菌株的分類(lèi)信息進(jìn)行鑒定,鑒定結(jié)果表明該菌株為膠質(zhì)芽孢桿菌,命名為菌株JK3,其解鉀量達(dá) 6.1 mg/L,具有較高的解鉀能力。通過(guò)試驗(yàn)確定該菌株的最適培養(yǎng)條件為:初始接種量1.5%,搖床轉(zhuǎn)速200 r/min,培養(yǎng)溫度30 ℃,初始pH值7,最佳碳源為糖蜜,最佳氮源為麩皮,為菌株的開(kāi)發(fā)利用提供數(shù)據(jù)支持和理論基礎(chǔ)。
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