劉芳+廖先清+張志剛+周榮華+饒犇+張遵霞
摘要:利用單因素篩選和正交試驗(yàn),對球形芽孢桿菌(Bacillus sphaericus)NBIM-311高毒菌株的發(fā)酵培養(yǎng)基進(jìn)行優(yōu)化,得到其最佳培養(yǎng)基配方為魚粉20.0 g/L,玉米漿15.0 g/L,花生粕60.0 g/L,酵母膏7.5 g/L,碳酸鈣1.0 g/L,硫酸鎂0.3 g/L,磷酸二氫鉀0.1 g/L。通過200 L和5 000 L發(fā)酵罐分別發(fā)酵,發(fā)酵液對致倦庫蚊致死中濃度分別為0.963 mg/L和0.852 mg/L;發(fā)酵液經(jīng)過后處理所制備的原粉對致倦庫蚊致死中濃度分別為0.018 9 mg/L和0.022 3 mg/L。
關(guān)鍵詞:球形芽孢桿菌(Bacillus sphaericus);致倦庫蚊;培養(yǎng)基;優(yōu)化
中圖分類號:Q939.124 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:0439-8114(2017)23-4516-03
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.23.024
Abstract: The fermentation medium for highly toxic Bacillus sphaericus strain NBIM-311 against Culex quinquefasciatus was optimized through single factor screening and orthogonal experiments. The optimum medium was composed of 20.0 g/L fish meal,15.0 g/L corn steep liquor,60.0 g/L peanut meal,7.5 g/L yeast extract,1.0 g/L Calcium carbonate,0.3 g/L Magnesium sulphate and 0.1 g/L Potassium dihydrophosphate. The pilot fermentation of the strain was successfully carried out in 200 L and 5 000 L fermentor,the LC50 of the fermentation broth were 0.963 mg/L and 0.852 mg/L respectively. The LC50 of the prepared raw powder obtained from post-treatment of the fermentation broth were 0.018 9 mg/L and 0.022 3 mg/L respectively.
Key words: Bacillus sphaericus; culex quinquefasciatus; medium; optimization
蚊蟲是重要的傳染病傳播媒介,化學(xué)殺蟲劑在蚊蟲防治中發(fā)揮了重要作用[1]。隨著蚊蟲抗藥性的發(fā)展及人們對環(huán)境安全的重視,研究者進(jìn)行了生物殺蚊劑的開發(fā),發(fā)現(xiàn)了兩類重要的蚊蟲病原細(xì)菌,蘇云金芽孢桿菌以色列亞種(Bacillus thuringiensis subsp. israelensis,簡稱Bti)[2]和球形芽孢桿菌(Bacillus sphaericus)[3]。與蘇云金芽孢桿菌以色列亞種相比,球形芽孢桿菌的殺蚊譜較窄,但其對庫蚊屬幼蟲的毒性更強(qiáng),且在污水中的藥效維持時間較長,特別適用于污水中孳生的庫蚊屬幼蟲(淡色庫蚊和致倦庫蚊)的控制[4,5]。中國目前已有球形芽孢桿菌BS-10及C 3-41等菌株實(shí)現(xiàn)了商品化,并開展了大面積的應(yīng)用試驗(yàn)[6]。也有研究者對分離的球形芽孢桿菌的發(fā)酵培養(yǎng)基進(jìn)行了優(yōu)化[7,8]。球形芽孢桿菌的工業(yè)化生產(chǎn)受到其發(fā)酵水平的限制,目前應(yīng)用還不是十分廣泛。筆者在進(jìn)行殺蟲細(xì)菌的篩選研究中分離到一株對庫蚊幼蟲高毒的球形芽孢桿菌NBIM-311菌株,本試驗(yàn)主要選取來源廣泛、價格便宜的農(nóng)副產(chǎn)品作為原材料,對該菌株發(fā)酵培養(yǎng)基進(jìn)行優(yōu)化,以提高發(fā)酵水平。
1 材料與方法
1.1 菌株與材料
本試驗(yàn)所用的球形芽孢桿菌NBIM-311菌株由湖北省生物農(nóng)藥工程研究中心菌種室分離篩選并保藏;斜面活化培養(yǎng)基為常規(guī)牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基;單因素篩選原料為9種常見的市售農(nóng)副產(chǎn)品:玉米粉、魚粉、酵母粉、玉米漿、工業(yè)蛋白胨、蠶蛹粉、花生粕、豆粕、酵母膏;致倦庫蚊4齡幼蟲由湖北省生物農(nóng)藥工程研究中心養(yǎng)蟲室提供。
1.2 試驗(yàn)方法
1.2.1 單因素篩選 根據(jù)球形芽孢桿菌的營養(yǎng)特性,不能利用葡萄糖、蔗糖等糖類物質(zhì),只能利用蛋白質(zhì)、氨基酸等作為能源物質(zhì)[9],選取玉米粉、魚粉、酵母粉、玉米漿、工業(yè)蛋白胨、蠶蛹粉、花生粕、豆粕、酵母膏作碳氮源,各原材料用量均為50.0 g/L,玉米漿用量按干物質(zhì)含量折算,滅菌前pH 7.5,分裝于500 mL三角瓶,每瓶裝量25 mL,滅菌30 min。挑取一環(huán)菌苔接種于搖瓶中,置于旋轉(zhuǎn)式搖床振蕩培養(yǎng),溫度30~32 ℃,轉(zhuǎn)速220 r/min,培養(yǎng)至芽孢40%分離時下?lián)u床,發(fā)酵液進(jìn)行鏡檢和生物測定。
1.2.2 正交試驗(yàn) 選取魚粉、玉米漿、花生粕、酵母膏作碳氮源,進(jìn)行4因素3水平正交試驗(yàn)(表1),無機(jī)鹽保持不變,分別為碳酸鈣1.0 g/L,硫酸鎂0.3 g/L,磷酸二氫鉀0.1 g/L,按表1各濃度要求配制培養(yǎng)基,滅菌前pH 7.5,分裝于500 mL三角瓶,每瓶裝量25 mL,滅菌30 min。培養(yǎng)條件同“1.2.1”,發(fā)酵液進(jìn)行鏡檢和生物測定。
1.2.3 200 L發(fā)酵罐發(fā)酵 按正交試驗(yàn)篩選到最佳培養(yǎng)基組分配制好培養(yǎng)基,投料體積120 L,消泡劑2.0 g/L,滅菌前pH 7.5,1×105 Pa滅菌30 min。待溫度降至32 ℃時接入經(jīng)80 ℃水浴20 min的孢子懸浮液,通氣比1∶0.5~1.2,罐壓0.5×105 Pa,培養(yǎng)溫度30~32 ℃,發(fā)酵過程中取樣鏡檢,芽孢40%分離時結(jié)束發(fā)酵。將發(fā)酵液pH調(diào)至4.5,過100目篩,臺式離心機(jī)離心,3倍濃縮,所得菌漿冷凍干燥得到原粉,對發(fā)酵液和凍干粉進(jìn)行生物測定。
1.2.4 5 000 L發(fā)酵罐發(fā)酵 按正交試驗(yàn)篩選到最佳培養(yǎng)基組分配制好培養(yǎng)基,投料體積3 000 L,消泡劑1.0 g/L,滅菌前pH 7.5,1×105 Pa滅菌30 min。待溫度降至32 ℃時接入經(jīng)80 ℃水浴20 min處理的孢子懸浮液,通氣比1∶0.5~1.0,罐壓0.5×105 Pa,培養(yǎng)溫度30~32 ℃,發(fā)酵過程中取樣鏡檢,芽孢40%分離時結(jié)束發(fā)酵。將發(fā)酵液pH調(diào)至4.5,過100目篩,碟片式離心機(jī)離心,3倍濃縮后的菌漿經(jīng)高速離心式噴霧干燥機(jī)進(jìn)行噴霧干燥,得到原粉,對發(fā)酵液和原粉進(jìn)行生物測定。
1.2.5 生物測定 供試蟲為致倦庫蚊4齡幼蟲,參照袁志明等[8]的方法進(jìn)行生物測定。
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 單因素篩選
NBIM-311菌株在不同的碳氮源培養(yǎng)基中搖瓶發(fā)酵結(jié)果如表2。從表2中可以看出,魚粉、玉米漿、花生粕、酵母膏均能被較好利用,其中花生粕同步率最高95%,菌體形態(tài)好,魚粉、玉米漿其次,酵母膏同步率85%,菌體大小較一致,玉米粉、酵母粉、工業(yè)蛋白胨、蠶蛹粉、豆粕利用能力差,鏡檢極少量菌體。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,選取魚粉、玉米漿、花生粕、酵母膏作進(jìn)一步試驗(yàn)的碳氮源物質(zhì)。
2.2 正交試驗(yàn)
魚粉、玉米漿、花生粕、酵母膏的L9(34)正交試驗(yàn)結(jié)果如表3和表4。從表3和表4方差分析結(jié)果表明,這4種原材料主效應(yīng)排序?yàn)轸~粉>酵母膏>花生粕>玉米漿。魚粉的F值為2.581,對發(fā)酵的影響最大,而玉米漿、花生粕對發(fā)酵的影響不是很大。確定最佳配方為魚粉20.0 g/L,玉米漿15.0 g/L,花生粕60.0 g/L,酵母膏7.5 g/L,碳酸鈣1.0 g/L,硫酸鎂0.3 g/L,磷酸二氫鉀0.1 g/L。
2.3 200 L發(fā)酵罐發(fā)酵
發(fā)酵周期31 h,發(fā)酵21 h時取樣鏡檢,孢囊形成率為95%,菌體大小整齊。放罐時取樣鏡檢, 40%左右脫落,營養(yǎng)體少,芽孢大小整齊。將發(fā)酵液和冷凍干燥粉進(jìn)行生物測定,發(fā)酵液對致倦庫蚊的致死中濃度為0.963 mg/L,冷凍干燥粉對致倦庫蚊的致死中濃度為0.018 9 mg/L。
2.4 5 000 L發(fā)酵罐發(fā)酵
在湖北康欣農(nóng)用藥業(yè)有限公司車間進(jìn)行3個批次5 000 L罐發(fā)酵,離心濃縮,噴霧干燥得到原粉。分別對這3批發(fā)酵液和原粉取樣進(jìn)行生物測定,結(jié)果見表5。
3 小結(jié)與討論
通過單因素碳氮源篩選和正交試驗(yàn),獲得NBIM-311菌株最佳培養(yǎng)基配方為魚粉20.0 g/L,玉米漿15.0 g/L,花生粕60.0 g/L,酵母膏7.5 g/L,碳酸鈣1.0 g/L,硫酸鎂0.3 g/L,磷酸二氫鉀0.1 g/L。筆者在采用單因素試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)以花生粕作為碳氮源所得到的發(fā)酵液的毒力較高,與管玉霞等[10]的結(jié)果類似。采用該配方進(jìn)行了200 L和5 000 L發(fā)酵罐試驗(yàn),發(fā)酵液效價和經(jīng)過后處理所得原粉效價均達(dá)到較高水平。但該菌株在200 L發(fā)酵罐中的發(fā)酵水平與其在5 000 L發(fā)酵罐的發(fā)酵水平存在差距,究其原因,筆者認(rèn)為可能與發(fā)酵過程中中間控制工藝包括培養(yǎng)溫度、通氣量、攪拌轉(zhuǎn)速以及后處理過程中的濃縮和干燥方法等有關(guān)。擬對該菌株的發(fā)酵工藝和后處理工藝技術(shù)的優(yōu)化開展研究。
參考文獻(xiàn):
[1] World Health Organization. A global brief on vector-borne diseases[EB/OL]. http://www.who.int/campaigns/world-health-day/2014/global-brief/en/.
[2] GOLDBER L J,MARGALIT J. A bacterial spore demonstrating rapid larvicidal activity against Anopheles sergentii,Uranotaenia unguiculata,Culex univitattus, Aedes aegyptii, and Culex pipiens[J].Mosquito News,1977,37:355-358.
[3] KELLEN W R,CLARK T B,LINDEGREN J E,et al. Bacillus sphaericus Neide as a pathogen of mosquitoes[J].J Invertebr Pathol,1965,7(4):442-448.
[4] 陳輝華,陳曉光.蚊蟲防治技術(shù)新進(jìn)展[J].中國熱帶醫(yī)學(xué),2007, 7(10):1886-1889.
[5] 陸寶麟.蚊蟲綜合防治進(jìn)展[J].昆蟲學(xué)報,1986,29(1):110-120.
[6] 熊武輝,胡曉敏,袁志明.球形芽孢桿菌在病媒蚊蟲控制中的應(yīng)用[J].中國媒介生物學(xué)及控制雜志,2010,21(1):1-4.
[7] 左常智,陳 麗,肖永昌,等.球形芽孢桿菌1593株的發(fā)酵條件[J].生物防治通報,1986,2(4):170-173.
[8] 袁志明,蔡全信,張用梅,等.球形芽孢桿菌LP1-G的發(fā)酵特性及殺蚊活性[J].微生物學(xué)通報,2000,27(3):170-173.
[9] RUSSELL B L,JELLEY S A,YOUSTEN A A. Carbohydrate metabolism in the mosquito pathogen Bacillus sphaericus 2362[J].Appl Environ Microbiol,1989,55(2):294-297.
[10] 管玉霞,陳世夫,李德臣,等.花生餅粕作為球形芽孢桿菌培養(yǎng)材料的研究[J].醫(yī)藥動物防制,1994,10(2):80-82.