張?jiān)埔埃踺W男,凌宏志,宋 剛,平文祥,葛菁萍*
(1.黑龍江大學(xué) 農(nóng)業(yè)微生物技術(shù)教育部工程研究中心,黑龍江 哈爾濱150080;2.黑龍江大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 黑龍江省普通高校微生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱150080)
木糖的乙醇發(fā)酵是木質(zhì)纖維原料生物轉(zhuǎn)化生產(chǎn)乙醇的重要因素。以農(nóng)作物秸稈等農(nóng)業(yè)殘留物為代表的天然木質(zhì)纖維素原料中,木糖含量占很大比重,部分微生物可利用木糖發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。因此選育乙醇產(chǎn)量大的菌種,有助于農(nóng)業(yè)殘留物的回收利用并改善環(huán)境。
能利用木糖發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的少數(shù)菌種包括休哈塔假絲酵母(Candida albicans),黃達(dá)明等[1]分別選取木糖、玉米秸稈和葡萄糖對(duì)Candida albicans進(jìn)行單底物發(fā)酵,30 ℃發(fā)酵48 h后乙醇含量分別為15.35 g/L、12.38 g/L和21.06 g/L。江楓等[2]共培養(yǎng)Candida albicans及Saccharomyces cerevisiae,并對(duì)混合菌固定包埋;葡萄糖及木糖混合物為底物、30 ℃發(fā)酵24 h后的乙醇含量為14.89 g/L。李晴等[3]同樣共培養(yǎng)Candida albicans及Saccharomyces cerevisiae,葡萄糖及木糖混合物為底物、30 ℃發(fā)酵24 h后的乙醇含量為21.84 g/L。蔣發(fā)現(xiàn)等[4]在以葡萄糖及木糖混合物為底物的Candida albicans發(fā)酵培養(yǎng)基中添加玉米秸稈烯酸處理液,30 ℃發(fā)酵36 h后乙醇含量為22.5 g/L。余學(xué)軍等[5]以竹粉酶解液作為Candida albicans發(fā)酵底物,最優(yōu)發(fā)酵條件下,發(fā)酵60 h后的乙醇含量為11.56 g/L。余恒等[6]以甘蔗渣漿酶解液作為Candida albicans的發(fā)酵底物,30℃發(fā)酵18 h后的乙醇含量為22.98g/L。劉紅梅[7]以蔗糖渣酶水解液作為酵母菌發(fā)酵底物,Candida albicans在30 ℃發(fā)酵48 h后的乙醇含量為15.15 g/L,較Pichia stipits高78.24%。
休哈塔假絲酵母(Candida albicans)HDYXHT-01利用80 g/L木糖在30 ℃條件下發(fā)酵48 h,最多可得15.31 g/L乙醇。該菌株發(fā)酵木糖生產(chǎn)乙醇能力有待加強(qiáng),這就需要對(duì)菌株進(jìn)行改造。物理誘變因操作簡(jiǎn)單、易于環(huán)保及對(duì)人體傷害小等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。物理誘變中常用的誘變方式是紫外線誘變,紫外線會(huì)使生物體DNA中兩個(gè)相鄰的嘧啶共價(jià)連接,形成嘧啶二聚體[8-9]。二聚體的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致生物體DNA中堿基的非正常配對(duì),從而導(dǎo)致突變。He-Ne激光誘變具有穩(wěn)定性好、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn),因此也作為物理誘變方式之一[10],低頻氦(He)-氖(Ne)激光照射微生物細(xì)胞,可使細(xì)胞發(fā)生形態(tài)及生理水平的改變[11];段良和等[12]對(duì)Saccharomyces cerevisiae進(jìn)行He-Ne激光誘變,篩得1株乙醇高產(chǎn)突變株,其乙醇產(chǎn)量較對(duì)照株提高7.40%。微波作為低頻電磁波,場(chǎng)力和轉(zhuǎn)化能的協(xié)同作用導(dǎo)致生物體突變是其作用機(jī)理。電磁波作用于生物體能夠產(chǎn)生強(qiáng)烈的生物響應(yīng),導(dǎo)致生物體生理生化功能發(fā)生變化[13-15]。三種物理誘變方式從不同角度改變待測(cè)菌株的基因組成。因此,本研究利用3種誘變(紫外線、He-Ne激光和微波)方式,分別對(duì)出發(fā)菌株HDYXHT-01進(jìn)行誘變,目的在于獲得高產(chǎn)乙醇菌株,并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果比較不同物理誘變方式對(duì)修哈塔假絲酵母產(chǎn)乙醇的影響,最終確定出最佳物理誘變因子。為提高工作效率并進(jìn)一步對(duì)菌株進(jìn)行改良工作奠定基礎(chǔ),同時(shí)對(duì)于將農(nóng)作物秸稈等農(nóng)業(yè)殘留物轉(zhuǎn)化為燃料乙醇具有重要的實(shí)際應(yīng)用及節(jié)能環(huán)保價(jià)值[16]。
1.1.1 菌株
休哈塔假絲酵母(Candida albicans)HDYXHT-01:由黑龍江大學(xué)微生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室保藏。
1.1.2 化學(xué)試劑
木糖(純度99%):七臺(tái)河市美化木糖有限責(zé)任公司;酵母粉、蛋白胨(均為生化試劑)、磷酸二氫鉀(分析純)、(NH4)2SO4(分析純)、MgSO4·7H2O(分析純):天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;2,3,5-氯化三苯基四氮唑(2,3,5-triphenyltetrazolium chloride,TTC):北京索萊寶科技有限公司;瓊脂粉(生化試劑):上海生物工程有限公司。
1.1.3 培養(yǎng)基
種子液培養(yǎng)基:木糖10 g/L,酵母粉5 g/L,蛋白胨10 g/L,蒸餾水500 mL。
木糖發(fā)酵培養(yǎng)基[17]:木糖40 g/L,酵母粉2.5 g/L,磷酸二氫鉀1.34 g/L,(NH)42SO40.18 g/L,MgSO·47H2O 0.05 g/L,pH 4.8,蒸餾水500 mL。TTC下層培養(yǎng)基:木糖15 g/L,酵母粉2.5 g/L,磷酸二氫鉀1.34 g/L,MgSO4·7H2O 0.05 g/L,(NH4)2SO40.18 g/L,瓊脂10 g/L,pH 4.8,蒸餾水500 mL。
TTC上層培養(yǎng)基:木糖0.25 g,TTC 0.025 g,瓊脂0.75 g,蒸餾水500 mL。
上述培養(yǎng)基均在108 ℃滅菌20 min,固體培養(yǎng)基均添加2%瓊脂。
JT-150 雙人超凈工作臺(tái):沈陽(yáng)醫(yī)用凈化設(shè)備廠;MLS-3780高壓蒸汽滅菌鍋:日本SANYO 公司;ZHWY-211C 全溫度恒溫?fù)u床:上海智城分析儀器制造有限公司;Beckman Coulter AllegarRX-15R 離心機(jī):德國(guó)Bechman 公司;HH·Ⅱ420-S 恒溫培養(yǎng)箱:上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠;HPX-87H 色譜柱:美國(guó)BIO-RAD公司:SCL-10A 高效液相色譜:日本島津公司;He-Ne激光器:黑龍江大學(xué)電子工程學(xué)院自制。
1.3.1 菌種及種子液的制備
菌種活化:接種環(huán)挑取4 ℃保藏的斜面菌種并轉(zhuǎn)接于種子液斜面培養(yǎng)基上,于30 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h。
種子液的制備:活化好的斜面菌種,接于種子液液體培養(yǎng)基中,裝液量為100 mL/250 mL,于30 ℃、160 r/min振蕩培養(yǎng)24 h。
發(fā)酵培養(yǎng):種子液以10%接種量接于木糖發(fā)酵培養(yǎng)基中,裝液量為80mL/250mL,于30℃、160r/min振蕩培養(yǎng)48h。
1.3.2 突變株產(chǎn)乙醇能力分析方法
(1)分析方法
發(fā)酵液中乙醇及木糖含量采用高效液相色譜(high performance liquid chromatography,HPLC)法檢測(cè)[18-19]。取1 mL發(fā)酵液于1.5 mL離心管中,3 500 r/min、4 ℃離心20 min,取上清液用無(wú)菌水稀釋100倍后,取1 mL樣本用于HPLC進(jìn)樣測(cè)定,乙醇出峰時(shí)間為16.26min,木糖出峰時(shí)間為7.06min。測(cè)定結(jié)果需要換算成未稀釋發(fā)酵液成分含量。
HPLC條件:HPX-87H色譜柱(300 mm×7.8 mm),樣品上樣量20 μL,0.005 mol/L H2SO4作為流動(dòng)相,流速0.8 mL/min,色譜柱、示差檢測(cè)器溫度分別為:65 ℃、40 ℃,分析時(shí)間20 min。
(2)物質(zhì)含量計(jì)算公式
式中:y1為乙醇含量,g/L;x1為乙醇峰面積;y2為木糖含量,g/L;x2為木糖峰面積;y3為乙醇得率,g/g;y4為木糖利用率,%。
1.3.3 誘變?cè)囼?yàn)方法
菌懸液制備:取50 mL對(duì)數(shù)生長(zhǎng)中期的菌液3 500 r/min離心20 min,無(wú)菌0.9%NaCl溶液洗滌并重懸菌體,制成濃度為107個(gè)/mL的菌懸液。
(1)紫外誘變
在無(wú)菌條件下取3 mL菌懸液于直徑6 cm且放入無(wú)菌大頭針的無(wú)菌培養(yǎng)皿中,培養(yǎng)皿開(kāi)蓋并置于磁力攪拌器上,15 W紫外燈下30 cm處放置磁力攪拌器。開(kāi)啟磁力攪拌器并開(kāi)始誘變。誘變時(shí)間梯度為0、30 s、40 s、50 s、60 s、70 s、80 s。
(2)He-Ne 激光誘變
取1.5 mL菌懸液于離心管中,3 500 r/min離心20 min后,距離He-Ne激光誘變儀30 cm進(jìn)行照射,誘變儀功率恒定為15W。照射時(shí)間梯度為0、10min、20min、30min、60min、90 min、120 min。
(3)微波誘變
在無(wú)菌試管中加入5 mL制備好的菌懸液,將其放入裝有蒸餾水的燒杯中,保證燒杯中的水位沒(méi)過(guò)試管中菌懸液的刻度。置于微波處理器(功率800 W、頻率2 450 MHz)中,處理時(shí)間梯度為0、40 s、60 s、80 s、100 s、120 s、140 s、160 s。
誘變后的菌液,采用10倍稀釋法用無(wú)菌0.9%NaCl溶液稀釋至10-3,取該梯度的菌液100 μL涂布于種子培養(yǎng)基平板上(每個(gè)時(shí)間點(diǎn)做3組平行試驗(yàn)),置于30 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h后,統(tǒng)計(jì)平板上長(zhǎng)出的菌落個(gè)數(shù),計(jì)算致死率(紫外線誘變后的該步操作在避光條件下進(jìn)行,避免光復(fù)活)。各物理誘變方式中正突變率最高的誘變時(shí)間確定為最適誘變時(shí)間。
1.3.4 突變株的篩選方法
初篩:采用TTC作為出發(fā)菌株產(chǎn)乙醇能力的顯色劑,待平板長(zhǎng)出菌落后,將10 mL TTC上層培養(yǎng)基傾倒在其上,置于30 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)2~3 h[20]。挑取深紅色且菌落較大的突變菌株進(jìn)行突變株復(fù)篩。
復(fù)篩:對(duì)初篩得到的突變株按1.3.1的方法進(jìn)行發(fā)酵培養(yǎng)。發(fā)酵液3 500 r/min、4 ℃離心20 min后,稀釋100倍的上清液用于HPLC檢測(cè)乙醇及木糖含量。選擇乙醇含量及木糖利用率均較高的突變株作為目的菌株。
1.3.5 數(shù)據(jù)處理
數(shù)據(jù)分析按Duncan's新復(fù)極差檢測(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,不同字母表示處理間差異顯著;“*”代表t檢驗(yàn)表明試驗(yàn)組與對(duì)照組之間的差異顯著(P<0.05),“**”代表t檢驗(yàn)表明試驗(yàn)組與對(duì)照組之間的差異極顯著(P<0.01)。
不同紫外線誘變時(shí)間對(duì)菌株HDYXHT-01致死率的影響結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可知,該菌株致死率隨紫外線照射時(shí)間的延長(zhǎng)漸漸升高,在誘變30 s、60 s時(shí)菌株致死率分別為51.91%、89.82%,70~80 s時(shí)菌株致死率接近100%。
圖1 不同紫外線誘變時(shí)間對(duì)菌株HDYXHT-01致死率的影響Fig. 1 Effect of different ultraviolet mutagensis time on lethal rate of strain HDYXHT-01
不同紫外線誘變時(shí)間對(duì)菌株HDYXHT-01誘變效應(yīng)的影響結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知,誘變30~50 s過(guò)程中,正突變率漸漸加大,50 s時(shí)正突變率最大,為6.62%,50 s后突變株正突變率呈下降趨勢(shì),70 s后正突變率為0。因此,確定紫外線對(duì)菌株HDYXHT-01的最佳誘變時(shí)間為50 s。
圖2 不同紫外線誘變時(shí)間對(duì)菌株HDYXHT-01誘變效應(yīng)的影響Fig. 2 Effect of different ultraviolet mutagenesis time on mutagenic effect of strain HDYXHT-01
圖3 不同紫外線誘變突變株的木糖利用率Fig. 3 Xylose utilization rate of different ultraviolet mutants
不同紫外線突變株的木糖利用率結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知,紫外線突變株的木糖利用率均有下降,下降范圍為0.38%~11.12%。
圖4 不同紫外線誘變突變株的乙醇產(chǎn)量(A)及得率(B)Fig. 4 Ethanol production (A) and yield (B) of different UV mutants
不同紫外線突變株的乙醇產(chǎn)量(A)及得率(B)結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可知,紫外線突變株的乙醇產(chǎn)量及乙醇得率均有不同程度的上升,乙醇產(chǎn)量上升范圍在3.03%~12.88%,乙醇得率上升范圍在5.05%~20.09%。分析造成這種現(xiàn)象的原因是與Candida albicans代謝木糖產(chǎn)乙醇路徑中的關(guān)鍵酶酶活發(fā)生變化有關(guān)。木糖還原酶(xylosereduetase,XR)及木糖醇脫氫酶(xylitol dehydrogenase,XDH)被認(rèn)為是Candida albicans木糖代謝途徑的兩種關(guān)鍵酶[21]。丙酮酸脫羧酶(pyruvate decarboxylase,PDC)及乙醇脫氫酶(alcohol dehydrogenase,ADH)被認(rèn)為是Candida albicans乙醇生成途徑的兩種關(guān)鍵酶。本試驗(yàn)中,紫外線突變株的木糖利用率均有下降,表明突變菌株代謝木糖的能力減弱,進(jìn)一步推測(cè)紫外線可能對(duì)Candida albicans木糖代謝途徑的兩種關(guān)鍵酶酶活具有削弱作用;紫外線突變株的乙醇產(chǎn)量及乙醇得率均有不同程度的上升,表明突變菌株生成乙醇能力加強(qiáng),進(jìn)一步推測(cè)紫外線可能對(duì)Candida albicans乙醇生成路徑中的兩種關(guān)鍵酶酶活具有增強(qiáng)作用。其中菌株ZW-6的乙醇產(chǎn)量最大,達(dá)9.29 g/L,乙醇得率為0.239 8 g/g,較原始菌株HDYXHT-01分別提高12.88%和17.78%。
不同He-Ne激光誘變時(shí)間對(duì)HDYXHT-01致死率的影響結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可知,前30 min內(nèi)誘變對(duì)菌株的致死效應(yīng)逐漸增大,致死率逐漸提高,由32.12%上升至46.36%。誘變30 min后,致死率減小,表明菌體恢復(fù)生長(zhǎng)。隨著激光照射時(shí)間加長(zhǎng),原始菌株細(xì)胞恢復(fù)生長(zhǎng)效果越發(fā)明顯,誘變90 min后致死率為負(fù)值,隨著照射時(shí)間進(jìn)一步加長(zhǎng),原始菌株生長(zhǎng)繁殖再次受到抑制,誘變120 min時(shí)致死率為-33.61%。結(jié)果表明,He-Ne激光可影響原始菌株的生理活性,加快或抑制其生長(zhǎng)繁殖。
圖5 不同He-Ne激光誘變時(shí)間對(duì)HDYXHT-01致死率的影響Fig. 5 Effect of different He-Ne laser mutagenic time on lethal rate of strain HDYXHT-01
不同He-Ne激光誘變時(shí)間對(duì)HDYXHT-01誘變效應(yīng)的影響結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖6可知,誘變前60 min,正突變率均較高,誘變10 min時(shí)正突變率為48.62%,誘變30 min時(shí)正突變率為37.61%,誘變60 min時(shí)正突變率為24.45%。由此可見(jiàn),在He-Ne激光誘變的過(guò)程中,突變菌株正突變率普遍較高,可能是Candida albicans細(xì)胞內(nèi)乙醇生成路徑中關(guān)鍵酶的生理活性與激光劑量直接相關(guān)。
圖6 不同He-Ne激光誘變時(shí)間對(duì)HDYXHT-01誘變效應(yīng)的影響Fig. 6 Effect of different He-Ne laser mutagenesis time on mutagenic effects of strain HDYXHT-01
不同He-Ne激光誘變突變株的木糖利用率結(jié)果見(jiàn)圖7。由圖7可知,He-Ne激光誘變突變株,木糖利用率均有上升,上升范圍為1.69%~44.77%。表明突變株的木糖代謝能力增強(qiáng),進(jìn)一步推測(cè)造成這種現(xiàn)象的原因可能是He-Ne激光對(duì)原始菌株木糖代謝途徑的兩種關(guān)鍵酶酶活具有增強(qiáng)作用。
圖7 不同He-Ne激光誘變突變株的木糖利用率Fig. 7 Xylose utilization rate of different He-Ne laser mutagenized mutants
不同He-Ne激光誘變突變株的乙醇產(chǎn)量(A)及得率(B)結(jié)果見(jiàn)圖8。
圖8 不同He-Ne激光誘變突變株的乙醇產(chǎn)量(A)及得率(B)Fig. 8 Ethanol production (A) and yield (B) of different He-Ne laser mutagenized mutants
由圖8可知,突變菌株的乙醇產(chǎn)量及乙醇得率均有提高。提高最多的為菌株HN-3,乙醇產(chǎn)量達(dá)17.34 g/L,乙醇得率為0.351 8 g/g,較原始菌株分別提高39.61%和44.75%。
不同微波誘變處理時(shí)間對(duì)HDYXHT-01致死率的影響結(jié)果見(jiàn)圖9。由圖9可知,該菌株致死率隨誘變時(shí)間的增長(zhǎng)漸漸加大。誘變40 s時(shí)致死率為44.94%,誘變80 s時(shí)致死率達(dá)67.29%;誘變140 s后致死率上升幅度減小且接近100%。
圖9 不同微波誘變處理時(shí)間對(duì)HDYXHT-01致死率的影響Fig. 9 Effect of different microwave mutagenesis time on lethal rate of strain HDYXHT-01
不同微波誘變時(shí)間對(duì)HDYXHT-01誘變效應(yīng)的影響結(jié)果見(jiàn)圖10。由圖10可知,誘變40~100 s過(guò)程中,正突變率漸漸加大,100 s時(shí)正突變率最大為20.44%。100 s后正突變率呈下降趨勢(shì),160 s時(shí)正突變率達(dá)到最低為3.03%。因此,確定微波對(duì)菌株HDYXHT-01的最佳誘變時(shí)間為100 s。
圖10 不同微波誘變時(shí)間對(duì)HDYXHT-01誘變效應(yīng)的影響Fig. 10 Effect of different microwave mutagenesis time on mutagenic effects of strain HDYXHT-01
不同微波誘變突變株的木糖利用率結(jié)果見(jiàn)圖11。由圖11可知,相比于原始菌株,就木糖利用率而言,菌株WB-4、WB-6、WB-7分別提高3.43%、2.15%、3.61%;其余6株微波突變菌株木糖利用率均有下降,下降范圍在3.11%~15.19%。
不同微波誘變突變株的乙醇產(chǎn)量(A)及得率(B)結(jié)果見(jiàn)圖12。
圖11 不同微波誘變突變株的木糖利用率Fig. 11 Xylose utilization rate of different microwave mutagenized mutants
圖12 不同微波誘變突變株的乙醇產(chǎn)量(A)及得率(B)Fig. 12 Ethanol production (A) and yield (B) of different microwave mutagenized mutants
由圖12可知,就乙醇產(chǎn)量而言,除菌株WB-8乙醇產(chǎn)量下降3.01%外其余突變株均有提高,范圍在2.94%~11.31%,進(jìn)一步推測(cè)造成這些現(xiàn)象的原因是微波可能對(duì)出發(fā)菌株木糖代謝途徑及乙醇生成路徑中的幾種關(guān)鍵酶酶活的增強(qiáng)或削弱作用具有隨機(jī)性,其中WB-3的乙醇產(chǎn)量最高,達(dá)17.03 g/L,較原始菌株提高11.31%;就乙醇得率而言,各突變株的乙醇得率均有提高,范圍在0.74%~20.36%。
不同突變株的木糖利用率結(jié)果見(jiàn)圖13。由圖13可知,菌株HN-3的木糖利用率較原始菌株提高0.13%,菌株ZW-6、WB-3的木糖利用率分別較原始菌株降低1.92%、0.97%。不同突變株的乙醇產(chǎn)量(A)及得率(B)結(jié)果見(jiàn)圖14。
圖13 不同突變株的木糖利用率Fig. 13 Xylose utilization rate of different mutants
由圖14可知,菌株ZW-6、HN-3、WB-2的乙醇產(chǎn)量及得率均有不同程度的上升。菌株ZW-6、HN-3、WB-2的乙醇產(chǎn)量分別為17.44 g/L、18.49 g/L、18.11 g/L,分別較原始菌株提高13.91%、20.77%、18.29%;菌株ZW-6、HN-3、WB-2的乙醇得率分別為0.353 7 g/g、0.382 8 g/g、0.371 4 g/g,分別較原始菌株提高13.80%、23.17%、19.50%。
本研究以休哈塔假絲酵母(Candida albicans)HDYXHT-01作為出發(fā)菌株,采用紫外線、He-Ne激光、微波三種不同的物理誘變方式對(duì)其進(jìn)行誘變,目的在于選育高產(chǎn)乙醇菌株的同時(shí)確定最佳的物理誘變因子。結(jié)果表明,與紫外線及微波各誘變菌株相比,He-Ne激光誘變菌株的正突變率高,激光照射10 min時(shí),正突變率高達(dá)48.62%;He-Ne激光誘變菌株的木糖利用率、乙醇產(chǎn)量、乙醇得率均提高最多,提高的范圍最大,分別較原始菌株提高1.69%~44.77%、13.12%~40.59%、29.73%~47.75%。因此,確定He-Ne激光為最佳物理誘變因子。最佳物理誘變因子的確定為提高科研工作效率及進(jìn)一步對(duì)菌株進(jìn)行改造工作奠定基礎(chǔ);木糖利用率及乙醇產(chǎn)量高的突變菌株的獲得,在為利用休哈塔假絲酵母大規(guī)模生產(chǎn)乙醇提供數(shù)據(jù)參考的同時(shí),有助于農(nóng)業(yè)殘留物的回收利用做到節(jié)能減排,并具有一定意義的環(huán)保價(jià)值。