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        檸條木質(zhì)素降解菌的篩選及其降解條件優(yōu)化

        2019-12-14 14:10:45崔家榮段開紅
        安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2019年19期
        關(guān)鍵詞:檸條篩選木質(zhì)素

        崔家榮 段開紅

        摘要 [目的]將檸條轉(zhuǎn)化為可被牲畜高效利用的優(yōu)良飼料。[方法]采用檸條作為單一碳源的篩選培養(yǎng)基、苯胺藍(lán)篩選培養(yǎng)基從牲畜糞便以及檸條腐質(zhì)中分離篩選出對(duì)檸條木質(zhì)素具有降解作用的菌株D-11。[結(jié)果]經(jīng)微生物形態(tài)學(xué)和16S rDNA鑒定,D-11為地衣芽孢桿菌,同時(shí)對(duì)D-11降解條件進(jìn)行優(yōu)化。菌株D-11的最佳降解條件如下:最佳氮源為蛋白胨;溫度為28~32 ℃;pH為7;添加誘導(dǎo)劑Mn2+的濃度為0.6 mmol/L。在最優(yōu)條件下,菌株D-11對(duì)檸條木質(zhì)素降解率為18.21%,半纖維素的降解率為16.11%,纖維素的降解率為13.19%。[結(jié)論]采用菌株D-11對(duì)檸條進(jìn)行發(fā)酵降解,使其轉(zhuǎn)化為可被牲畜利用的優(yōu)良飼料。

        關(guān)鍵詞 檸條;木質(zhì)素;木質(zhì)素降解菌;篩選;發(fā)酵降解;降解條件優(yōu)化

        中圖分類號(hào) S816.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

        文章編號(hào) 0517-6611(2019)19-0107-03doi:10.3969/j.issn.0517-6611.2019.19.031

        Abstract [Objective] To convert Caragana korshinskii into a good feed efficiently utilized by livestock.[Method]C.korshinskii was used as a single carbon source for screening medium and aniline blue screening medium was used to separate and screen out lignin degrading strain D11 from livestock manure and C.korshinskii humus.[Result] Strain D11 was identified by microbial morphology and 16S rDNA as Bacillus licheniformis,and the degradation conditions of D11 were optimized.The optimal degradation conditions of strain D11 were as follows:optimal nitrogen source was peptone,temperature was 28-32 ℃,pH was 7,the concentration of added inducer Mn2+ was 0.6 mmol/L.Under the optimal conditions,the degradation rate of strain D-11 to C.korshinskii lignin was 18.21%, the degradation rate of hemicellulose was 16.11%,the degradation rate of cellulose was 13.19%.[Conclusion] Strain D-11 can be used to ferment and degrade C.korshinskii,which can be transformed into an excellent feed utilized by livestock.

        Key words Caragana korshinskii;Lignin;Lignindegrading bacteria;Screening;Fermentation and degradation;Optimization of degradation conditions

        檸條是多年生豆科灌木,作為一種非競(jìng)爭性資源,在我國北方地區(qū)具有數(shù)量大、分布廣、價(jià)格低廉的特點(diǎn),由于其枝繁葉茂、營養(yǎng)豐富,含有10多種生物活性物質(zhì),尤其是氨基酸含量豐富[1],因此也是良好的飼用植物,但其木質(zhì)纖維素含量高,且收獲干燥后莖稈粗硬,并具有脫葉刺也成為影響牲畜對(duì)其高效利用的關(guān)鍵問題[2]。筆者從微生物豐富的糞便及其檸條腐殖質(zhì)中分離篩選出具有高效降解檸條木質(zhì)素的菌株,將檸條中難以被牲畜直接消化利用的木質(zhì)素,通過生物處理的方式降解為可被生物利用的小分子物質(zhì),提高檸條的飼料營養(yǎng)價(jià)值和利用率,來發(fā)揮檸條潛在的飼用價(jià)值。

        1 材料與方法

        1.1 樣品來源及處理方法 試驗(yàn)所用樣品采自市區(qū)周邊郊區(qū)農(nóng)戶的牲畜糞便、腐質(zhì)檸條,分別裝入無菌袋帶回并保存于4 ℃冰箱中。

        1.2 培養(yǎng)基

        ①初篩培養(yǎng)基。檸條粉10 g(檸條磨粉,過40目篩,65 ℃烘16 h),NH4NO3 1.0 g,K2HPO4 0.5 g,KH2PO4 0.5 g,NaCl 0.2 g,MgSO4 0.2 g,CaCl2 0.2 g,微量MnSO4·H2O,瓊脂粉20 g,蒸餾水1 L。②基本培養(yǎng)基(BM)。酵母膏10 g,葡萄糖20 g,瓊脂20 g,蒸餾水1L。③苯胺藍(lán)篩選培養(yǎng)基。配制濃度為1.0%的苯胺藍(lán)(Azure-B)母液,在制作平板時(shí),每100 mL 基本培養(yǎng)基(BM)中加入1.0 mL 母液即可。④LB培養(yǎng)基。胰蛋白胨10 g,酵母浸膏5 g,NaCl 10 g,瓊脂20 g,蒸餾水1 L。⑤液體發(fā)酵培養(yǎng)基。檸條粉10 g,蒸餾水1 L,自然pH,121 ℃滅菌30 min。

        1.3 方法

        1.3.1 降解木質(zhì)素菌的篩選。

        1.3.1.1 初篩。分別稱取各樣品10 g,搗碎后無菌水振蕩活化12 h,取上清液稀釋成10-4、10-5、10-6 濃度梯度的稀釋液,取0.1 mL 涂布到初篩培養(yǎng)基平板上,置于30 ℃恒溫箱中恒溫培養(yǎng)1~3 d,挑取能夠在初篩培養(yǎng)基上生長的細(xì)菌菌株在LB 培養(yǎng)基上進(jìn)行劃線分離、純化,最后保存在LB 斜面培養(yǎng)基上。

        1.3.1.2 復(fù)篩。將初篩得到的菌株擴(kuò)培,轉(zhuǎn)接到BM培養(yǎng)基中,置于37 ℃恒溫培養(yǎng)48 h后,每株菌做2個(gè)平行。10 000 r/min、4 ℃離心5 min,取上清液點(diǎn)樣于Azure-B 平板的微孔,每孔點(diǎn)樣100 μL。37 ℃避光培養(yǎng)2 d后,觀察并記錄脫色圈的有無及大小。

        1.3.2 木質(zhì)素酶活力的測(cè)定方法。因?yàn)樗Y菌株未檢測(cè)漆酶活性,所以僅對(duì)木質(zhì)素過氧化物酶和錳過氧化物酶進(jìn)行測(cè)定。制得菌株粗酶液后,按照Klopman等[3]和Heinfling等[4]的測(cè)定方法分別對(duì)木質(zhì)素過氧化物酶(Lip)和錳過氧化物酶(Mnp)活力進(jìn)行測(cè)定。

        1.3.3 菌株液體發(fā)酵培養(yǎng)。

        將保存在LB斜面上的菌株轉(zhuǎn)接到LB液體培養(yǎng)基中活化培養(yǎng)后,轉(zhuǎn)接到液體發(fā)酵培養(yǎng)基中,以10%的接種量接種于液體發(fā)酵培養(yǎng)基中,30 ℃下恒溫振蕩培養(yǎng)15 d。

        1.3.4 檸條發(fā)酵產(chǎn)物中木質(zhì)纖維素各組分含量的測(cè)定。

        發(fā)酵產(chǎn)物在121 ℃下滅菌30? min,過濾后收集殘?jiān)?,并在烘箱?5? ℃ 烘干至恒重,參照Van Soest等[5]的木質(zhì)纖維素測(cè)定方法對(duì)檸條發(fā)酵物中的木質(zhì)素、纖維素和半纖維素含量進(jìn)行測(cè)定,以未發(fā)酵檸條粉為對(duì)照,計(jì)算出檸條中各組分的相對(duì)降解率。以上試驗(yàn)重復(fù)3次。

        1.3.5 菌種鑒定。

        將分離純化的菌株在LB液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)3~5 d。利用引物27F和1492R擴(kuò)增所篩選微生物16S rDNA,送交測(cè)序公司測(cè)序后,將序列與NCBI網(wǎng)站登錄序列進(jìn)行比對(duì)。根據(jù)比對(duì)結(jié)果及形態(tài)特征確定所篩選菌株的種屬。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 降解木質(zhì)素菌株的篩選

        從樣品中共分離到木質(zhì)素降解菌31株,采用苯胺藍(lán)平板法初篩到具有水解透明圈的菌株12株。選取初篩菌株中水解圈直徑較大的前5株菌株進(jìn)行液體發(fā)酵,測(cè)定發(fā)酵上清液的水解圈大小,同時(shí)結(jié)合木質(zhì)素降解酶活力的測(cè)定結(jié)果進(jìn)行復(fù)篩(表1)。從表1可以看出,以上菌株在發(fā)酵培養(yǎng)基上產(chǎn)酶活力以菌株D-11、Y-1、S-3 較高。選取D-11 菌株進(jìn)行種屬鑒定及后續(xù)研究。

        2.2 菌株D-11的16S rDNA 序列分析及系統(tǒng)發(fā)育樹分析

        將木質(zhì)素降解菌株D-11的16S rDNA序列經(jīng)測(cè)序獲得的序列在NCBI網(wǎng)站中進(jìn)行BLAST搜索和序列比對(duì),結(jié)果顯示所獲得序列的同源性很高的序列大多來自芽孢桿菌屬(Bacillus)。根據(jù)16S rDNA序列比對(duì)結(jié)果以及系統(tǒng)發(fā)育樹的遺傳距離分析(圖1),初步鑒定菌株D-11為地衣芽孢桿菌(Bacillus licheniformis strain)。

        2.3 D-11菌株對(duì)檸條木質(zhì)素的降解率測(cè)定

        對(duì)未發(fā)酵檸條粉和發(fā)酵15 d后檸條粉中木質(zhì)素、纖維素和半纖維素含量進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果見圖2。從圖2可以看出,檸條粉經(jīng)菌株D-11發(fā)酵15 d后,對(duì)木質(zhì)素的降解率最高,達(dá)到10.12%;半纖維素和纖維素的降解率分別為9.63%和7.37%。這說明D-11對(duì)檸條木質(zhì)纖維素中各組分均具有一定的降解能力,尤其以木質(zhì)素的降解能力最好,與纖維素和半纖維素相比降解效果最為明顯。

        2.4 木質(zhì)素降解條件的優(yōu)化

        2.4.1 氮源的影響。

        以檸條固定碳源,為發(fā)酵培養(yǎng)基中分別添加0.05%尿素、蛋白胨、硫酸銨以及硝酸鈉作為不同的氮源,接種D-11培養(yǎng)15 d后測(cè)定其各木質(zhì)素降解率,結(jié)果見表2。從表2可以看出,選取的4種氮源中,D-11菌株對(duì)蛋白胨的利用較好,其降解能力較其他氮源總體上有所提升,使用硫酸銨以及硝酸鈉為氮源是對(duì)于木質(zhì)素降解率的提高不大,而以尿素為氮源時(shí),其降解能力均有一定程度的下降。因此,蛋白胨為菌株D-11的適宜氮源。

        2.4.2 溫度的影響。

        從圖3可以看出,各組分降解能力所對(duì)應(yīng)的最適溫度范圍比較寬泛。木質(zhì)素與纖維素降解的最適溫度為32 ℃,但纖維素的降解在28~35 ℃內(nèi)變化不大;半纖維素的最適降解溫度為28 ℃,但在升溫至32 ℃過程中木質(zhì)素降解率的下降幅度并不大。各組分的降解能力在超過36 ℃時(shí)有明顯下降,究其原因可能是溫度的升高使降解酶的酶活發(fā)生變化,從而降低了木質(zhì)素的降解率。

        2.4.3 pH的影響。

        木質(zhì)素降解能力受培養(yǎng)液pH的影響較大。從圖4可以看出,當(dāng)培養(yǎng)液的pH為7時(shí),木質(zhì)素、纖維素與半纖維素的降解能力均達(dá)到峰值。這說明中性環(huán)境對(duì)于D-11的產(chǎn)酶以及木質(zhì)素的降解更為有利,過高或者過低的pH都可能使菌株的生長發(fā)育產(chǎn)生了一定的消極影響,同時(shí)極端pH也會(huì)使降解所需酶失活變性,從而影響了木質(zhì)素的降解效率。D-11對(duì)于木質(zhì)素的降解在pH 為7時(shí)達(dá)到1293%,而纖維素的降解率在pH為6~8時(shí)變化幅度不大。

        2.4.4 Mn2+濃度的影響。

        菌株D-11的所產(chǎn)Mnp的酶活相對(duì)于S-3較弱,同時(shí)Mnp活性較為依賴Mn2+的濃度,所以添加一定濃度的Mn2+可以提高M(jìn)np的活力,從而提高木質(zhì)素的降解能力。從圖5可以看出,木質(zhì)素與纖維素降解率隨Mn2+濃度的增加而升高,但當(dāng)Mn2+濃度低于0.8 mmol/L時(shí)對(duì)木質(zhì)素與纖維素的降解有一定的促進(jìn)作用,但對(duì)半纖維素降解的影響較小,當(dāng)Mn2+濃度大于0.8 mmol /L 時(shí)菌株D-11對(duì)木質(zhì)纖維素的降解能力整體呈下降趨勢(shì)。這說明過量的Mn2+可能會(huì)變成毒性離子,會(huì)影響菌株的正常生長,將促進(jìn)作用轉(zhuǎn)變?yōu)橐种谱饔谩?/p>

        3 討論

        目前,木質(zhì)素的生物質(zhì)降解利用主要集中在真菌與復(fù)合菌劑的研究,然而真菌雖然在降解效果上較為理想[6],但其培養(yǎng)周期長,保存運(yùn)輸不便以及在飼料青貯過程中容易引起飼料變質(zhì)等問題也限制了其在生物質(zhì)降解利用方面的推廣。在針對(duì)木質(zhì)素降解菌的研究中發(fā)現(xiàn)許多可以降解木質(zhì)素的細(xì)菌,Bugg等[7]與Tuomela等[8]從造紙廠廢水中篩選出幾株芽孢桿菌,并在其細(xì)胞提取物中都分離出活性較高的木質(zhì)素降解酶。另外,Bandounas等[9]也成功分離出幾株可以降解堿性卡夫木質(zhì)素的芽孢桿菌。這些研究結(jié)果表明芽孢桿菌可能是木質(zhì)素降解中起到關(guān)鍵作用的微生物。該研究通過篩選成功分離到一株具有單獨(dú)降解檸條木質(zhì)素能力的地衣芽孢桿菌D-11,這對(duì)于檸條木質(zhì)素降解的研究具有一定的理論指導(dǎo)意義。

        該研究采用單因素試驗(yàn)對(duì)氮源、溫度、pH以及誘導(dǎo)劑等影響木質(zhì)素降解的主要因素進(jìn)行優(yōu)化,從而提高菌株D-11 對(duì)3種生物質(zhì)的降解能力, 在優(yōu)化條件下菌株D-11對(duì)檸條木質(zhì)素發(fā)酵15 d的降解率為18.21%,低于李紅亞等[10]采用細(xì)菌液態(tài)發(fā)酵玉米秸稈16 d后24% 的木質(zhì)素降解率。篩選菌株的木質(zhì)素降解率較低可能是由于多年生的平茬檸條木質(zhì)化程度高,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般作物秸稈中的木質(zhì)素含量,使相比更一般作物秸稈更難被降解;同時(shí),該研究僅對(duì)部分發(fā)酵條件進(jìn)行優(yōu)化,可能未達(dá)到菌株的最佳發(fā)酵條件。王仁佑等[11]研究表明金屬離子添加可以促使微生物的生長而提高產(chǎn)酶量,而且可以通過添加表面活性劑改變菌株細(xì)胞膜的通透性來提高胞外酶的分泌,促使微生物酶活的增加,提高木質(zhì)素降解能力[12]。因此,該研究下一步的研究重點(diǎn)是繼續(xù)優(yōu)化發(fā)酵培養(yǎng)條件,考量其他誘導(dǎo)劑以及表面活性劑對(duì)菌株產(chǎn)酶和降解能力的影響,同時(shí)會(huì)研究多種微生物分部處理的生物預(yù)處理方法,加快降解速率并側(cè)重于實(shí)現(xiàn)木質(zhì)素的選擇性降解,從而達(dá)到檸條纖維素回收利用的目的,提高發(fā)酵飼料的營養(yǎng)價(jià)值。

        4 結(jié)論

        從檸條作為唯一碳源的篩選培養(yǎng)基和苯胺藍(lán)篩選培養(yǎng)基中分離出木質(zhì)素降解菌株D-11,經(jīng)過16S rRNA序列分析鑒定為地衣芽孢桿菌,對(duì)其采用優(yōu)化的降解條件:氮源為蛋白胨;溫度28~32 ℃;pH 為7;添加Mn2+的濃度為0.6 mmol/L進(jìn)行檸條發(fā)酵,其木質(zhì)素降解率為18.21%,半纖維素的降解率為16.11%,纖維素的降解率為13.19%,其中木質(zhì)素降解率較優(yōu)化前提高了79.94%。該研究結(jié)果為后續(xù)對(duì)檸條木質(zhì)素的降解研究提供更多試驗(yàn)依據(jù)。

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