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        常壓室溫等離子體誘變選育富硒納豆芽孢桿菌

        2020-02-05 08:45:46邵蕾娜王鳳寰
        關(guān)鍵詞:納豆致死率菌體

        孫 博, 邵蕾娜, 殷 嫻, 王鳳寰, 張 雨

        (北京工商大學(xué) 輕工科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 北京 100048)

        硒元素是人體必需微量元素之一,是維持人體正常生理功能的重要營(yíng)養(yǎng)成分,具有保護(hù)組織和細(xì)胞膜免受氧化應(yīng)激反應(yīng),提高人體免疫力,保護(hù)肝臟等的生理功能[1-3]。由于硒在人體內(nèi)的安全閾值很低,硒攝取量連續(xù)低于40 μg/d會(huì)出現(xiàn)缺硒癥狀,高于400 μg/d則可能產(chǎn)生硒中毒現(xiàn)象[4];因此,補(bǔ)硒需慎重。食品中硒的毒性和活性取決于硒的化學(xué)結(jié)構(gòu),相比于無機(jī)硒,有機(jī)硒具有更高的生物利用度和更低的毒性[5]。由于人工合成有機(jī)硒成本高且技術(shù)難度大,因此生物轉(zhuǎn)化法是目前最常用的有機(jī)硒合成方法,其中以微生物作為載體研究和運(yùn)用最多的是富硒酵母[6]。納豆是大豆經(jīng)納豆芽孢桿菌(Bacillusnatto)發(fā)酵而形成的一種豆制品,具有預(yù)防中風(fēng)、心臟病、骨質(zhì)疏松、肥胖癥及由病原菌引起的消化道疾病等的作用[7]。納豆芽孢桿菌作為枯草芽孢桿菌的亞種,其本身具有良好的耐硒能力,可成為一種新型的有機(jī)硒微生物轉(zhuǎn)化載體,具有非常廣闊的開發(fā)應(yīng)用前景,而使用納豆菌誘變選育富硒載體的相關(guān)研究較少。

        常壓室溫等離子體(atmospheric and room temperature plasma,ARTP)誘變具有操作簡(jiǎn)單、誘變效果好、成功率高、成本低等優(yōu)點(diǎn),是常用的微生物誘變技術(shù)[8]。研究旨在利用ARTP對(duì)納豆芽孢桿菌BSN424進(jìn)行誘變,以期建立ARTP誘變和篩選富硒納豆芽孢桿菌的方法,并對(duì)突變菌株進(jìn)行遺傳穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn),最終獲得硒轉(zhuǎn)化率較高、遺傳穩(wěn)定性較好的菌株。

        1 材料與方法

        1.1 材料與試劑

        1.1.1實(shí)驗(yàn)菌種

        誘變出發(fā)菌株為一株納豆芽孢桿菌,編號(hào)為BSN424,由北京工商大學(xué)酶工程實(shí)驗(yàn)室從納豆粉中分離得到。

        1.1.2培養(yǎng)基

        LB固體培養(yǎng)基:酵母浸粉5 g,蛋白胨10 g,氯化鈉10 g,去離子水1 000 mL,瓊脂粉15 g/L,pH值7.0。121 ℃滅菌15 min。

        改良大豆蛋白胨培養(yǎng)基:葡萄糖10 g,大豆蛋白胨10 g,七水合硫酸鎂0.5 g,磷酸二氫鉀2.3 g,無水氯化鈣0.1 g,十二水合磷酸氫二鈉1.26 g,去離子水1 000 mL,自然pH值。115 ℃滅菌15 min。

        1.1.3實(shí)驗(yàn)試劑

        酵母浸粉,英國(guó)Oxoid公司;蛋白胨、大豆蛋白胨,北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司;瓊脂粉,北京康倍斯科技有限公司,以上均為生物試劑。分析純?cè)噭┢咸烟恰⒙然c、七水合硫酸鎂、磷酸二氫鉀、無水氯化鈣、十二水合磷酸氫二鈉、亞硒酸鈉、氫氧化鈉及優(yōu)級(jí)純?cè)噭┻^氧化氫(體積分?jǐn)?shù)30%)、鹽酸、硝酸、硼氫化鉀,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

        1.2 儀器與設(shè)備

        ARTP誘變系統(tǒng),北京思清源生物科技有限公司;LC- AFS6500型液相色譜原子熒光聯(lián)用儀,北京海光儀器有限公司;Mars 6型微波消解儀,美國(guó)CEM公司;EHD- 40型電熱消解儀,北京東航科儀儀器有限公司;Ecotron型恒溫震蕩培養(yǎng)箱,瑞士INFORS公司;Infinite M200型酶聯(lián)免疫檢測(cè)儀,帝肯(上海)貿(mào)易有限公司。

        1.3 實(shí)驗(yàn)方法

        1.3.1菌種活化

        從凍藏的BSN424菌株保藏管中蘸取一環(huán)菌液,劃線涂布于LB固體培養(yǎng)基。37 ℃恒溫培養(yǎng)12 h后,挑取培養(yǎng)基上的單菌落接種于含4 mL改良大豆蛋白胨液體培養(yǎng)基的搖菌管中, 37 ℃、220 r/min條件下恒溫培養(yǎng)12 h。取400 μL菌液轉(zhuǎn)接到含40 mL改良大豆蛋白胨液體培養(yǎng)基的100 mL三角瓶中,37 ℃、220 r/min條件下恒溫培養(yǎng)12 h,得到活化二代的種子液,備用。

        1.3.2納豆芽孢桿菌生長(zhǎng)曲線測(cè)定

        通過測(cè)定納豆芽孢桿菌生長(zhǎng)曲線,確定適宜的培養(yǎng)時(shí)間和加硒時(shí)間。種子液以1%的接種量接入到改良大豆蛋白胨液體培養(yǎng)基中,250 mL三角瓶中裝液量為100 mL。37 ℃、220 r/min培養(yǎng),每隔2 h取樣,采用比濁法,測(cè)定納豆芽孢桿菌的OD600值,繪制生長(zhǎng)曲線。

        1.3.3適宜硒質(zhì)量濃度的選擇

        將活化好的種子液以1%的接種量分別接種于硒質(zhì)量濃度不同(0、2、4、6、8、10、12、14 μg/mL)的改良大豆蛋白胨液體培養(yǎng)基中,37 ℃、220 r/min培養(yǎng)24 h,8 000 r/min離心5 min,觀察菌體顏色變化,確定最適加硒質(zhì)量濃度[9]。

        1.3.4ARTP誘變

        將培養(yǎng)至對(duì)數(shù)中后期的納豆芽孢桿菌菌液離心收集,用生理鹽水洗滌2次后,稀釋成OD600值在0.6~0.8的菌懸液,取10 μL菌懸液滴加在載片上,涂布均勻后放入ARTP誘變系統(tǒng)中進(jìn)行誘變,誘變條件見表1。

        表1 ARTP誘變條件

        將經(jīng)過誘變處理后的載片置于裝有1 mL生理鹽水的1.5 mL離心管中,震蕩洗脫60 s左右,將洗脫后的菌懸液按10倍梯度稀釋6次,分別記為10-1~10-6。將10-4、10-5、10-6的稀釋菌懸液涂布在LB固體培養(yǎng)基上,37 ℃恒溫培養(yǎng)12 h,每個(gè)梯度做3組平行實(shí)驗(yàn),未經(jīng)誘變的載片作對(duì)照組,在相同條件下培養(yǎng),進(jìn)行平板菌落計(jì)數(shù)。通過平板菌落數(shù)來計(jì)算誘變致死率,并獲得致死率曲線,致死率的計(jì)算見式(1)[10]:

        (1)

        式(1)中,T為不經(jīng)誘變處理的對(duì)照組平板菌落數(shù),CFU;M為經(jīng)誘變處理后的平板菌落數(shù),CFU。

        1.3.5硒含量的測(cè)定

        采用氫化物發(fā)生- 原子熒光光譜儀(HG- AFS)檢測(cè)硒含量。HG- AFS是一種具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的分析儀器,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分析成本低、氣相干擾少、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)[11]。檢測(cè)條件見表2。

        1.3.5.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

        1 mg/mL亞硒酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液(以硒元素含量計(jì))配制:準(zhǔn)確稱取亞硒酸鈉109.5 mg,用去離子水定容至50 mL,過濾除菌,現(xiàn)用現(xiàn)配。取硒質(zhì)量濃度為1 mg/mL的亞硒酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液,依次用1.2 mol/L HCl溶液稀釋至硒質(zhì)量濃度分別為200、160、120、80、40、20、10 ng/mL,用HG- AFS以表2條件測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)溶液及空白對(duì)照的熒光強(qiáng)度,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

        表2 HG- AFS檢測(cè)條件

        1.3.5.2 培養(yǎng)基中初始硒含量測(cè)定

        納豆芽孢桿菌富硒培養(yǎng)過程中,向培養(yǎng)基中添加亞硒酸鈉溶液,迅速混勻,立即取樣1 mL,用1.2 mol/L HCl溶液稀釋10倍后,測(cè)定硒含量,即為培養(yǎng)過程中添加亞硒酸鈉溶液時(shí)培養(yǎng)基中的初始硒含量。

        1.3.5.3 發(fā)酵上清液中殘留硒含量測(cè)定

        發(fā)酵結(jié)束后,將發(fā)酵液以10 000 r/min離心10 min,并吸取1 mL上清液加入微波消解消化管中,再加入4 mL硝酸和1 mL 30%過氧化氫溶液,根據(jù)GB 14880—2012以表3條件進(jìn)行消化處理[12]。

        表3 微波消解條件

        消解結(jié)束后,于趕酸儀上加熱至管中液體體積剩余1 mL左右,冷卻后加入4 mL 濃鹽酸,再次加熱至管中液體體積剩余1 mL左右,將六價(jià)硒還原成四價(jià)硒,冷卻。用1.2 mol/L HCl溶液轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶中定容,混勻,測(cè)定硒含量,即為發(fā)酵上清液中殘留硒含量。

        1.3.5.4 菌體培養(yǎng)物中硒含量測(cè)定

        發(fā)酵液以10 000 r/min離心10 min,棄去上清液,獲得菌體培養(yǎng)物,用磷酸鹽緩沖液反復(fù)洗滌3次,以去除附著于細(xì)胞表面的硒化合物,冷凍干燥后,保存?zhèn)溆肹13]。

        準(zhǔn)確稱取10 mg菌體凍干粉末,加入微波消解消化管中,消解后測(cè)定菌體培養(yǎng)物中的硒含量。

        1.3.6突變菌株耐硒能力測(cè)定

        隨機(jī)挑取經(jīng)ARTP誘變后的LB固體培養(yǎng)基上的單菌落于每孔含有1 mL改良大豆蛋白胨培養(yǎng)基(硒質(zhì)量濃度6 μg/mL)的96孔深孔板中,每塊孔板接種93株突變菌株,3株出發(fā)菌株BSN424,共10塊板。930株突變菌株于振蕩培養(yǎng)箱中37 ℃、220 r/min恒溫培養(yǎng)24 h后,觀察菌液顏色變化情況,挑選顏色較淺菌株并使用酶標(biāo)儀測(cè)定菌懸液OD600值。

        1.3.7突變菌株復(fù)篩

        將挑選出的耐硒能力較強(qiáng)的菌株接種于含適宜硒質(zhì)量濃度的改良大豆蛋白胨液體培養(yǎng)基中,250 mL三角瓶中裝液量為100 mL,37 ℃、220 r/min條件下富硒培養(yǎng)24 h后,測(cè)定其硒轉(zhuǎn)化率和富硒量,計(jì)算見式(2)、式(3)[14]。

        (2)

        (3)

        式(2)、式(3)中,m0為菌體細(xì)胞內(nèi)硒質(zhì)量,μg;m1為添加的總硒質(zhì)量,μg;m2為菌體細(xì)胞干質(zhì)量,μg;ρ0為培養(yǎng)基初始硒質(zhì)量濃度,μg/mL;ρ1為發(fā)酵上清液硒質(zhì)量濃度,μg/mL。

        1.3.8突變菌株遺傳穩(wěn)定性測(cè)定

        將復(fù)篩后富硒能力較高的突變株在LB固體培養(yǎng)基上連續(xù)7代傳代培養(yǎng),并將各代分別進(jìn)行相應(yīng)種子液的制備以及改良大豆蛋白胨液體培養(yǎng)基的發(fā)酵培養(yǎng),通過比較突變菌株的富硒量來測(cè)定突變菌株的遺傳穩(wěn)定性。

        1.4 數(shù)據(jù)處理

        使用Origin Pro 2019軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差并繪圖。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 培養(yǎng)時(shí)間及加硒時(shí)間的確定

        納豆芽孢桿菌BSN424生長(zhǎng)曲線如圖1。培養(yǎng)3 h后,菌體開始進(jìn)入對(duì)數(shù)期;培養(yǎng)24 h后,菌體開始降解。由于亞硒酸鈉對(duì)菌體生長(zhǎng)有抑制作用,加硒時(shí)間不宜過早,而在對(duì)數(shù)期,菌體生長(zhǎng)代謝旺盛,硒轉(zhuǎn)化率高。Yin等[15]研究發(fā)現(xiàn),在釀酒酵母對(duì)數(shù)生長(zhǎng)前期添加無機(jī)硒,所得酵母細(xì)胞生物量、總硒含量及有機(jī)硒比例最高。靳志強(qiáng)等[16]研究也發(fā)現(xiàn),在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)初期添加亞硒酸鈉得到的菌體,其總硒含量及硒轉(zhuǎn)化率均最大。故從菌體生長(zhǎng)及硒轉(zhuǎn)化率方面考慮,選擇在納豆芽孢桿菌對(duì)數(shù)生長(zhǎng)初期添加無機(jī)硒,即在培養(yǎng)3 h后添加亞硒酸鈉溶液,培養(yǎng)24 h。

        圖1 納豆芽孢桿菌BSN424生長(zhǎng)曲線Fig.1 Growth curve of Bacillus natto BSN424

        2.2 培養(yǎng)基中適宜硒質(zhì)量濃度的確定

        納豆芽孢桿菌在一定硒質(zhì)量濃度條件下可將無機(jī)硒轉(zhuǎn)化為有機(jī)硒,但當(dāng)環(huán)境中硒含量過高時(shí),菌體會(huì)把大量的無機(jī)硒還原為紅色的單質(zhì)硒,故使菌體呈現(xiàn)出不同程度的紅色[17]。納豆芽孢桿菌BSN424在不同硒質(zhì)量濃度條件下的菌體顏色見表4。如表4所示,在設(shè)定的硒質(zhì)量濃度范圍內(nèi),菌體顏色變紅程度與培養(yǎng)基中硒質(zhì)量濃度成正相關(guān)。硒質(zhì)量濃度在6 μg/mL時(shí)菌體顏色變化不明顯,低于6 μg/mL時(shí)顏色沒有變化,說明培養(yǎng)基中硒質(zhì)量濃度超過6 μg/mL時(shí)會(huì)使其在細(xì)胞內(nèi)大量轉(zhuǎn)化為紅色的硒單質(zhì)。為了減少單質(zhì)硒的轉(zhuǎn)化,使更多的無機(jī)硒在細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)化為有機(jī)硒,選擇6 μg/mL作為培養(yǎng)基的適宜硒質(zhì)量濃度。

        2.3 ARTP誘變適宜照射時(shí)間的確定

        誘變處理后根據(jù)納豆芽孢桿菌致死率繪制致死率曲線,如圖2。由圖2可知,誘變致死率隨照射時(shí)間增加而增大,照射20 s時(shí)可殺死90%的菌體;當(dāng)照射時(shí)間達(dá)到60 s時(shí),誘變致死率已達(dá)到100%。由現(xiàn)代育種理論可知,誘變致死率在90%~95%時(shí)正向突變率最高。因此實(shí)驗(yàn)選擇的適宜誘變時(shí)間為25 s,致死率為94.3%。

        2.4 突變菌株耐硒篩選結(jié)果

        利用含亞硒酸鈉抗性培養(yǎng)基的96孔深孔板培養(yǎng)突變菌株,并通過菌懸液OD600值和菌體顏色變化篩選突變菌株。通過對(duì)比誘變出發(fā)菌株與誘變菌株的菌體顏色,挑選出在6 μg/mL硒質(zhì)量濃度下轉(zhuǎn)化單質(zhì)硒較少的菌株,同時(shí)再對(duì)比菌懸液的OD600值,以挑選出生長(zhǎng)較好的突變菌株。經(jīng)對(duì)比,初篩共挑選出64株耐硒誘變菌株。

        表4 納豆芽孢桿菌BSN424在不同硒質(zhì)量濃度下培養(yǎng)24 h后菌體顏色變化

        2.5 突變菌株富硒篩選結(jié)果

        2.5.1硒標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

        HG- AFS測(cè)定的硒質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖3,標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程為Y=90.505 3X+295.939 6,R2=0.999 44。

        2.5.2突變菌株富硒能力分析

        2.5.2.1 突變菌株的硒轉(zhuǎn)化率

        出發(fā)菌株BSN424及64株初篩得到的耐硒誘變菌株經(jīng)搖瓶富硒發(fā)酵后測(cè)定的硒轉(zhuǎn)化率見圖4。

        由圖4可知,誘變出發(fā)菌株BSN424的硒轉(zhuǎn)化率為21.8%,共有34株突變菌株的硒轉(zhuǎn)化率高于出發(fā)菌株, 其中硒轉(zhuǎn)化率最高的突變菌株編號(hào)為BN- I214,硒轉(zhuǎn)化率達(dá)到37.8%,比誘變出發(fā)菌株高出了16%。

        圖2 不同照射時(shí)間下ARTP誘變致死率曲線Fig.2 ARTP mutagenic lethal rate curve with different treatment time

        圖3 硒標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.3 Standard curve of selenium

        圖4 突變菌株搖瓶復(fù)篩后的硒轉(zhuǎn)化率Fig.4 Selenium conversion rate of mutagenic strains after shake flask screening

        2.5.2.2 突變菌株的富硒量

        挑選突變菌株中硒轉(zhuǎn)化率最高的6株突變菌株:BN- I214、BN- 41、BN- 83、BN- I512、BN- 44、BN- 1111及誘變出發(fā)菌株BSN424,分別測(cè)定其搖瓶富硒發(fā)酵后的富硒量,見圖5。

        圖5 突變菌株搖瓶復(fù)篩后富硒量Fig.5 Selenium content of mutagenic strains after shake flask screening

        由圖5可知,誘變出發(fā)菌株BSN424的搖瓶發(fā)酵富硒量為742.12 μg/g,6株突變菌株的富硒量均大于誘變出發(fā)菌株,說明以硒轉(zhuǎn)化率作為篩選富硒納豆芽孢桿菌的依據(jù)是可行的,其中突變菌株BN- 44的富硒量最高,達(dá)1 136.43 μg/g,比出發(fā)菌株提高了53.13%。

        2.6 突變菌株遺傳穩(wěn)定性分析

        用LB固體培養(yǎng)基分別將富硒量較高的突變菌株(BN- I214、BN- 41、BN- 44)傳代7代,將各代菌株制成種子液后接種到改良大豆蛋白胨液體培養(yǎng)基進(jìn)行富硒搖瓶發(fā)酵,測(cè)定富硒量,結(jié)果見圖6。

        圖6 突變菌株遺傳穩(wěn)定性Fig.6 Genetic stability of mutagenic strains

        由圖6可知,經(jīng)ARTP誘變的3株突變菌株經(jīng)傳代7代后富硒量沒有明顯的下降,均具有較好的遺傳穩(wěn)定性,其中BN- 44富硒量最高。因此,綜合考慮選擇BN- 44菌株作為最終篩選得到的納豆芽孢桿菌富硒誘變菌株。

        3 結(jié) 論

        實(shí)驗(yàn)通過對(duì)納豆芽孢桿菌BSN424生長(zhǎng)曲線的測(cè)定,確定適宜加硒時(shí)間為培養(yǎng)后第3小時(shí),培養(yǎng)時(shí)間為24 h;通過適宜硒質(zhì)量濃度的選擇,確定富硒培養(yǎng)過程中,培養(yǎng)基中適宜硒質(zhì)量濃度為6 μg/mL。研究表明ARTP誘變育種方法能有效地對(duì)納豆芽孢桿菌BSN424進(jìn)行誘變,適宜誘變時(shí)間為25 s,經(jīng)耐硒能力、富硒能力及富硒量的測(cè)定,篩選出一株富硒納豆芽孢桿菌BN- 44,富硒量為1 136.43 μg/g,相比出發(fā)菌株的742.12 μg/g提高了53.13%,具有較強(qiáng)的富硒能力。本實(shí)驗(yàn)以期為有機(jī)硒生物轉(zhuǎn)化法中尋找益生菌富硒載體及其誘變育種提供一定依據(jù),但突變菌株BN- 44富硒量提高的原理尚不清楚,有待進(jìn)一步的研究。

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