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        解淀粉芽孢桿菌高產(chǎn)纖維素酶菌株的篩選與鑒定

        2020-10-31 06:53:50何深宏程方俊杜亞楠康霞梅王曉涵趙自亮任紹科郭建華
        關(guān)鍵詞:初篩牛糞芽孢

        何深宏,程方俊,羅 干,張 耕,杜亞楠,康霞梅,王曉涵,趙自亮,任紹科,郭建華

        (西南大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院,重慶 402460)

        0 引言

        【研究意義】隨著我國(guó)養(yǎng)牛業(yè)迅速發(fā)展,傳統(tǒng)分散式養(yǎng)殖模式正逐漸被集約化養(yǎng)殖模式所代替。集約化養(yǎng)殖過(guò)程中產(chǎn)生的大量糞污對(duì)環(huán)境造成了巨大危害,并且隨著我國(guó)環(huán)境保護(hù)力度的不斷加大,牛糞的無(wú)害化處理已成為限制我國(guó)養(yǎng)牛業(yè)發(fā)展的重要因素[1]。牛糞由于纖維素、木質(zhì)素等難降解物質(zhì)含量高、發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)等原因,導(dǎo)致其開(kāi)發(fā)利用受到嚴(yán)重制約[2-3]。目前,我國(guó)牛糞無(wú)害化處理的主要方法包括生態(tài)還田法、沼氣發(fā)酵法、堆肥化技術(shù)、墊料回用模式等,但由于土地資源、經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和安全性等因素,生態(tài)還田、沼氣發(fā)酵、墊料回用模式等方法未能得到廣泛應(yīng)用[4]。近年來(lái),堆肥化技術(shù)因其成本投入較低、肥效較高、安全、易于推廣等優(yōu)點(diǎn),逐漸成為人們無(wú)害化處理牛糞的首要選擇?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】堆肥化技術(shù)的主要原理是利用高產(chǎn)纖維素酶微生物對(duì)牛糞中纖維素的降解作用[5]。有關(guān)研究表明,從環(huán)境中分離得到的降解纖維素的微生物主要包括細(xì)菌、真菌和放線菌,其中真菌的降解能力較強(qiáng),以木霉菌[6]和曲霉菌[7]產(chǎn)生和分泌的纖維素酶系最全面,效果也最佳。細(xì)菌降解纖維素的能力與真菌相比雖然稍遜一籌,但其具有繁殖速度快、培養(yǎng)條件簡(jiǎn)單、發(fā)酵周期短等特點(diǎn)。劉宇等[8]從玉米青貯飼料樣品中篩選獲得一株具有一定產(chǎn)纖維素酶能力的解淀粉芽孢桿菌。崔海洋等[9]從土壤中分離得到一株解淀粉芽孢桿菌,其羧甲基纖維素酶最高可達(dá)307.23 U·mL-1。劉鎖珠等[10]從藏豬糞便中分離得到一株可高效降解纖維素的解淀粉芽孢桿菌?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】堆肥牛糞中具有較多能夠降解纖維素的細(xì)菌,從牛糞堆肥樣品中分離篩選纖維素酶活性高、繁殖速度快、培養(yǎng)條件簡(jiǎn)單的降解纖維素優(yōu)勢(shì)細(xì)菌對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有重要意義?!緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究以重慶三峽庫(kù)區(qū)3 個(gè)牛糞堆肥廠的牛糞為研究對(duì)象,采用10 倍稀釋法和平板劃線相結(jié)合的方式分離純化微生物,利用水解圈法作為初篩和羧甲基纖維素(Carboxymethyl cellulose, CMC)酶糖化力法作為復(fù)篩,以分離篩選出適合該地區(qū)地理氣候條件的高效分解牛糞中纖維素的微生物,并且通過(guò)菌株形態(tài)特征觀察、生理生化和分子生物學(xué)方法鑒定其種屬,為重慶三峽庫(kù)區(qū)牛糞的快速無(wú)害化降解提供優(yōu)勢(shì)菌種資源。

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        1.1.1 試驗(yàn)樣品 采用五點(diǎn)采樣法分別從重慶三峽庫(kù)區(qū)3 個(gè)牛糞堆肥廠采集發(fā)酵第5 d、第15 d、第25 d、第35 d、第45 d 牛糞樣品,放入冰盒后立即送回實(shí)驗(yàn)室,4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

        1.1.2 培養(yǎng)基 羧甲基纖維素鈉培養(yǎng)基:羧甲基纖維素鈉5.0 g,硝酸鉀1.0 g,磷酸氫二鈉1.2 g,磷酸二氫鉀0.9 g,硫酸鎂0.5 g,氯化鉀0.5 g,酵母浸出粉0.5 g,酸水解酪蛋白0.5 g,瓊脂15.0 g,蒸餾水1 000 mL,pH 6.9~7.1[11]。

        發(fā)酵培養(yǎng)基:羧甲基纖維素鈉5.0 g,氯化鈉5.0 g,牛肉膏5.0 g,蛋白胨10.0 g,蒸餾水1 000 mL,pH 6.9~7.1[11]。

        1.1.3 主要試劑 細(xì)菌基因組DNA 提取試劑盒購(gòu)于大連寶生物有限公司;細(xì)菌生化鑒定管購(gòu)于杭州濱和微生物試劑有限公司;瓊脂糖購(gòu)于生工生物工程(上海)股份有限公司;LB 培養(yǎng)基購(gòu)于賽默飛世爾科技(中國(guó))有限公司;普通營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基購(gòu)于青島海博生物技術(shù)有限公司。

        1.2 試驗(yàn)方法

        1.2.1 菌株分離純化 稱取1 g 樣品懸浮于99 mL 無(wú)菌蒸餾水中,充分混合均勻。采用10 倍稀釋法將樣品稀釋成10-4、10-5、10-6等3 個(gè)濃度梯度,吸取各濃度梯度稀釋液200 μL 分別涂布于CMC 培養(yǎng)基,37 ℃恒溫培養(yǎng)24 h。挑取生長(zhǎng)良好的單菌落進(jìn)行純化培養(yǎng),直至得到純培養(yǎng)物。

        1.2.2 產(chǎn)纖維素酶菌株初篩 參照文獻(xiàn)[12],采用水解圈法進(jìn)行初篩。將純培養(yǎng)物37 ℃、160 r·min-1恒溫震蕩培養(yǎng)16 h 并通過(guò)麥?zhǔn)媳葷岱▽⒓兣囵B(yǎng)物混懸液稀釋到0.5 個(gè)麥?zhǔn)蠞舛群螅?0 μL 純培養(yǎng)物混懸液點(diǎn)種于CMC 培養(yǎng)基并置于37 ℃恒溫培養(yǎng)4 d 后,采用0.2%剛果紅染色30 min,用蒸餾水和生理鹽水洗凈染液,再用5%的醋酸固定顏色。每種純培養(yǎng)物進(jìn)行3 次重復(fù)試驗(yàn)。用游標(biāo)卡尺測(cè)量純培養(yǎng)物菌落直徑(d)與水解圈直徑(D),根據(jù)水解圈直徑和純培養(yǎng)物菌落直徑比值(D/d)篩選出比值大的純培養(yǎng)物進(jìn)行復(fù)篩。

        1.2.3 菌株16S rRNA 基因鑒定 以復(fù)篩所得純培養(yǎng)物DNA 為模板,16S rRNA 基因通用引物(購(gòu)于武漢金開(kāi)瑞生物工程有限公司)進(jìn)行PCR 擴(kuò)增。反應(yīng)體系為:上下游引物各2 μL(0.5 μmol·L-1)、模板DNA 1 μL(100 ng)、ddH2O 20 μL、2×Premix Taq 25 μL。反應(yīng)程序?yàn)椋?4 ℃預(yù)變性2 min;94 ℃變性1 min,60 ℃退火1 min,72 ℃延伸2 min,共35 個(gè)循環(huán);72 ℃延伸10 min。取PCR 擴(kuò)增產(chǎn)物5 μL 進(jìn)行1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),將擴(kuò)增所得產(chǎn)物切膠回收送重慶擎科生物公司測(cè)序。將測(cè)序結(jié)果通過(guò)生物信息學(xué)軟件MEGA6.0 進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)的構(gòu)建。

        1.2.4 菌株復(fù)篩 參考DB33/T459-2003 標(biāo)準(zhǔn),采用CMC 酶糖化力法進(jìn)行測(cè)定。將純培養(yǎng)物接種于LB液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)16 h 后,按5%的接種量接種于發(fā)酵培養(yǎng)基中,37 ℃、160 r·min-1恒溫震蕩培養(yǎng)48 h。將培養(yǎng)后菌液置于4 ℃、4 000 r·min-1離心20 min,取上清液(即待測(cè)粗酶液)。

        取4 支刻度試管(1 支為空白管,3 支為樣品管),分別向4 支試管中準(zhǔn)確加入0.5 mL 待測(cè)粗酶液(空白管加入粗酶液后沸水浴10 min)。向待測(cè)粗酶液樣品管中加入1% CMC 溶液1.5 mL 和向空白管中加入3, 5-二硝基水楊酸(DNS)試劑3 mL,(40±0.2)℃準(zhǔn)確水浴反應(yīng)10 min 后取出,迅速向待測(cè)樣品管中加入DNS 試劑3 mL、空白管中加入1% CMC溶液1.5 mL,混勻。沸水浴反應(yīng)5 min,取出流水迅速冷卻至室溫后,向各試管中加入10 mL 蒸餾水,混勻。以空白管調(diào)分光光度計(jì)零點(diǎn),在波長(zhǎng)540 nm處測(cè)定各待測(cè)樣品酶液吸光度,計(jì)算酶活。纖維素酶活力定義為在1 min 內(nèi)水解羧甲基纖維素鈉底物,產(chǎn)生相當(dāng)于1 μg 葡萄糖的酶量即為1 個(gè)酶活力單位,每個(gè)樣品做3 次重復(fù)試驗(yàn)。

        1.2.5 菌株形態(tài)學(xué)觀察及生化鑒定 菌體形態(tài)學(xué)及生理生化鑒定參照《伯杰細(xì)菌鑒定手冊(cè)》[13]和《常見(jiàn)細(xì)菌系統(tǒng)鑒定手冊(cè)》[14]進(jìn)行鑒定。無(wú)菌條件下將復(fù)篩所得純培養(yǎng)物接種于普通營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基中,37℃恒溫培養(yǎng)24 h。挑取單個(gè)菌落進(jìn)行革蘭氏染色并且將純培養(yǎng)物接種于生化反應(yīng)管中,置于37 ℃恒溫培養(yǎng)24 h 后觀察記錄結(jié)果。

        1.2.6 菌株多重PCR 鑒定 參考Cao F M[15]種特異性引物(由重慶擎科興業(yè)生物技術(shù)有限公司合成,具體引物序列見(jiàn)表1)。多重PCR 反應(yīng)體系為:引物BSL72、BSR328、L100、R836、L168、R514、R 674 各0.8 μL(0.5 μmol·L-1)、引物L(fēng)354 為1.2 μL(0.5 μmol·L-1)、模 板DNA 1 μL(100 ng)、ddH2O 2.2 μL、2×Premix Taq 10 μL。反應(yīng)程序:94℃預(yù)變性3 min;94 ℃變性40 s,61.7 ℃退火40 s,72 ℃延伸25 s,共30 個(gè)循環(huán);72 ℃延伸10 min[15]。將PCR 擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)。

        表1 種特異性引物Table 1 Species specific primers

        2 結(jié)果與分析

        2.1 產(chǎn)纖維素酶菌株的分離純化與初篩結(jié)果

        采用10 倍梯度稀釋法與平板劃線相結(jié)合,共分離純化得到57 株純培養(yǎng)物。通過(guò)點(diǎn)種于CMC 培養(yǎng)基培養(yǎng),進(jìn)行剛果紅染色、醋酸固定后測(cè)量水解圈直徑(D)與純培養(yǎng)物菌落直徑(d),共篩選出10株水解圈直徑與菌落直徑比值大于3 的菌株(表2)。水解圈直徑與菌落直徑的比值越大,表明菌株產(chǎn)纖維素酶能力越強(qiáng),降解纖維素能力越強(qiáng)[16]。

        表2 水解圈直徑與菌落直徑Table 2 Hydrolysis circle and colony diameter tests

        2.2 菌株16S rRNA 基因鑒定及系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)構(gòu)建

        分別提取初篩所得10 株菌株DNA 進(jìn)行16S rRNA基因PCR 擴(kuò)增,1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)獲得10 條約1 500 bp 目的條帶,與預(yù)期結(jié)果一致。將測(cè)序所得序列分別在NCBI 上進(jìn)行BLAST 比對(duì),結(jié)果顯示菌株LP5 與賴氨酸芽孢桿菌屬(Lysinibacillus sp.)16S rRNA 基因序列相似性最高,為99.86%,其屬于賴氨酸芽孢桿菌屬;其余9 株菌株與已知芽孢桿菌屬(Bacillus sp.)16S rRNA 基因序列相似性均在98%以上,為芽孢桿菌屬,其中菌株X10 的16S rRNA 基因序列與解淀粉芽孢桿菌(Bacillus amyloliquefaciens,MH934926.1)的相似性最高,相似性高達(dá)99.93%。

        采用Neighbor-Joining(NJ)法,利用生物信息學(xué)軟件MEGA6.0 對(duì)10 株菌株16S rRNA 基因進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)的構(gòu)建,結(jié)果見(jiàn)圖1?;?6S rRNA 基因系統(tǒng)發(fā)育分析結(jié)果顯示,菌株X10 與解淀粉芽孢桿菌(KF689544.1、JX907998.1、MH934926.1 等)位于同一簇內(nèi),相似性最高。

        圖1 基于16S rRNA 基因序列構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)Fig.1 Phylogenetic tree based on 16S rRNA gene sequence

        2.3 初篩所得10 株菌株的復(fù)篩結(jié)果

        將初篩得到的10 株菌株進(jìn)行酶活測(cè)定,結(jié)果顯示,菌株X10 的CMC 酶活力最高,為31.9 U·mL-1(表3)。

        2.4 高產(chǎn)纖維素酶菌株X10 形態(tài)學(xué)觀察及水解圈結(jié)果

        高產(chǎn)纖維素酶菌株X10 在普通營(yíng)養(yǎng)瓊脂平板上培養(yǎng)24 h 后,形成白色、凸起、表面褶皺無(wú)光澤、濕潤(rùn)、黏稠、不透明、直徑3~4 mm 圓形的菌落(圖2);革蘭氏染色鏡檢為革蘭氏陽(yáng)性菌,菌體呈短桿狀,芽孢中生或端生、孢囊不膨大(圖3);菌株X10 水解圈見(jiàn)圖4。

        2.5 高產(chǎn)纖維素酶菌株X10 生化鑒定結(jié)果

        高產(chǎn)纖維素酶菌株X10 生化試驗(yàn)結(jié)果由表4 可知,高產(chǎn)纖維素酶菌株X10 七葉苷、VP 試驗(yàn)、水楊酸試驗(yàn)為陽(yáng)性,發(fā)酵葡萄糖、蔗糖、不發(fā)酵乳糖、麥芽糖、甘露醇、MR(甲基紅)、硫化氫、靛基質(zhì)試驗(yàn)為陰性,符合解淀粉芽孢桿菌生理生化特性[13-14]。

        表3 CMC 酶活測(cè)定結(jié)果Table 3 CMC enzyme activity assay results

        圖2 菌株X10 普通營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基上的生長(zhǎng)特性Fig.2 Growth of strain X10 on general nutrient agar medium

        圖3 菌株X10 革蘭氏染色(10×100 倍)Fig.3 Gram stained strain X10(10×100 times)

        圖4 菌株X10 纖維素酶水解圈Fig.4 Cellulase hydrolysis circle by strain X10

        2.6 高產(chǎn)纖維素酶菌株X10 多重PCR 擴(kuò)增結(jié)果

        提取菌株X10 基因組進(jìn)行多重PCR 擴(kuò)增。2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),獲得大小約736 bp 目的條帶,目的條帶基因片段大小與預(yù)期片段大小一致(圖5)。

        表4 高產(chǎn)纖維素酶菌株X10 生化鑒定結(jié)果Table 4 Biochemical identification of cellulase-producing strain X10

        圖5 高產(chǎn)纖維素酶菌株X10 多重PCR 擴(kuò)增結(jié)果Fig.5 Multiplex PCR amplifications of cellulase-producing strain X10

        3 討論

        牛糞發(fā)酵過(guò)程中優(yōu)勢(shì)菌株具有一定的地理氣候差異性。本研究從重慶三峽庫(kù)區(qū)3 個(gè)牛糞堆肥廠樣品中共分離得到57 株細(xì)菌,其中菌株X10 纖維素酶活最高,達(dá)31.9 U·mL-1。通過(guò)菌株形態(tài)特征觀察、生理生化試驗(yàn)和16S rRNA 基因鑒定,確定菌株X10 為芽孢桿菌屬細(xì)菌,革蘭氏染色陽(yáng)性。由于16S rRNA 基因鑒定方法只能確定到該菌所在的屬,無(wú)法精確到該菌的種。本研究利用Cao F M[15]學(xué)者于2008年建立的用于快速鑒定解淀粉芽孢桿菌(Bacillus amyloliquefaciens)、枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)、地衣芽孢桿菌(Bacillus licheniformis)和短小芽孢桿菌(Bacillus pumilus)的多重PCR 方法對(duì)分離菌株X10 進(jìn)行多重PCR 鑒定,最終確定菌株X10 為解淀粉芽孢桿菌(Bacillus amyloliquefaciens)。

        纖維素酶是一種復(fù)合酶,主要包括內(nèi)切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶。內(nèi)切葡聚糖酶能夠切割纖維素中β-1,4 糖苷鍵并且具有碳水化合物的結(jié)合位點(diǎn),因此被認(rèn)為是主要的纖維素酶[17]。近些年來(lái)對(duì)產(chǎn)纖維素酶微生物的研究報(bào)道越來(lái)越多。楊麗娜等[18]從腐爛秸稈和腐木分離篩選得到一株產(chǎn)耐熱性纖維素酶菌株NP29,其纖維素酶活為1.8 U·mL-1。姜軍坡等[19]以CMC 酶活力為指標(biāo),對(duì)解淀粉芽孢桿菌Tu-ll5 菌株產(chǎn)纖維素酶液體發(fā)酵條件進(jìn)行優(yōu)化,酶活力達(dá)到(18.43±0.91)U·mL-1,比優(yōu)化前提高了26.5 倍。黃玉蘭等[20]從若爾蓋高寒濕地土壤中篩選出一株纖維素酶高產(chǎn)菌株XW-1,CMC 酶活達(dá)到15.6 U·mL-1。王凱等[21]從140 株芽胞桿菌中篩選出一株具有較高纖維素酶活力的解淀粉芽胞桿菌FJAT-8 754,該菌株初始的纖維素酶活力為15.69 U·mL-1,經(jīng)均勻設(shè)計(jì)法優(yōu)化后纖維素酶活力高達(dá)202.9 U·mL-1。本研究通過(guò)水解圈法和CMC 酶糖化力法對(duì)分離菌株進(jìn)行纖維素酶活性初篩和復(fù)篩,最終獲得一株CMC 酶活達(dá)31.9 U·mL-1的解淀粉芽孢桿菌X10,與上述學(xué)者分離所得的產(chǎn)纖維素酶菌株相比處于較高水平,其具有較好的產(chǎn)纖維素酶菌株初始條件,有望在纖維素酶活力優(yōu)化的進(jìn)一步研究中發(fā)揮積極作用。

        不同地理氣候特征和來(lái)源的產(chǎn)纖維素酶解淀粉芽孢桿菌具有一定差異性。重慶三峽庫(kù)區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,并具有河谷氣候特點(diǎn)為夏季高溫、降水充沛,與長(zhǎng)江以南同緯度或緯度偏低的臨近地區(qū)相比,具有明顯的熱量?jī)?yōu)勢(shì)[22]。本研究從重慶三峽庫(kù)區(qū)3 個(gè)牛糞堆肥發(fā)酵場(chǎng)不同發(fā)酵時(shí)期的樣品中共分離得到57 株細(xì)菌,并篩選出1 株纖維素酶活力較高的解淀粉芽孢桿菌X10。解淀粉芽孢桿菌X10 在重慶三峽庫(kù)區(qū)高效降解纖維素菌劑的研發(fā)方面具有積極作用,同時(shí)有望為該地區(qū)牛糞的快速無(wú)害化降解提供優(yōu)勢(shì)菌種資源。

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