姚蔣龐,唐婧紅,肖 洋,李 祝,趙妗頤,孫 冉
(1.貴州大學(xué) 釀酒與食品工程學(xué)院,貴陽(yáng) 550025;2.貴州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,貴陽(yáng) 550025;3.貴州省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)院,貴陽(yáng) 550003)
黑曲霉(Aspergillusniger)是生物技術(shù)應(yīng)用中非常重要的微生物,具有代謝旺盛、生長(zhǎng)迅速、發(fā)酵周期短、無(wú)毒素產(chǎn)生、菌體和發(fā)酵產(chǎn)物不危害人畜健康,不影響環(huán)境等特點(diǎn)[1-2]。據(jù)研究報(bào)道,黑曲霉Y-1發(fā)酵液對(duì)西甜瓜細(xì)菌性果斑病有一定的防治效果[3],黑曲霉代謝產(chǎn)物在盆栽試驗(yàn)中對(duì)番茄根結(jié)線蟲(chóng)有良好的防治效果,且對(duì)水稻稻瘟病菌等真菌性病害和魔芋白絹病菌等細(xì)菌性病害均有較強(qiáng)的抑制作用,表現(xiàn)出較廣的抗菌譜[4-7]。李祝等[8-9]從土壤中分離出一株黑曲霉xj,研究其對(duì)細(xì)菌性根癌農(nóng)桿菌(Agrobacteriumtumefaciens)和常見(jiàn)病原真菌腐霉菌(Pythiumpringsheim)、西瓜炭疽病菌(Colletotrichumorbiculare)和桔青霉(Penicilliumcitrinum)等均有抑制作用。這些研究表明黑曲霉是一種抗菌能力強(qiáng)、應(yīng)用前景廣闊的生防菌。
水分散片劑(WDT)是一種新型環(huán)境友好、易于生產(chǎn)加工、又利于拮抗菌存活的具廣闊發(fā)展前景的農(nóng)藥劑型,水分散片劑型避免了粉劑在施用過(guò)程中粉塵飄移污染,定量不準(zhǔn)的缺點(diǎn)[10-11]。唐婧紅等[12-13]研制出黑曲霉孢子粉泡騰片劑且在盆栽試驗(yàn)中其對(duì)煙草的農(nóng)藝性狀有促進(jìn)作用及對(duì)煙草青枯病的防治效果達(dá)92.9%。李祝等[14]研究發(fā)現(xiàn)黑曲霉發(fā)酵液具有很好的拮抗青枯菌的活性、耐高溫,且在田間施用對(duì)病原菌起抑制作用等優(yōu)點(diǎn),但由于其液體的性質(zhì)不宜大量貯存運(yùn)輸,長(zhǎng)期貯存不當(dāng)會(huì)受到雜菌污染。
本研究以黑曲霉xj發(fā)酵浸膏為試驗(yàn)材料,通過(guò)單因素試驗(yàn)、Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)和中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)[15]對(duì)黑曲霉浸膏水分散片劑進(jìn)行制備工藝優(yōu)化,并探討黑曲霉浸膏水分散片劑對(duì)植株生長(zhǎng)及抗病防治的影響,為黑曲霉開(kāi)發(fā)為微生物農(nóng)藥奠定基礎(chǔ)。
黑曲霉(Aspergillusniger)xj:由貴州大學(xué)真菌資源研究所分離,中國(guó)典型培養(yǎng)物保藏中心保藏,CCTCC編號(hào) M206021;供試煙草品種為云煙87。
PDA 培養(yǎng)基:土豆 200 g,葡萄糖 20 g,蒸餾水1 000 mL,瓊脂 15~20 g;PDB 培養(yǎng)基:土豆 200 g,葡萄糖 20 g,蒸餾水 1 000 mL。
聚乙二醇6000(重慶茂業(yè)化學(xué)試劑有限公司);聚乙烯吡咯烷酮K30(上海藍(lán)季生物);酒石酸(上海盛思生化科技有限公司);碳酸氫鈉(天津市永大化學(xué)試劑有限公司);可溶性淀粉(河南圣斯德實(shí)業(yè)有限公司);多黏類芽孢桿菌可濕性粉劑(武漢科諾生物科技股份有限公司);SFY10液體發(fā)酵罐(江大科技有限責(zé)任公司);EYELA N-1100旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(上海愛(ài)朗儀器有限公司);BIOMATE 3S紫外分光光度計(jì)(美國(guó)Thermo Fisher公司);Allegra X-30R離心機(jī)(美國(guó)BECKMAN公司)。
取保存的黑曲霉xj菌株接種于PDA斜面培養(yǎng)基上,28 ℃培養(yǎng)7 d,制備最終濃度為107個(gè)/mL黑曲霉孢子懸浮液,按體積分?jǐn)?shù)2%的接種量接種于PDB培養(yǎng)基中,28 ℃、150 r/min恒溫?fù)u床培養(yǎng)48 h,制成種子液4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>
種子液按體積分?jǐn)?shù)10%轉(zhuǎn)接到裝有80 L沙氏液體培養(yǎng)基的發(fā)酵罐中,28 ℃、150 r/min、通氣量為1.5 L/min的條件下培養(yǎng)5 d終止發(fā)酵。過(guò)濾收集發(fā)酵液和菌絲體,得到的發(fā)酵液用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀于45 ℃左右減壓濃縮得到黑曲霉浸膏(含水率約為59%),4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>
1.2.2 黑曲霉浸膏水分散片劑(WDT)的制備工藝
將黑曲霉浸膏、酒石酸(崩解劑)、可溶性淀粉(填料)、聚乙二醇6000(潤(rùn)滑劑)和聚乙烯吡咯烷酮(黏結(jié)劑)混勻烘干,再加入碳酸氫鈉(崩解劑)粉碎混勻,壓片。
以黑曲霉浸膏水分散片劑崩解時(shí)間為指標(biāo),考察5個(gè)影響崩解時(shí)間的因素,得出單因素對(duì)崩解時(shí)間的變化規(guī)律,并確定5個(gè)單因素的最佳值。單因素試驗(yàn)采用固定參數(shù)分別為崩解劑比例1∶1、50%崩解劑、8%潤(rùn)滑劑、8%黏合劑、5%黑曲霉浸膏,因素變化范圍分別為酸堿比1∶0.5~1∶2.5、30%~80%崩解劑、1%~13%黏合劑、4%~14%潤(rùn)滑劑、1%~13%黑曲霉浸膏。
1.4.1 Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)
根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)黑曲霉浸膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)、崩解劑比例、崩解劑用量、潤(rùn)滑劑用量和黏合劑用量等5個(gè)因素進(jìn)行考察,每個(gè)因素選取高低2個(gè)水平,另設(shè)3個(gè)虛擬列,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)次數(shù)N=12的Plackett-Burman試驗(yàn)。
1.4.2 水分散粒劑最陡爬坡試驗(yàn)設(shè)計(jì)
根據(jù)1.4.1 Plackett-Burman試驗(yàn)結(jié)果和各種因素對(duì)響應(yīng)值的影響,設(shè)計(jì)最陡爬坡試驗(yàn)的方向和步長(zhǎng)。按照一定梯度改變浸膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)、崩解劑比例、崩解劑用量,通過(guò)測(cè)定崩解時(shí)間確定以上3個(gè)因素的最適添加量。
1.4.3 中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)
在前期試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上,根據(jù)響應(yīng)面法的中心組合試驗(yàn)(central composite design, CCD)設(shè)計(jì),選取浸膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)、崩解劑比例、崩解劑用量等3個(gè)因素,采用三因素五水平的響應(yīng)面分析方法,每個(gè)試驗(yàn)做3個(gè)重復(fù),測(cè)定崩解時(shí)間。試驗(yàn)因素和水平見(jiàn)表1。
表1 中心復(fù)合設(shè)計(jì)(CCD)響應(yīng)面設(shè)計(jì)的因素及水平編碼表
黑曲霉浸膏水分散片劑懸浮率測(cè)定按照GB/T 14825—2006進(jìn)行,pH值測(cè)定按照GB/T 1601—1993進(jìn)行檢測(cè);分別取制成的水分散片劑在室溫條件下貯存,每隔3個(gè)月測(cè)定樣品崩解時(shí)限、pH值和懸浮率,測(cè)定時(shí)長(zhǎng)為12個(gè)月,評(píng)估黑曲霉浸膏水分散片劑的貯藏穩(wěn)定性。
黑曲霉浸膏水分散片劑對(duì)煙草生長(zhǎng)試驗(yàn)于2019年3月至7月在畢節(jié)、金沙地區(qū)試驗(yàn)基地進(jìn)行,試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理如表2,每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)區(qū)組,以清水為對(duì)照。每區(qū)組60株煙株,行距1.2 m,株距0.5 m,隨機(jī)區(qū)組排列。在煙草旺長(zhǎng)期到田間取樣,參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 142—2010《煙草農(nóng)藝性狀調(diào)查方法》調(diào)查其葉片數(shù)、最大葉長(zhǎng)、葉寬、株高等農(nóng)藝性狀指標(biāo),并在煙草旺長(zhǎng)期采集葉片,進(jìn)行生理生化指標(biāo)檢測(cè)。煙草田間青枯病發(fā)病情況調(diào)查,參照GB/T 23222—2008《煙草病蟲(chóng)害分級(jí)及調(diào)查方法》,調(diào)查各處理的病情指數(shù),并計(jì)算相對(duì)防效。
表2 不同處理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)
以Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),采用Graphpad prism 5.0、Origin 17.0和SPSS Statistics 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,所有數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值。
黑曲霉浸膏水分散片劑在不同制備條件下崩解時(shí)間差異顯著(P<0.05),見(jiàn)圖1。崩解劑比例對(duì)水分散粒劑的崩解時(shí)間具有顯著影響,當(dāng)崩解比例為1∶2時(shí),崩解時(shí)間最短,且與其他比例比較差異顯著(P<0.05),見(jiàn)圖1(a)。崩解劑用量也具有顯著影響,當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí),崩解時(shí)間最短,其他處理組組間差異不顯著(P>0.05),見(jiàn)圖1(b)。黏合劑用量有顯著影響,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí),與其他處理組對(duì)比差異顯著(P<0.05),見(jiàn)圖1(c),且黏性好,干顆粒經(jīng)過(guò)手捻能粉碎成有粗糙感的細(xì)粉,崩解時(shí)間符合農(nóng)藥劑型質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)。潤(rùn)滑劑用量對(duì)水分散粒劑崩解時(shí)間具有顯著影響(P<0.05),見(jiàn)圖1(d),用量為6%時(shí),能在壓片中有效地改善顆?;蚍勰┑牧鲃?dòng)性,所得片劑的崩解時(shí)間最短,無(wú)黏沖現(xiàn)象。黑曲霉浸膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)水分散片劑崩解時(shí)間具有顯著影響,選取黑曲霉浸膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%,考慮到水分散片劑藥用使用效果,是在允許崩解時(shí)間內(nèi)的最佳添加量,且處理組間差異均顯著(P<0.05),見(jiàn)圖1(e)。
不同小寫(xiě)字母表示各組數(shù)據(jù)間差異顯著(P<0.05)。
2.1.2 Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)
表3、表4中A、B、C、D、E分別代表浸膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)、崩解劑比例、崩解劑用量、黏合劑用量、潤(rùn)滑劑用量等5個(gè)因素對(duì)應(yīng)的水平。5個(gè)因素中B、C 因素的可信度都大于90%以上,另外3個(gè)因素低于90%,綜合來(lái)看,各因素對(duì)黑曲霉浸膏WDT崩解時(shí)間影響的主次順序?yàn)镃>B>A>E>D。
表3 Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)表及其響應(yīng)值
表4 Plackett-Burman試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析
2.1.3 最陡爬坡試驗(yàn)
根據(jù)Plackett-Burman試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析,A、B、C因素相關(guān)系數(shù)為正,說(shuō)明其與崩解時(shí)間呈正相關(guān),根據(jù)上述結(jié)果,設(shè)計(jì)出最陡爬坡試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知,各因素在第6組試驗(yàn)附近取值時(shí),崩解時(shí)間最快,因此采用崩解劑比例0.45、36%崩解劑、10%浸膏為后續(xù)響應(yīng)面試驗(yàn)的中心點(diǎn)。
表5 最陡爬坡試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果
2.1.4 中心組合設(shè)計(jì)及響應(yīng)面分析結(jié)果
根據(jù)最陡爬坡試驗(yàn)的結(jié)果,選擇浸膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)(A)、崩解劑比例(B)、崩解劑用量(C)等3 個(gè)因素,利用中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)面分析方法,中心組合試驗(yàn)響應(yīng)值結(jié)果見(jiàn)表6。對(duì)其進(jìn)行多元回歸擬合分析得到響應(yīng)值與浸膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)(A)、崩解劑比例(B)、崩解劑用量(C)如多元二次回歸方程所示:
表6 中心復(fù)合設(shè)計(jì)(CCD)響應(yīng)面設(shè)計(jì)結(jié)果
Y=130.54+1.153A+2.215B+2.948C+0.35AB+1.10BC+0.90AC+11.264A2+10.892B2+9.549C2
由表7模型回歸系數(shù)方差分析可知,方程因變量與自變量之間的線性關(guān)系明顯,線性回歸系數(shù)值P<0.01,表現(xiàn)為顯著性;失擬項(xiàng)P=0.000>0.05,表現(xiàn)為不顯著性,表明實(shí)驗(yàn)?zāi)P蛿M合度較好,并且復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=97.69%,二次方程的擬合度高,自變量與響應(yīng)值之間線性關(guān)系顯著,說(shuō)明此模型預(yù)測(cè)結(jié)果比較準(zhǔn)確,能較準(zhǔn)確的分析和預(yù)測(cè)工藝條件。
表7 回歸方程的方差分析
2.1.5 各因素之間響應(yīng)面交互作用分析
響應(yīng)曲面圖及等高線圖直觀反映各因素及其之間的交互作用(圖2)。由響應(yīng)曲面可知,隨著制備條件中浸膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)、崩解劑比例、崩解劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的改變,響應(yīng)值均呈先降后升的趨勢(shì),由等高線圖可知三者均有最小值且在試驗(yàn)范圍內(nèi),通過(guò)對(duì)回歸方程求一階偏導(dǎo)數(shù)可得最佳值,即崩解劑比值為0.45 g,36%崩解劑,10%浸膏。利用優(yōu)化后的工藝進(jìn)行重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn),黑曲霉浸膏WDT崩解時(shí)間為130.2 s,與預(yù)測(cè)值136.7 s擬合度高,驗(yàn)證了基于響應(yīng)面法所得的優(yōu)化條件參數(shù)的可靠性,具有實(shí)用價(jià)值。
(a)黑曲霉浸膏添加量;(b)崩解劑比例;(c)崩解劑用量。
2.1.6 黑曲霉浸膏水分散片劑(WDT)的性能指標(biāo)測(cè)定
研制出的黑曲霉浸膏水分散片劑懸浮率為80.56%,pH 5.71,崩解時(shí)間為130.2 s,強(qiáng)度適中;黑曲霉浸膏水分散片劑在室溫下儲(chǔ)藏12個(gè)月,懸浮率為77.16%,pH 5.56,崩解時(shí)間為143.0 s,表明黑曲霉浸膏水分散片劑在常溫下長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存也可以保持較高穩(wěn)定性,各項(xiàng)指標(biāo)均符合農(nóng)藥劑型質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)。
由表8、表9可知,浸膏水分散片劑處理的煙草葉片數(shù)、葉長(zhǎng)、葉寬、莖圍和株高均與清水(CK)間存在顯著差異(P<0.05)。畢節(jié)地區(qū)施用浸膏水分散片劑后旺長(zhǎng)期的葉片數(shù)、葉長(zhǎng)、葉寬、莖圍、株高分別比對(duì)照增加68.35%、9.54%、23.37%、66.40%和5.80%;金沙地區(qū)施用黑曲霉浸膏水分散片劑的煙草旺長(zhǎng)期葉片數(shù)、葉長(zhǎng)、葉寬、莖圍、株高分別比對(duì)照增加89.83%、30.18%、29.38%、97.36%和16.30%。綜上,黑曲霉浸膏水分散片劑應(yīng)用于煙草有明顯的促生效果。
表8 畢節(jié)地區(qū)不同處理旺長(zhǎng)期農(nóng)藝性狀
表9 金沙地區(qū)不同處理旺長(zhǎng)期農(nóng)藝性狀
由表10 可知,試驗(yàn)結(jié)果表明施用黑曲霉浸膏水分散片劑對(duì)煙草青枯病的防治均有較好的效果,在清水+黑曲霉浸膏WDT處理時(shí),防治效果為39.97%和38.9%,而黑曲霉浸膏水分散片劑的防治效果分別達(dá)到50.06%和50%,結(jié)果表明,在煙草苗床時(shí)期開(kāi)始施用黑曲霉浸膏水分散片劑時(shí)達(dá)到的防治效果更好。
表10 不同處理對(duì)煙草青枯病的田間防治效果
近年來(lái),生物菌劑加工技術(shù)的改進(jìn)與創(chuàng)新是農(nóng)藥發(fā)展重要的方面,傳統(tǒng)生物菌劑劑型主要是乳油、可濕性粉劑和粉劑,其含有苯類有機(jī)溶劑及粉塵,對(duì)環(huán)境和人員造成了嚴(yán)重的污染和危害,而且田間試驗(yàn)性狀表現(xiàn)極不穩(wěn)定,隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)環(huán)保越來(lái)越重視,傳統(tǒng)生物菌劑劑型對(duì)環(huán)境存在一些不容忽視的影響[16-17]。農(nóng)藥水分散片劑是一種較新穎的劑型,由原藥、適宜的助劑和填料混合均勻造粒所形成的[18],與傳統(tǒng)的劑型相比,解決了田間條件下可濕性粉劑的接觸和呼吸毒性、粉劑使用時(shí)粉塵飛揚(yáng)的危害和乳油易燃問(wèn)題和使用時(shí)芳烴溶劑對(duì)皮膚的接觸毒性問(wèn)題;且具有運(yùn)輸、使用方便,易計(jì)量且崩解快等優(yōu)點(diǎn),以環(huán)境友好性、工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)設(shè)備投資費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì),在生產(chǎn)上具有廣泛的應(yīng)用前景[10]。水分散片劑的貯存穩(wěn)定性直接影響其產(chǎn)品質(zhì)量與應(yīng)用效果,選擇合適助劑可以提高微生物菌劑的崩解速度和貯存穩(wěn)定[19]。馬超等[20]利用干法壓片工藝研制出21%丙草胺·二氯喹啉酸·芐嘧磺隆除草劑,入水具有優(yōu)異的崩解分散性能,篩選出其崩解劑比例為0.6;楊景涵等[21]采用直接壓片法研制10%甲氨基阿維菌素苯甲酸鹽殺蟲(chóng)劑,崩解時(shí)間短、硬度大和表面光滑,篩選出聚乙烯吡咯烷酮黏合劑6%,聚乙二醇6000 潤(rùn)滑劑6%。王小兵等[22]研制出復(fù)合芽孢桿菌水分散粒劑,具有優(yōu)異的分散性能及有效防治辣椒青枯??;Wiwattanapatapee等[23]將聚乙烯吡咯酮、檸檬酸、酒石酸和碳酸氫鈉組合制備得到芽孢桿菌泡騰劑,崩解性能優(yōu)異。在我國(guó),劑型的研究主要集中于化學(xué)農(nóng)藥的制備,而真菌微生物農(nóng)藥劑型的報(bào)道較少,本研究通過(guò)對(duì)黑曲霉浸膏水分散片劑的工藝優(yōu)化,在崩解劑比值0.45、36%崩解劑、2%黏合劑、6%潤(rùn)滑劑條件下制備得到的10%黑曲霉浸膏水分散片劑,其外觀整齊、表面光滑,懸浮率80.56%,pH 5.71,崩解時(shí)間為130.2 s。且該制劑生產(chǎn)成本低,使用方便,為黑曲霉農(nóng)藥開(kāi)發(fā)的產(chǎn)業(yè)化奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
通過(guò)使用微生物大量生命活動(dòng)的產(chǎn)物或有效活性成分,生物菌劑可改善作物營(yíng)養(yǎng)條件和生長(zhǎng)環(huán)境,促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育,抵抗病蟲(chóng)危害,提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)[24-25]。宋志偉等[26]報(bào)道微生物制劑顯著提高草莓促生、增產(chǎn)作用;微生物菌劑施用能改善土壤性質(zhì)、防治病害及促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育,提高其株高,增加單株葉片數(shù)、維生素C含量和產(chǎn)量[27-29]。本研究黑曲霉浸膏水分散片劑的施用,對(duì)煙草植株的葉片數(shù)、葉長(zhǎng)、葉寬、莖圍和株高都有明顯的促進(jìn)作用,畢節(jié)地區(qū)施用浸膏水分散片劑后旺長(zhǎng)期的葉片數(shù)、葉長(zhǎng)、葉寬、莖圍、株高分別比對(duì)照增加68.35%、9.54%、23.37%、66.40%和5.80%;金沙地區(qū)施用黑曲霉浸膏水分散片劑的煙草旺長(zhǎng)期葉片數(shù)、葉長(zhǎng)、葉寬、莖圍、株高分別比對(duì)照增加89.83%、30.18%、29.38%、97.36%和16.30%。在大田試驗(yàn)中,研究發(fā)現(xiàn)黑曲霉浸膏水分散片劑對(duì)煙草青枯病的防治效果達(dá)到50%以上,且有良好的抗病促生效果,且該制劑生產(chǎn)成本低,使用方便,為微生物菌劑的產(chǎn)業(yè)化奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。