耿靜,韓秋霞,高文靜,肖麗嬌
(山東科技大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,山東 青島 266590)
生存于曬鹽場(chǎng)、鹽湖和鹽礦中的嗜鹽微生物,種類豐富,在產(chǎn)生結(jié)構(gòu)新穎且生物活性優(yōu)質(zhì)的天然化合物方面,因其所處的高滲透壓、缺氧等特殊的環(huán)境,具有得天獨(dú)厚的生理?xiàng)l件[1-3]。近年來(lái)的研究表明,嗜鹽微生物能夠分泌可以適應(yīng)于高鹽環(huán)境的蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶和纖維素酶等的代謝產(chǎn)物,這些代謝產(chǎn)物大多具有耐有機(jī)溶劑和耐鹽的特性,因此能夠在高鹽或低水活度條件下維持高活性和穩(wěn)定性[4]。在龐大的嗜鹽微生物群體中,中度嗜鹽菌作為極端微生物的一個(gè)重要的類群,不斷地被分離鑒定,研究發(fā)現(xiàn)其能夠在0.5~1.5 mol/L鹽度中擁有最佳生長(zhǎng)能力[5,6]。通過(guò)深入的研究,發(fā)現(xiàn)中度嗜鹽菌能抵抗外界高濃度的鹽環(huán)境,并能應(yīng)對(duì)鹽度大范圍的波動(dòng),因此,與極端嗜鹽菌相比,中度嗜鹽菌有分布廣泛、營(yíng)養(yǎng)要求較低、易于適應(yīng)環(huán)境、工業(yè)應(yīng)用價(jià)值高的優(yōu)勢(shì)[7,8]。蛋白酶在生命過(guò)程中承擔(dān)著重要的功能,也是一種重要的工業(yè)酶制劑,目前廣泛應(yīng)用于洗滌劑、食品、醫(yī)藥、制革、紡織及廢物處理等領(lǐng)域。然而,在高鹽或低水活度條件下,普通的蛋白酶會(huì)變性失活,因此,其在高鹽發(fā)酵食品或高鹽污水處理等特殊領(lǐng)域的應(yīng)用也受到了限制[9-11]。而嗜鹽菌所分泌的蛋白酶,因其特殊的性質(zhì),為其在特殊領(lǐng)域如高鹽發(fā)酵工業(yè)、洗滌和污水處理行業(yè)等的應(yīng)用提供了天然保障,拓寬了普通蛋白酶的催化和應(yīng)用范圍,在生物技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)有巨大的應(yīng)用價(jià)值。
相較于資源龐大的嗜鹽菌菌群,對(duì)嗜鹽菌蛋白酶資源的研究與利用還處于起步階段[12-14]。本研究取樣自山東濰坊昌邑某曬鹽場(chǎng)鹽濃度為21%的海鹽水中,通過(guò)初步的分離純化、生理生化鑒定以及分子生物學(xué)鑒定得到目標(biāo)菌株Salinivibriosp. MK070917;進(jìn)一步對(duì)菌株的生長(zhǎng)過(guò)程和產(chǎn)酶特性進(jìn)行探究,并在此基礎(chǔ)上,對(duì)菌株所產(chǎn)的胞外蛋白酶進(jìn)行酶學(xué)性質(zhì)的探究。
樣品為昌邑某鹽場(chǎng)濃度為21%海鹽水水平面下15 cm處水樣,4 ℃暫存。帶回后稀釋水樣并涂布,分離純化后,斜面保藏至冰箱。
1.2.1 主要試劑
干酪素、福林酚試劑、三氯乙酸、碳酸鈉、L-酪氨酸。
1.2.2 培養(yǎng)基
Gibbons液體培養(yǎng)基(GM,g/L):酪素水解物5 g,酵母浸出物10 g,蛋白胨5 g,檸檬酸鈉3 g,MgSO4·7H2O 20 g,KCl 2 g,NaCl 100 g。固體GM:添加2%的瓊脂。
篩選培養(yǎng)基:固體GM中添加1%脫脂奶粉。
按中華人民共和國(guó)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SB/T 10317-1999《蛋白酶活力測(cè)定法》,采用福林酚法,測(cè)定蛋白酶酶活[15]。
酶活定義:在一定溫度和pH值條件下,1 mL液體粗酶1 min水解酪素產(chǎn)生1 μg酪氨酸作為1個(gè)酶活單位,用U來(lái)表示。
1.4.1 菌株的初篩
純化后的菌株點(diǎn)種于篩選培養(yǎng)基上,37 ℃倒置培養(yǎng)3~5 d,觀察菌落周圍是否出現(xiàn)透明水解圈。
1.4.2 菌株的復(fù)篩
1.4.2.1 粗酶液的制備
純化后的菌株按2%(W/V)的比例接種至液體GM中,培養(yǎng)至72 h的菌液在8000 r/min、4 ℃的條件下離心10 min,取上清液進(jìn)行測(cè)試。
1.4.2.2 菌株的復(fù)篩(平板擴(kuò)散法)
脫脂牛奶-鹽-瓊脂擴(kuò)散平板法:制作牛奶-鹽-瓊脂固體平板并放置牛津小杯,做標(biāo)記;以空白GM做對(duì)照,未離心的菌液作為實(shí)驗(yàn)組1,粗酶液作為實(shí)驗(yàn)組2,分別加入到牛津小杯中,放入37 ℃培養(yǎng)箱中,放置12 h,觀察。
活化后的菌株委托生工生物工程(上海)股份有限公司進(jìn)行16S rDNA測(cè)序。
序列采用MEGA 7.0軟件中的鄰接法進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建。
1.6.1 菌株生長(zhǎng)條件
NaCl濃度設(shè)置為0%、5%、10%、15%、20%、25%;pH梯度為5.0,6.0,7.0,8.0,9.0,10.0;溫度梯度為25,30,25,40 ℃;金屬離子添加為Fe3+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Mn2+、Ca2+,終濃度為5 mmol/L。活化后的菌株按2%(W/V)的比例接種后于200 r/min震蕩培養(yǎng)72 h;每隔4 h取樣1次,制備粗酶液,測(cè)定蛋白酶酶活。
1.6.2 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用
以葡萄糖、淀粉、蔗糖、乳糖、糊精、麥芽糖和甘露醇為唯一碳源添加到GM中;以蛋白胨、脫脂牛奶、明膠、牛肉浸粉、胰蛋白胨、酪蛋白、酵母浸粉、酪素水解物、氯化銨、亞硝酸鈉和硝酸銨為唯一氮源添加到GM中,分別按2%(W/V)的比例接種,于200 r/min震蕩培養(yǎng)72 h,制備粗酶液,測(cè)定蛋白酶酶活。
對(duì)培養(yǎng)基的各組成部分進(jìn)行產(chǎn)酶的單因素試驗(yàn)探索,根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果,分別設(shè)置4個(gè)因素的最陡爬坡試驗(yàn),按照不同因素、不同水平的設(shè)置配制培養(yǎng)基,活化后的菌株按2%的比例接種,于200 r/min震蕩培養(yǎng)72 h,制備粗酶液,測(cè)定蛋白酶酶活。單因素試驗(yàn)設(shè)置分別為:碳源梯度0%、0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%、0.35%;氮源梯度0%、0.25%、0.5%、0.75%、1%、1.25%、1.5%、1.75%、2%;KCl添加終濃度0.5‰、1‰、1.5‰、2‰、2.5‰、3‰;檸檬酸鈉添加終濃度1‰、2‰、3‰、4‰、5‰、6‰。
根據(jù)單因素的試驗(yàn)結(jié)果以及Box-Behnken設(shè)計(jì)原則,4個(gè)因素分別以A(糊精)、B(蛋白胨)、C(KCl)和D(檸檬酸鈉)表示,以單因素試驗(yàn)結(jié)果的最佳條件作為中水平,即0水平,響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素和水平表見表1。
表1 菌株培養(yǎng)條件優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface experiments for optimization of strain culture conditions
生長(zhǎng)特性和產(chǎn)酶特性試驗(yàn)分別設(shè)置3組平行樣品,按照時(shí)間間隔分別取樣測(cè)定蛋白酶的酶活,取平均值,并繪制生長(zhǎng)特性和產(chǎn)酶曲線;營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)利用試驗(yàn)、單因素試驗(yàn)以及最陡爬坡試驗(yàn)測(cè)定3次,用SPSS 18.0進(jìn)行顯著性分析,顯著水平(P<0.05);響應(yīng)面結(jié)果根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
菌株MK070917在初篩平板上產(chǎn)生透明水解圈,說(shuō)明其具有產(chǎn)蛋白酶的能力,結(jié)果見圖1。復(fù)篩圖結(jié)果顯示,空白培養(yǎng)基的存在并不能讓篩選培養(yǎng)基產(chǎn)生透明水解圈,因此排除了空白培養(yǎng)基所帶來(lái)的誤差;而未離心的菌液和離心后的上清液均可以讓篩選培養(yǎng)基產(chǎn)生直徑大致相同的透明水解圈,證明菌株所產(chǎn)的蛋白酶為胞外蛋白酶。
圖1 菌株MK070917初篩和復(fù)篩結(jié)果Fig.1 Screening and rescreening results of strain MK070917
經(jīng)生工生物工程(上海)股份有限公司進(jìn)行16S rDNA測(cè)序后,返回的測(cè)序結(jié)果提交GenBank,并利用MAGE 7.0軟件中的鄰接法進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建,結(jié)果見圖2。MK070917菌株與Salinivibrio屬內(nèi)SalinivibriocosticolaS6的同源性為99%,系統(tǒng)發(fā)育分析歸為同種,結(jié)合形態(tài)學(xué)和生理生化特征, 確定其為Salinivibrio屬成員, 命名為Salinivibriosp. MK070917菌株。
圖2 菌株基于16S rDNA序列的系統(tǒng)發(fā)育分析Fig.2 Phylogenetic analysis of strain based on 16S rDNA sequence
圖3 菌株的生長(zhǎng)特性和產(chǎn)酶特性Fig.3 Growth characteristics and enzyme production characteristics of the strain
菌株的生長(zhǎng)條件測(cè)定見圖3。菌株可以在5%~15%的NaCl濃度范圍內(nèi)生長(zhǎng)并產(chǎn)蛋白酶,由圖3A可知,NaCl濃度為10%時(shí),該菌株的生長(zhǎng)和產(chǎn)酶能力最大,因此,判斷該菌株為中度嗜鹽菌,并選擇10%的NaCl濃度進(jìn)行下一步生長(zhǎng)條件的探索。由圖3B可知,pH 6.0~9.0之間菌株均可以生長(zhǎng)并產(chǎn)蛋白酶,pH為5.0和10.0時(shí),菌株無(wú)法生長(zhǎng)。pH為7.0時(shí),其產(chǎn)酶的酶活均高于其他pH條件,因此選擇pH 7.0為產(chǎn)酶的最適pH。由圖3C可知,菌株于25~40 ℃之間可以生長(zhǎng)和產(chǎn)蛋白酶。當(dāng)溫度為30 ℃時(shí),其產(chǎn)酶能力最強(qiáng),因此選擇30 ℃為產(chǎn)酶的最適培養(yǎng)溫度。由圖3D可知金屬離子的添加對(duì)菌株產(chǎn)酶的影響,F(xiàn)e3+、Ni2+、Ca2+、Mn2+和Co2+的添加沒(méi)有抑制菌株的產(chǎn)酶,但是其產(chǎn)酶開始的時(shí)間為42 h左右,說(shuō)明上述金屬離子的存在對(duì)于菌體前期的產(chǎn)酶具有一定的抑制作用,Cu2+和Zn2+的存在使得菌株無(wú)法正常生長(zhǎng),但是所有添加金屬離子的菌株的產(chǎn)酶能力相較于未添加金屬離子的原液都差。
菌株Salinivibriosp. MK070917可以利用多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)作為碳源和氮源,這與已報(bào)道的嗜鹽菌產(chǎn)蛋白酶的特點(diǎn)相吻合。由圖4A可知,糊精作為碳源添加時(shí),比原培養(yǎng)基中碳源酵母浸出物增加了0.25倍,也就是酶活增加了25%(P<0.05),增加顯著,但是甘露醇的添加使得菌株無(wú)法正常生長(zhǎng)。由圖4B可知,蛋白胨作為氮源添加時(shí),菌株所產(chǎn)蛋白酶表現(xiàn)出來(lái)的活性最高,其他氮源的添加并沒(méi)有顯著的提高菌株產(chǎn)蛋白酶的能力,明膠和亞硝酸鈉的添加甚至不能使菌株進(jìn)行正常生長(zhǎng)。胰蛋白胨作為氮源添加時(shí),是除蛋白胨作為氮源酶活最高的氮源添加,但是胰蛋白胨的添加使得蛋白酶的酶活顯著下降了33.3%(P<0.05)。因此選用麥芽糊精作為碳源替代GM中的酵母浸出物,氮源物質(zhì)仍為原來(lái)的蛋白胨。
圖4 菌株Salinivibrio sp. MK070917對(duì)碳源和氮源的利用Fig.4 Utilization of carbon sources and nitrogen sources by strain Salinivibrio sp. MK070917
針對(duì)單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)中對(duì)菌株產(chǎn)蛋白酶影響最顯著的4個(gè)因素進(jìn)行最陡爬坡試驗(yàn)的設(shè)計(jì),分別于各因素各水平條件下接種,培養(yǎng)72 h,測(cè)定粗酶液酶活,見圖5,依次為糊精(A)、蛋白胨(B)、KCl(C)和檸檬酸鈉(D)。糊精添加量1%時(shí),酶活達(dá)到最大,糊精添加量為2%時(shí),高濃度的糊精抑制了菌株的正常生長(zhǎng),產(chǎn)酶能力幾乎為0,糊精添加量為1.25%和0.75%時(shí),酶活變化顯著;蛋白胨作為最優(yōu)氮源,其最佳的添加量為1%,蛋白胨添加量為0.75%時(shí),酶活變化顯著,而蛋白胨添加量為1.5%時(shí),酶活變化不顯著;KCl的最佳添加量為1‰,KCl添加量為0.5‰和1.5‰時(shí),酶活變化顯著;而檸檬酸鈉的最佳添加量為2‰,此處為酶活最大值點(diǎn),檸檬酸鈉為1‰和3‰時(shí),酶活變化并不顯著。然而最優(yōu)發(fā)酵條件并不一定是各個(gè)單因素所得最佳條件的簡(jiǎn)單組合,需要在單因素基礎(chǔ)上進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)來(lái)確定最優(yōu)的發(fā)酵培養(yǎng)條件。響應(yīng)面試驗(yàn)各因素水平的選擇為:糊精添加量0.75%~1.25%,蛋白胨添加量0.75%~1.5%,KCl添加量為0.5‰~1.5‰,檸檬酸鈉為1%~3%;蛋白酶酶活作為響應(yīng)值。
圖5 產(chǎn)酶條件單因素試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Single factor test results of enzymeproduction conditions
以糊精(A)、蛋白胨(B)、KCl(C)和檸檬酸鈉(D)為試驗(yàn)因素,以蛋白酶酶活為評(píng)價(jià)指標(biāo),按照二次項(xiàng)回歸方程進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。
表2 Box-Benhken試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 2 Design and result of Box-Benhken experiment
根據(jù)表2的試驗(yàn)結(jié)果,通過(guò)響應(yīng)面軟件處理后確定回歸方程:酶活(U)=29.32-2.08A+0.58B+0.34C-1.83AB-1.33AC-0.38AD+0.63CD-2.45A2-2.00B2-1.85C2-1.96D2。
根據(jù)響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果,回歸模型的方差分析見表3。
表3 回歸模型方差分析和顯著性檢測(cè)Table 3 Variance analysis and significance detection of regression model
續(xù) 表
注:“***”為極顯著,“**”為較顯著,“*”為顯著。
由表3可知,本試驗(yàn)所得模型的P值為0.0076,說(shuō)明模型極顯著(P<0.01);模型失擬項(xiàng)的P值為0.3728,說(shuō)明模型失擬項(xiàng)不顯著(P>0.05)。一次項(xiàng)A和二次項(xiàng)A2、B2、D2對(duì)模型的影響極顯著(P<0.01);二次項(xiàng)C2對(duì)菌株產(chǎn)蛋白酶的影響顯著(P<0.05)。兩因子試驗(yàn),糊精和蛋白胨、KCl和糊精之間的交互作用顯著(P<0.05)。
圖6 響應(yīng)面設(shè)計(jì)兩因子交互作用曲面圖Fig.6 Surface diagrams of two-factor interaction in response surface design
根據(jù)軟件所做的響應(yīng)曲面圖見圖5,以蛋白酶的酶活為響應(yīng)值,糊精和蛋白胨的交互作用見圖6A,糊精和KCl濃度間的交互作用見圖6B,這2個(gè)曲面圖形的頂點(diǎn)落在中心位置左右,區(qū)域俯視圖趨近于橢圓形,說(shuō)明交互作用顯著;檸檬酸鈉和KCl濃度間的交互作用見圖6F,蛋白胨和檸檬酸鈉之間的交互作用見圖6E,蛋白胨和KCl濃度間的交互作用見圖6D,3個(gè)曲面圖形的曲線比較平穩(wěn),區(qū)域俯視圖趨近于圓形,說(shuō)明交互作用不顯著;糊精和檸檬酸鈉濃度間的交互作用見圖6C,曲面圖形的曲線較陡,區(qū)域俯視圖形也趨近于橢圓形,然而橢圓形區(qū)域并無(wú)實(shí)線,說(shuō)明交互作用并沒(méi)有體現(xiàn)在此模型中。
通過(guò)Design-Expert 8.0.5b軟件進(jìn)行培養(yǎng)條件的優(yōu)化,最優(yōu)培養(yǎng)條件為:以Gibbons培養(yǎng)基為基底,NaCl濃度為10%,pH為7.0,培養(yǎng)溫度為30 ℃,碳源為糊精,含量為0.66%;氮源為蛋白胨,含量為1.11%;KCl的含量為1.16‰;檸檬酸鈉的含量為2.10‰;根據(jù)響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果得出的最優(yōu)方案對(duì)培養(yǎng)基進(jìn)行配制,以此檢驗(yàn)響應(yīng)面法所得結(jié)果的可行性,經(jīng)過(guò)3次重復(fù)性試驗(yàn),最終蛋白酶酶活可到30.192 U,與預(yù)期值30.12 U相比,其差異為0.5%,結(jié)果表明該模型合理可靠,所優(yōu)化的最佳培養(yǎng)條件能夠被用于蛋白酶的高效產(chǎn)酶培養(yǎng)。
自鹽濃度21%的曬鹽場(chǎng)海鹽水中分離得到1株Salinivibrio屬的中度嗜鹽菌Salinivibriosp. MK070917,在適宜培養(yǎng)條件下可產(chǎn)胞外蛋白酶。
以Gibbons培養(yǎng)基為基底,對(duì)該菌株進(jìn)行分離純化后,進(jìn)行菌株產(chǎn)蛋白酶的篩選,在篩選培養(yǎng)基上產(chǎn)生較大的透明水解圈,說(shuō)明其具有較強(qiáng)的產(chǎn)蛋白酶能力;進(jìn)一步對(duì)菌株的生長(zhǎng)特性和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)利用進(jìn)行探究,得知菌株可以生長(zhǎng)并產(chǎn)酶于NaCl濃度為5%~10%、pH為6.0~9.0、溫度為25~45 ℃的條件下,并可以利用葡萄糖、淀粉、蔗糖、乳糖、酵母浸出物、糊精和麥芽糖為碳源,利用蛋白胨、脫脂牛奶、牛肉浸粉、酪素水解物、胰蛋白胨、酵母浸粉、酪蛋白、氯化銨和硝酸銨為氮源;并利用單因素法結(jié)合響應(yīng)面法優(yōu)化了該菌株產(chǎn)胞外蛋白酶的最適培養(yǎng)條件:碳源為糊精,含量為0.66%;氮源為蛋白胨,含量為1.11%,KCl的含量為1.16‰,檸檬酸鈉的含量為2.10‰。經(jīng)響應(yīng)面預(yù)測(cè)的最高產(chǎn)酶量為30.192 U,驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)酶量為30.18 U,與理論值相比差異為0.5%。
本文所研究的可產(chǎn)蛋白酶的中度嗜鹽菌菌株Salinivibriosp. MK070917經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后,其蛋白酶的酶活顯著提高,侯靖等人對(duì)嗜鹽菌株Halorussussp. XZYJ18產(chǎn)胞外蛋白酶的研究和高瑞昌等人對(duì)嗜鹽古菌Halobacteriaceaesp.產(chǎn)胞外蛋白酶的研究以及趙夢(mèng)琴對(duì)1株嗜鹽古菌產(chǎn)胞外蛋白酶的研究,對(duì)比發(fā)現(xiàn),Salinivibriosp. MK070917所產(chǎn)的胞外蛋白酶粗酶,在相同的測(cè)定條件下,酶活要更高一點(diǎn),開始產(chǎn)酶的時(shí)間也要更早一點(diǎn);Mohammad Ali Amoozegar等人對(duì)Salinivibriosp. AF-2004產(chǎn)胞外蛋白酶的優(yōu)化,對(duì)比發(fā)現(xiàn),作為同Salinivibrio屬的MK070917,其生長(zhǎng)條件除pH外基本一致,產(chǎn)酶開始的時(shí)間和產(chǎn)酶趨勢(shì)也相一致,但MK070917所產(chǎn)的胞外蛋白酶的酶活更高一點(diǎn),產(chǎn)酶條件也更溫和;Dian Siti S等人對(duì)中度嗜鹽菌PseudomonasstutzeriBK AB-12所產(chǎn)胞外蛋白酶的研究,對(duì)比發(fā)現(xiàn),Salinivibriosp. MK070917在產(chǎn)酶穩(wěn)定性上要更高。此外,菌株所產(chǎn)的胞外蛋白酶可以生長(zhǎng)于各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和含金屬離子的環(huán)境中,因此,其對(duì)于富含有機(jī)質(zhì)和金屬離子的高鹽廢水的處理具有現(xiàn)實(shí)意義和廣泛的應(yīng)用價(jià)值。菌株優(yōu)化得到的發(fā)酵條件較為溫和,使得其在工業(yè)生產(chǎn)中更利于大規(guī)模的操作,實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn),節(jié)能環(huán)保;優(yōu)化所得碳源為糊精,糊精價(jià)格更便宜,而且流動(dòng)性好,便于實(shí)現(xiàn)微生物生產(chǎn)中的恒化培養(yǎng),其他成分的優(yōu)化,極大地降低了培養(yǎng)基的成本,實(shí)現(xiàn)了培養(yǎng)基的最大化利用。