王 晶,劉 茗,馮歌林,方 偉,高 競,梁辰飛,秦 華,陳俊輝,徐秋芳
(1.浙江農(nóng)林大學(xué) 浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州311300;2.浙江農(nóng)林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,浙江杭州311300)
芽孢桿菌Bacillus是一類產(chǎn)生耐熱、耐旱,并且抗紫外線和有機(jī)溶劑的好氧細(xì)菌[1],具有在不同環(huán)境下定殖與繁殖的能力[2],同時(shí)具備抵抗真菌和病原細(xì)菌等方面的優(yōu)點(diǎn)[2-3]。芽孢桿菌是一種理想的生防菌,所產(chǎn)生的拮抗物質(zhì)主要有抗生素、細(xì)菌素、細(xì)胞壁降解酶、其他抗菌蛋白及揮發(fā)性等物質(zhì)[4],其中脂肽類抗生素是一大類重要的拮抗物質(zhì)[5]。脂肽類抗生素理化性質(zhì)穩(wěn)定,對(duì)高溫、強(qiáng)酸和弱堿具有一定的耐受能力[6],對(duì)胰蛋白酶、蛋白酶K等多種蛋白酶不敏感[7],表明它是一類穩(wěn)定態(tài)物質(zhì)。同時(shí)脂肽類抗生素可以殺滅病原細(xì)菌、真菌和病毒,是一類抑制腫瘤生長的生物活性物質(zhì)[8],成為芽孢桿菌拮抗物質(zhì)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。因此,獲得高產(chǎn)量的脂肽類抗生素是目前開發(fā)芽孢桿菌的主要目的,芽孢桿菌的代謝活動(dòng)受到多種因素影響,如培養(yǎng)基、初始pH值、溫度、接種量、發(fā)酵時(shí)間、通氣量以及發(fā)酵工藝等[9]。探索高產(chǎn)量脂肽物質(zhì)的最佳發(fā)酵條件需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn),通過對(duì)不同溫度、pH值、接種量、通氣等條件的試驗(yàn)得到優(yōu)化組合。目前,主要應(yīng)用重量法和液相色譜法來衡量脂肽類產(chǎn)量高低。而脂肽類物質(zhì)定量分析前需要把該物質(zhì)從發(fā)酵液中分離出來,有酸沉降法、超濾法、色譜法、液膜分離法、泡沫分離法、吸附法以及雙水相法等分離方法[10],其中酸沉降法(濃鹽酸沉淀法)使用最廣。芽孢桿菌代謝產(chǎn)生的脂肽類物質(zhì)產(chǎn)量較低,大部分低于1000 mg·L-1,有的甚至不足100 mg·L-1[11]。重量法靈敏度較低,需要從較大量的發(fā)酵液中分離脂肽類物質(zhì),菌體分離(培養(yǎng)結(jié)束)和脂肽物質(zhì)分離(酸沉降后)都需要進(jìn)行離心,多因素探索優(yōu)化條件時(shí)離心的工作量非常大。液相色譜法雖然靈敏度和準(zhǔn)確度均較高,但需要昂貴的液相色譜儀器,色譜測定條件的摸索也費(fèi)時(shí)費(fèi)工,并且需要有標(biāo)準(zhǔn)樣品才能進(jìn)行絕對(duì)定量,而目前市場上除了表面活性素(surfactin)外沒有商品化的標(biāo)準(zhǔn)樣品。在優(yōu)化條件時(shí),不需要很高絕對(duì)產(chǎn)量的準(zhǔn)確度,主要是比較不同培養(yǎng)條件脂肽物質(zhì)產(chǎn)量相對(duì)高低。因此,簡單、快捷的產(chǎn)量評(píng)測方法可提高工作效率。本研究試圖通過測定不同初始pH值的培養(yǎng)基、發(fā)酵液酸沉降前后有機(jī)碳總量,計(jì)算沉降前后有機(jī)碳的差值,來推算發(fā)酵液中脂肽類粗提物含量,探索一種簡單、快捷評(píng)價(jià)脂肽類物質(zhì)產(chǎn)量的方法。同時(shí)通過測定培養(yǎng)基、含菌體發(fā)酵液以及去菌體發(fā)酵液的有機(jī)碳含量,來評(píng)價(jià)碳的利用效率。雖然獲得脂肽類物質(zhì)是酵液的最終目的,但如果能探索到一種底物碳利用效率和脂肽物質(zhì)產(chǎn)量雙高的培養(yǎng)條件,可節(jié)約原料成本以提高經(jīng)濟(jì)效益,也可減少代謝過程中二氧化碳?xì)怏w排放以保護(hù)大氣環(huán)境。
解淀粉芽孢桿菌Bacillus amyloliquefaciensWK1,菌種保藏號(hào):CGMCC 11640,由浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在-70℃的條件下甘油冷凍保存。
參考莊國宏[10]得到的解淀粉芽孢桿菌GD產(chǎn)脂肽類物質(zhì)的優(yōu)化培養(yǎng)基Landy:葡萄糖10.0 g,L-谷氨酸 5.0 g, MgSO4·7H2O 0.5 g, KCl 0.5 g, KH2PO41.0 g, FeSO4·7H2O 0.15 mg, MnSO45.00 mg, CuSO4·5H2O 0.16 mg,蒸餾水1000 mL;馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基(PDA):去皮馬鈴薯100 g,葡萄糖20 g,瓊脂18 g,蒸餾水1000 mL,自然pH值。
已確定菌株WK1最佳接種量為3%,最佳培養(yǎng)溫度為37℃[11-12]。為了確定脂肽類物質(zhì)最高產(chǎn)量的發(fā)酵時(shí)間,將病原菌接種到含有發(fā)酵液的平板中,觀察記錄病原菌生長情況。具體方法如下:①菌株WK1種子液制備:選取菌株WK1的單菌落,接種于pH 7的100 mL PDA液體培養(yǎng)基中,在37℃、搖瓶轉(zhuǎn)速為180 r·min-1條件下培養(yǎng)14 h。②不同培養(yǎng)時(shí)間發(fā)酵液的制備:將WK1種子液按接種量3%(V/V)分別接種到裝有100 mL PDA液體培養(yǎng)基的6個(gè)三角瓶中,37℃,180 r·min-1搖瓶培養(yǎng),分別在48,60,72 h終止培養(yǎng),獲得不同培養(yǎng)時(shí)間的發(fā)酵液,將發(fā)酵液離心15 min(6000 r·min-1)去除菌體后得上清液。③含發(fā)酵液的培養(yǎng)基制備:分別吸取100 mL不同時(shí)間的發(fā)酵上清液與PDA液體培養(yǎng)基按1∶1體積比混合,加入5.0 g瓊脂,115℃滅菌30 min后制成6個(gè)厚薄均勻的培養(yǎng)基。④抑制效果觀察:將病原菌葡萄座腔菌Botryosphaeria dothidea單菌落打餅分別接種到混合培養(yǎng)基中(打餅直徑為0.5 cm),放入27℃的真菌培養(yǎng)箱培養(yǎng)。分別在第1,2,3,4,5,10天時(shí)拍照,同時(shí)測量病原菌落直徑,計(jì)算抑制率。抑制率=(對(duì)照病原菌菌落直徑-處理病原菌菌落直徑)/對(duì)照病原菌菌落直徑×100%。
每個(gè)處理設(shè)置1個(gè)培養(yǎng)基體積為200 mL的搖瓶,用于發(fā)酵液pH值的動(dòng)態(tài)監(jiān)測,培養(yǎng)條件同1.3。分別于培養(yǎng)8,16,24,32,40,48,56,64,72 h時(shí)取出10 mL發(fā)酵液,用酸度計(jì)測定pH值,采樣過程在超凈工作臺(tái)中,避免母體培養(yǎng)基污染。
在已有研究基礎(chǔ)上,設(shè)置初始pH值分別為5,6,7的Landy培養(yǎng)基,以獲得不同產(chǎn)量的脂肽物質(zhì),比較不同方法,同時(shí)檢測pH值對(duì)脂肽物質(zhì)產(chǎn)量的影響。每處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。培養(yǎng)基體積為300 mL,接種3%(V菌液/V培養(yǎng)液),37℃,180 r·min-1,搖瓶72 h(從前期抑制試驗(yàn)得到的最佳培養(yǎng)時(shí)間)。搖瓶結(jié)束后,立即通過紫外滅菌以阻止芽孢桿菌繼續(xù)生長繁殖,測量發(fā)酵液體積,將菌液全部離心,放到4℃冰箱備用。
1.5.1 重量法 吸取240 mL去除菌體的發(fā)酵液于三角瓶中,緩慢滴加濃度為6 mol·L-1的鹽酸,逐漸將溶液pH值調(diào)至2以沉淀脂肽類物質(zhì),置于4℃冰箱過夜。準(zhǔn)備100 mL離心管(質(zhì)量為W0),分3次將液體轉(zhuǎn)入100 mL的離心管,在4500g下離心30 min,每次離心后的上清液收集一起,用于有機(jī)碳測定;同一樣品的液體轉(zhuǎn)入同一離心管收集脂肽粗提物沉淀,用pH值為2的鹽酸洗滌沉淀2次,以除去水溶性雜質(zhì),而后將沉淀置于-70℃冰箱充分冷凍,用冷凍干燥機(jī)去除水分后得脂肽類粗提物,取出放到真空干燥器內(nèi),等升至室溫后稱質(zhì)量(W1),W1與W0的差值即為脂肽類粗提物的質(zhì)量,計(jì)算得發(fā)酵液脂肽物質(zhì)質(zhì)量濃度。
1.5.2 差減法 脂肽類物質(zhì)是芽孢桿菌代謝產(chǎn)生的同系物,雖然不是純的有機(jī)化合物,但其含碳量變化不大。程敏等[11]應(yīng)用液質(zhì)聯(lián)用技術(shù)鑒定WK1的代謝產(chǎn)物主要為C14~C17的芬薺素(fengycin),參考主要脂肽物質(zhì)芬薺素的分子結(jié)構(gòu)[13]推算出WK1的謝產(chǎn)物脂肽含碳率平均為0.54。因此,通過測定發(fā)酵液酸沉降(方法與重量法相同)前后的總有機(jī)碳質(zhì)量濃度,計(jì)算差值可得到脂肽類粗提物質(zhì)量。酸沉降前總有機(jī)碳測定,吸取2 mL去除菌體的發(fā)酵液,用去離子水稀釋13倍,應(yīng)用總有機(jī)碳分析儀(TOC-L CPN,津島)測定溶液中的有機(jī)碳質(zhì)量濃度。酸沉降后溶液中總有機(jī)碳測定,吸取2 mL酸沉降析出脂肽物質(zhì)后上清液,用去離子水稀釋13倍,同樣用TOC分析儀測定溶液中的有機(jī)碳質(zhì)量濃度。由于調(diào)節(jié)酸度所用的鹽酸體積很小,可以忽略不計(jì),因此,脂肽物質(zhì)產(chǎn)量(mg·L-1)=(酸沉前有機(jī)碳質(zhì)量濃度-酸沉降后有機(jī)碳質(zhì)量濃度)/0.54。
1.5.3 底物碳利用效率 通過脂肽物質(zhì)的合成效率和二氧化碳排放損失率來間接綜合評(píng)價(jià)培養(yǎng)基中底物碳利用效率。單位底物碳合成的脂肽類物質(zhì)越多越好,而在培養(yǎng)過程中微生物通過好氧呼吸排放二氧化碳則越少越好。脂肽物質(zhì)合成效率(mg·kg-1)=脂肽物質(zhì)碳質(zhì)量濃度/Landy培養(yǎng)基初始碳質(zhì)量濃度,統(tǒng)一用TOC分析儀測定。二氧化碳排放量(mg·kg-1)=(Landy培養(yǎng)基初始碳質(zhì)量濃度-含菌體發(fā)酵液的碳質(zhì)量濃度)/Landy培養(yǎng)基初始碳質(zhì)量濃度,統(tǒng)一用重鉻酸鉀法測定。
菌體發(fā)酵液是混濁的不透明液體,無法用TOC分析儀直接測定,因而采用重鉻酸鉀法測定含菌體發(fā)酵液有機(jī)碳質(zhì)量濃度。72 h培養(yǎng)結(jié)束后,分別吸取2 mL不同處理的含菌體發(fā)酵液于硬質(zhì)試管進(jìn)行消煮。為了計(jì)算發(fā)酵前后培養(yǎng)基中有機(jī)碳的損失量,同時(shí)用重鉻酸鉀法測定Landy培養(yǎng)基初始碳質(zhì)量濃度,為 5769.55 mg·L-1。
通過WK1對(duì)病源菌的抑制效果試驗(yàn),間接確定WK1產(chǎn)脂肽類物質(zhì)最高產(chǎn)量的發(fā)酵時(shí)間為72 h。對(duì)解淀粉芽孢桿菌WK1與病原菌的平板對(duì)峙培養(yǎng)發(fā)現(xiàn),代謝產(chǎn)物通過破壞菌絲和孢子細(xì)胞壁、細(xì)胞膜,使細(xì)胞原生質(zhì)泄露,菌絲和孢子萎縮的方式抑制山核桃干腐病原菌Bacillus dothidea的生長[11]。因此,將除菌后發(fā)酵液直接混入培養(yǎng)基可間接衡量代謝物的產(chǎn)量,通過發(fā)酵液對(duì)病原菌的抑制效果試驗(yàn)可確定最高產(chǎn)量的發(fā)酵時(shí)間。觀察含有發(fā)酵液(48,60,72 h)培養(yǎng)基上病原菌的生長情況(圖1和表1)發(fā)現(xiàn):發(fā)酵液對(duì)病原菌生長均有抑制作用,隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加抑制率逐漸增加,1~5 d內(nèi)抑制率增速快,抑制效果顯著,5~10 d內(nèi)增速變緩,甚至48與60 h共2個(gè)處理在第10天出現(xiàn)下降。這是因?yàn)殚_始接種的是單菌落病原菌,1 d時(shí)間內(nèi)繁殖的數(shù)量有限,但隨著時(shí)間的延長病原菌數(shù)量不斷增加,而代謝產(chǎn)物的脂肽濃度有限,所以病原菌數(shù)量增加后抑制效果減弱。綜合1~10 d的結(jié)果,WK1的發(fā)酵時(shí)間越長抑制效果越好,在72 h抑制率達(dá)到最高值,效果最為顯著,培養(yǎng)5和10 d時(shí)的抑制率達(dá)到83.3%和84.9%,對(duì)于抗生素篩選的效果而言,已經(jīng)達(dá)到較強(qiáng)的水平。在解淀粉芽孢桿菌HAB-7的抑菌試驗(yàn)中,經(jīng)優(yōu)化后最佳培養(yǎng)條件對(duì)芒果炭疽菌的抑制率達(dá)到78.3%[14]。大量研究表明[15-17]:解淀粉芽孢桿菌的最優(yōu)發(fā)酵時(shí)間都在72 h以內(nèi),且在本實(shí)驗(yàn)中60 h的抑制率已經(jīng)達(dá)80%,繼續(xù)增加發(fā)酵時(shí)間對(duì)抑制率的提升不大,且會(huì)增加發(fā)酵成本。
表1 不同時(shí)間PDA培養(yǎng)基內(nèi)病原菌菌落直徑平均值和抑制率Table 1 Mean diameter and inhibition rate of pathogenic bacteria in PDA medium at different time
初始pH值對(duì)發(fā)酵微生物的生長繁殖和代謝產(chǎn)物的合成有非常顯著的影響。因此,選擇最適合的初始pH值對(duì)微生物的培養(yǎng)就顯得尤為重要。重量法測得不同初始pH值的培養(yǎng)基在72 h后脂肽物質(zhì)的產(chǎn)量從高到低依次為pH 6,pH 7,pH 5(圖1),初始pH值為6和7條件下的脂肽物質(zhì)的產(chǎn)量顯著大于pH 5處理(P<0.05),pH值為6和7的發(fā)酵液酸沉降時(shí)沉淀明顯比pH值為5的發(fā)酵液多,說明培養(yǎng)液pH值為5時(shí)對(duì)脂肽物質(zhì)的生成不利。差減法計(jì)算得到不同處理脂肽物質(zhì)產(chǎn)量差異規(guī)律與重量法一致,但產(chǎn)量比重量法高(圖1),初始pH值為5,6,7處理的差減法測定結(jié)果分別比重量法高69.9%,15.8%和17.0%。這是因?yàn)門OC能檢測到溶液有機(jī)碳的微小變化,重量法則因?yàn)橘|(zhì)量太少無法檢測到微小變化,因此差減法相比重量法更加靈敏。2種方法的結(jié)果存在一定的相關(guān)性,但由于重量法的靈敏度較低,導(dǎo)致相關(guān)系數(shù)僅0.5632(n=9)。
隨著微生物生長繁殖脂肽類物質(zhì)不斷積累,微生物繁殖越多則代謝產(chǎn)量越多。pH值為5時(shí)產(chǎn)量低的原因可能是因?yàn)樗嵝原h(huán)境不利于WK1生長。整個(gè)發(fā)酵過程中初始pH值為5的發(fā)酵液pH值始終低于6.0(圖2),而初始pH值為6和7的發(fā)酵液pH值在前24 h急速下降,之后快速回升,到48~56 h恢復(fù)到初始水平,之后繼續(xù)上升,最后達(dá)8.14。發(fā)酵液pH值的下降主要是代謝過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸引起的,在最初的24 h培養(yǎng)基中的葡萄糖被快速分解產(chǎn)生大量的有機(jī)酸,而之后這些有機(jī)酸又被微生物分解利用,溶液中的有機(jī)酸慢慢減少。另外,微生物的代謝過程產(chǎn)生氨,隨著發(fā)酵過程的進(jìn)行氨濃度增加,pH值逐漸回升。
初始pH值為5處理含菌體發(fā)酵液的總有機(jī)碳質(zhì)量濃度明顯高于pH 6和pH 7處理(圖3),說明pH值為5條件下WK1代謝消耗最少,再次證明初始pH值為5處理不利于WK1生長。由于所有處理的初始有機(jī)碳質(zhì)量濃度是相等的,微生物代謝越活躍,消耗的有機(jī)碳就越多。
圖1 培養(yǎng)基不同初始pH值脂肽類物質(zhì)的重量法和差減法結(jié)果比較Figure 1 Comparison on lipopeptide production measured by weight methods and OC difference methods
圖 2 不同初始 pH值的 Landy培養(yǎng)基內(nèi)pH值隨發(fā)酵時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化Figure 2 Dynamics of liquid pH with increasing time of fermentation between different initial Landy medium pH
初始pH值為5的培養(yǎng)基中菌株WK1脂肽物質(zhì)合成效率最低(162 mg·kg-1),排放的二氧化碳也最少(205 mg·kg-1),初始pH值為6和7的培養(yǎng)基中菌株WK1活動(dòng)排放的二氧化碳相同,顯著高于初始pH值為5的處理(P<0.05),pH 6培養(yǎng)基中菌株WK1脂肽物質(zhì)合成效率高于pH 7培養(yǎng)基。Landy培養(yǎng)基有機(jī)碳質(zhì)量濃度理論值為5769.55 mg·L-1,重鉻酸鉀法和TOC分析儀測得Landy培養(yǎng)基初始有機(jī)碳質(zhì)量濃度分別為4933.30和5252.43 mg·L-1,分別是理論值的85.51%和90.14%,說明2種方法均不能完全檢測溶液中的全部有機(jī)碳。通過分析含菌體的發(fā)酵液有機(jī)碳質(zhì)量濃度(圖3)以及酸沉降前后的總有機(jī)碳質(zhì)量濃度(圖4)可知:初始pH值為5條件下有機(jī)碳質(zhì)量濃度顯著高于其他2個(gè)處理,說明pH值為5條件下的培養(yǎng)基中未被微生物同化利用的碳最高。綜合圖1,圖3和圖4的結(jié)果得知:初始pH值為5條件微生物代謝利用的總碳、合成的脂肽類物質(zhì)、排放的二氧化碳均為最少。
圖3 不同處理培養(yǎng)結(jié)束后溶液中有機(jī)碳質(zhì)量濃度比較Figure 3 Comparison of organic carbon content in solution containing WK1 strains at the end of 72 h fermentation between treatments
圖4 不同處理發(fā)酵液酸沉降前后的總有機(jī)碳質(zhì)量濃度結(jié)果比較Figure 4 Comparison of total organic carbon in solution before and after lipopeptide being separated by acid deposition between treatments
由于重鉻酸鉀法和TOC法對(duì)同一溶液的測定結(jié)果存在差異,因此,計(jì)算差值時(shí)必須以同一種方法測定的結(jié)果計(jì)算。結(jié)果表明(表2):初始pH值為5時(shí)培養(yǎng)基中菌株WK1脂肽物質(zhì)合成效率最低(162 mg·kg-1),二氧化碳排放量也最少(205 mg·kg-1);初始pH值為6和7的培養(yǎng)基中菌株WK1的二氧化碳排放量相同,顯著高于初始pH值為5的處理(P<0.05),但初始pH值為6的培養(yǎng)基中菌株WK1脂肽物質(zhì)合成效率高于初始pH值為7處理,因此,初始pH值為6的培養(yǎng)基為最佳。由于初始pH值為6的處理二氧化碳排放量較高,后期實(shí)驗(yàn)可探索初始pH 5和pH 6之間菌株WK1脂肽物質(zhì)合成效率的變化,有可能找到二氧化碳排放量較低,但又不影響脂肽物質(zhì)合成效率的pH值。
表2 各處理二氧化碳排放量和脂肽物質(zhì)合成效率Table 2 CO2emission and produced lipopeptide from organic carbon medium
解淀粉芽孢桿菌WK1獲得較高產(chǎn)量脂肽物質(zhì)的最佳培養(yǎng)時(shí)間為72 h,比許多已報(bào)道的芽孢桿菌長。不同細(xì)菌的生長速度不同,最佳培養(yǎng)時(shí)間有差異,而同樣是芽孢桿菌,生長速度也存在較大差異。車曉曦等[18]得到解淀粉芽孢桿菌SAB1菌株最佳發(fā)酵時(shí)間為26 h,王帥等[19]發(fā)現(xiàn)枯草芽孢桿菌Bacillus subtilisG1發(fā)酵38 h時(shí)脂肽產(chǎn)量最高,洪鵬等[20]發(fā)現(xiàn)解淀粉芽孢桿菌HF-01菌株培養(yǎng)48 h對(duì)柑橘綠霉病菌Penicillum digitatum拮抗效果最佳。相比而言,WK1的生長速度相對(duì)較慢,獲得較高脂肽產(chǎn)量的發(fā)酵時(shí)間為72 h,與解淀粉芽孢桿菌MH17最優(yōu)發(fā)酵時(shí)間相同[21]。
初始pH值為5條件下微生物脂肽物質(zhì)合成效率和二氧化碳排放量均最低,初始pH值為6與7條件下二氧化碳排放量(700 mg·kg-1)相同,但pH值為6條件下脂肽物質(zhì)產(chǎn)量(1228 mg·L-1培養(yǎng)基)和脂肽合成效率(234 mg·kg-1)最高。由此可見:WK1菌株最適初始pH值為6,而不同解淀粉芽孢桿菌菌株產(chǎn)脂肽最適初始pH值不同,張雷[22]對(duì)解淀粉芽孢桿菌菌株15-1-1的培養(yǎng)條件優(yōu)化研究發(fā)現(xiàn):初始pH值為7時(shí)該菌株產(chǎn)脂肽物質(zhì)產(chǎn)量以及培養(yǎng)液D(600)值最大,陳敏等[23]在對(duì)解淀粉芽孢桿菌菌株SC1150發(fā)酵條件優(yōu)化時(shí)發(fā)現(xiàn)最適初始pH值為6.5。
重量法與差減法測定的不同處理的脂肽物質(zhì)產(chǎn)量規(guī)律相同,從高到低依次為pH 6,pH 7,pH 5,兩者的相關(guān)系數(shù)為0.5632(n=9),但相同初始pH值條件下差減法所得的脂肽物質(zhì)產(chǎn)量均高于重量法。可見,差減法是評(píng)價(jià)脂肽產(chǎn)量的簡單快速而有效的方法。