雞源耐鎘乳酸菌株的分離與鑒定

蒲俊華 劉茵茵* 陳大偉 高玉時(shí)** 陸俊賢 張小燕 唐夢(mèng)君 周 倩 孔令武

(1.江蘇省家禽科學(xué)研究所，揚(yáng)州225125；2.揚(yáng)州雙揚(yáng)生物科技有限公司，揚(yáng)州225124)

近年來(lái)，隨著人們對(duì)食品安全的重視，飼料中的鎘(cadmium，Cd)污染也日漸引起人們的關(guān)注。Cd是一種毒性較強(qiáng)的重金屬，易在土壤、水體等環(huán)境中蓄積，并向植物遷移，最終通過(guò)食物鏈遷移至動(dòng)物和人體內(nèi)蓄積[1]。Cd的半衰期可長(zhǎng)達(dá)25～30年，對(duì)機(jī)體的肝臟、腎臟和骨骼等組織系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p害，并具有強(qiáng)烈的致癌作用，被國(guó)際癌癥研究所(IARC)列為Ⅰ級(jí)致癌物[2-3]。

鑒于Cd的嚴(yán)重危害性，《飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13078—2017)對(duì)配合飼料中Cd的含量規(guī)定了限量：Cd≤0.5 mg/kg(水產(chǎn)配合飼料除外)。有調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，飼料中Cd元素存在超標(biāo)現(xiàn)象和風(fēng)險(xiǎn)，如湖北省2012—2016年飼料Cd含量最高為1.2 mg/kg[4]，而四川省、河北省蛋雞配合飼糧中Cd含量雖未超標(biāo)但有超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)[5]。針對(duì)飼料中存在Cd超標(biāo)的狀況和風(fēng)險(xiǎn)，可采用吸附劑如麥飯石、沸石等減少動(dòng)物體內(nèi)Cd的吸收[6-7]，或者補(bǔ)加維生素[8]、抗氧化劑[9]等降低Cd對(duì)機(jī)體造成的氧化損害，但目前還沒(méi)有專一、安全有效地降低Cd毒性的方法[10]。近年研究發(fā)現(xiàn)，可調(diào)節(jié)動(dòng)物腸道發(fā)育、促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收的乳酸菌可通過(guò)在腸道吸附Cd，減少Cd經(jīng)腸道吸收進(jìn)入血液和組織，還可通過(guò)調(diào)控腸肝循環(huán)促進(jìn)動(dòng)物體內(nèi)Cd的排泄，減輕Cd對(duì)動(dòng)物機(jī)體的損害和毒性[10-11]。乳酸菌是目前公認(rèn)的安全微生物[12]，在食品工業(yè)中應(yīng)用廣泛，而在《飼料添加劑品種目錄》(中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部公告第2045號(hào))[13]，允許使用的34種微生物添加劑中有16種為乳酸菌。目前具有耐Cd性質(zhì)的菌株多是從土壤或糞便[14]、污泥[15]、食品[16]等篩選獲得，且在動(dòng)物上的應(yīng)用研究多集中在鼠類和魚(yú)類上[17-18]，在家禽上的應(yīng)用研究?jī)H見(jiàn)于本團(tuán)隊(duì)在雞上開(kāi)展的試驗(yàn)[19-21]。而來(lái)源于動(dòng)物體內(nèi)的具有耐重金屬乳酸菌的篩選研究?jī)H見(jiàn)于耐鉛[22-23]和耐汞[24]，耐Cd的乳酸菌篩選還未見(jiàn)有報(bào)道。本研究的目的即是從雞體內(nèi)分離篩選出具有Cd吸附能力的耐Cd乳酸菌株，并對(duì)其進(jìn)行生物學(xué)鑒定，為將其開(kāi)發(fā)應(yīng)用于家禽飼料中提供理論基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)防控家禽飼料及動(dòng)物養(yǎng)殖中Cd及其他重金屬污染具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 主要試劑與儀器

試劑：MRS肉湯培養(yǎng)基(Soarbio，M8540)、MRS瓊脂培養(yǎng)基(Soarbio，M8330)、乙酸鎘(國(guó)藥，33061)、牛膽鹽(Soarbio，G8210)、DNA提取試劑盒(TaKaRa，9763)、磷酸鹽緩沖液(PBS，Soarbio，P1032)、LB培養(yǎng)基。

儀器：生化培養(yǎng)箱(HPS-150，太倉(cāng)市華美生化儀器廠)、生物安全柜(ESCO AC2，新加坡藝思高科技有限公司)、高壓滅菌鍋(MLS-3750，日本SANYO公司)、分光光度計(jì)(V-5000，上海元析儀器有限公司)、全溫振蕩培養(yǎng)箱(ZQTY-90S，知楚儀器公司)、原子吸收分光光度計(jì)(AA800，鉑金埃爾默公司)。

1.2 耐Cd乳酸菌株的分離鑒定

1.2.1 耐Cd乳酸菌株的分離

取雞腸道內(nèi)容物1 g，用無(wú)菌PBS逐級(jí)稀釋至10-4、10-5、10-6，用接種環(huán)取1環(huán)接種于含50 mg/L Cd(取0.238 g C4H6CdO4·2H2O，溶解于10 mL超純水中，配制成10 g/L的Cd溶液，按1∶200比例加入MRS培養(yǎng)基中，使Cd2+濃度為50 mg/L)的MRS固體培養(yǎng)基上，37 ℃厭氧培養(yǎng)48 h后，挑取單菌落，接種于含100 mg/L Cd(取10 g/L的Cd溶液，按1∶100比例加入MRS培養(yǎng)基中，使Cd2+濃度為100 mg/L)的MRS固體培養(yǎng)基上，同條件培養(yǎng)48 h后，挑選單菌落，重復(fù)接種于含100 mg/L Cd的MRS固體培養(yǎng)基上純化后，挑選單菌落進(jìn)行革蘭氏染色。

1.2.2 耐Cd乳酸菌株生物學(xué)鑒定

提取乳酸菌株基因組DNA，利用16S rRNA基因通用上游引物27F(5′-AGAGTTTGA TCCTGGCTCAG-3′)和下游引物1492R(5′-TACGGCTACCTTGTTACGACTT-3′)，PCR擴(kuò)增16S rRNA基因，PCR擴(kuò)增條件為：95 ℃ 5 min, 95 ℃ 30 s, 55 ℃ 30 s,72 ℃ 60 s， 30個(gè)循環(huán)，72 ℃ 5 min，16 ℃。PCR擴(kuò)增產(chǎn)物取4 μL用1%瓊脂糖凝膠電泳，剩余PCR擴(kuò)增產(chǎn)物送山東青島英賽特生物科技有限公司測(cè)序，測(cè)序結(jié)果與NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)，確定乳酸菌種屬。

1.2.3 耐Cd乳酸菌株的生長(zhǎng)特性

乳酸菌株按1%的接種量接種至MRS液體培養(yǎng)基中，37 ℃厭氧培養(yǎng)，分別在2、4、8、12、18和24 h時(shí)，取1 mL用分光光度計(jì)測(cè)量菌液在600 nm處的吸光度(OD600 nm)值，繪制生長(zhǎng)曲線圖。

1.3 耐Cd乳酸菌株最大Cd耐受量

乳酸菌株按1%的接種量接種至MRS液體培養(yǎng)基中厭氧培養(yǎng)18 h，調(diào)OD600 nm為1，分別取1環(huán)劃線接種至含100、200、400、800、1 000 mg/L Cd的培養(yǎng)基上，37 ℃厭氧培養(yǎng)72 h觀察結(jié)果。

1.4 耐Cd乳酸菌株在不同pH條件下對(duì)Cd的吸附性

乳酸菌株按1%的接種量接種至MRS液體培養(yǎng)基厭氧培養(yǎng)18 h后，10 000 r/min離心10 min，去上清，超純水清洗沉淀后，調(diào)吸光度為1，取0.5 mL溶液10 000 r/min，離心10 min，去除上清，分別加入pH為2.6、4.0、6.0和7.0的50 mg/L Cd溶液0.5 mL懸浮沉淀，每株菌作3個(gè)重復(fù)。37 ℃中速振蕩2 h，10 000 r/min離心10 min，取上清液稀釋后，用石墨爐法測(cè)定溶液中的Cd含量，利用以下公式計(jì)算乳酸菌Cd吸附率：

吸附率(%)=[1-(C1/C0)]×100。

式中：C0為吸附前溶液Cd濃度；C1為吸附后上清液中Cd濃度。

1.5 耐Cd乳酸菌株膽鹽耐受性

參考文獻(xiàn)[15,22]報(bào)道的方法，稍做調(diào)整。耐Cd乳酸菌以1%的接種量接種至MRS液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)18 h，調(diào)OD600 nm為1，取1 mL乳酸菌液分別加入9 mL含0.1%、0.3%、0.5%牛膽鹽的MRS液體培養(yǎng)基中，37 ℃中速振搖培養(yǎng)1 h后取1環(huán)接種至MRS固體培養(yǎng)基上，37 ℃厭氧培養(yǎng)48 h觀察結(jié)果。

1.6 耐Cd乳酸菌抑菌性

耐Cd乳酸菌按1%的接種量接種至MRS液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)18 h后，調(diào)菌液OD600 nm為1，取1 mL菌液10 000 r/min離心10 min，取上清液于無(wú)菌管中，將直徑6 mm的無(wú)菌濾紙片分別浸入菌液和菌液上清液中。將金黃色葡萄球菌(本實(shí)驗(yàn)室分離)、大腸桿菌(ATCC 25922)、沙門(mén)氏菌(ATCC 14028)用LB液體培養(yǎng)基37 ℃培養(yǎng)18 h后，調(diào)三者菌液OD600 nm至0.08～0.10，各取100 μL菌液分別鋪于LB培養(yǎng)皿，將浸液濾紙片分別鋪在細(xì)菌培養(yǎng)基上，37 ℃培養(yǎng)24 h后觀察結(jié)果。

1.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用one-way ANOVA進(jìn)行單因素方差分析，LSD進(jìn)行均值間的多重比較，以P<0.05作為差異顯著性判斷標(biāo)準(zhǔn)，采用GraphPad Prism 5軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 耐Cd乳酸菌的革蘭氏染色結(jié)果

樣品經(jīng)含50和100 mg/L Cd的MRS的培養(yǎng)基純化后，在100 mg/L的培養(yǎng)基上形成單個(gè)小而突出的菌落。挑取單菌落經(jīng)革蘭氏染色，在顯微鏡下呈紫色桿狀，表明菌株為革蘭氏陽(yáng)性菌(圖1)。

圖1 耐Cd乳酸菌株的革蘭氏染色

2.2 耐Cd乳酸菌生物學(xué)鑒定

從篩選出的耐Cd乳酸菌株中選取5株菌，提取菌株的DNA經(jīng)PCR擴(kuò)增后，1%瓊脂糖凝膠電泳顯示目的條帶約1 500 bp，與PCR產(chǎn)物大小相符(圖2)，測(cè)序結(jié)果與NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)，確定5株耐Cd乳酸菌分別為：約氏乳桿菌(Lactobacillusjohnsonii)1株，命名為Cd3-1，卷曲乳桿菌(Lactobacilluscurella)4株，分別命名為Cd1-1、Cd5-2、Cd4-5、Cd8-2。

1～5為耐Cd乳酸菌株Cd1-1、Cd3-1、Cd5-2、Cd4-5、Cd8-2；6、7為陰性對(duì)照；M為Marker。

2.3 耐Cd乳酸菌的生長(zhǎng)特性

耐Cd乳酸菌的24 h生長(zhǎng)曲線(圖3)顯示，耐Cd乳酸菌的生長(zhǎng)增殖符合一般微生物的生長(zhǎng)特性，在0～2 h生長(zhǎng)較為緩慢，在4～12 h處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，在12～18 h處于緩慢生長(zhǎng)期，而在18 h后數(shù)量開(kāi)始減少。

圖3 5株耐Cd乳酸菌生長(zhǎng)曲線

2.4 耐Cd乳酸菌的最大Cd耐受量

表1顯示，菌株Cd3-1、Cd5-2和Cd8-2可耐受的最大Cd濃度為1 000 mg/L，而Cd1-1和Cd4-5可耐受的最大Cd濃度為400 mg/L，表明Cd3-1、Cd5-2和Cd8-2菌株的Cd耐受量高于Cd1-1和Cd4-5。

表1 耐Cd乳酸菌耐受最大Cd濃度

2.5 不同pH條件對(duì)耐Cd乳酸菌吸附Cd的影響

圖4顯示，pH對(duì)菌株吸附Cd的影響較大。在pH為2.6時(shí)，各菌株對(duì)50 mg/L Cd溶液Cd的吸附率在20%左右，菌株間的Cd吸附率無(wú)顯著差異(P>0.05)。隨著pH的升高，Cd的吸附率上升，pH為6.0時(shí)，除Cd5-2外，其余菌株Cd的吸附率均超過(guò)30%，其中，Cd4-5的Cd吸附率達(dá)到最高，接近40%，顯著高于Cd3-1、Cd5-2和Cd8-2(P<0.05)。在pH 7.0時(shí)除Cd3-1的Cd吸附率略低于30%外，其余菌株的Cd吸附率均高于30%，其中Cd5-2的Cd吸附率最高，為38.8%，顯著高于Cd3-1和Cd4-5(P<0.05)。各菌株在pH 6.0和7.0時(shí)Cd吸附率均顯著高于其在pH 2.6時(shí)的Cd吸附率(P<0.05)。

2.6 耐Cd乳酸菌對(duì)膽鹽的耐受性

選取的5株耐Cd乳酸菌株Cd1-1、Cd3-1、Cd5-2、Cd4-5、Cd8-2經(jīng)0.3%膽鹽作用1 h后均可在MRS培養(yǎng)基上生長(zhǎng)，其中Cd3-1和Cd8-2經(jīng)0.5%膽鹽作用1 h后在MRS培養(yǎng)基上長(zhǎng)出單菌落，結(jié)果表明這5株菌可耐受0.3%的膽鹽，且Cd3-1和Cd8-2可耐受0.5%的膽鹽。

2.7 耐Cd乳酸菌抑菌結(jié)果

5株耐Cd乳酸菌的抑菌試驗(yàn)結(jié)果表明，不含耐Cd乳酸菌的上清培養(yǎng)液對(duì)金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和沙門(mén)氏菌均無(wú)抑菌效果，而含耐Cd乳酸菌的培養(yǎng)液均對(duì)金黃色葡萄球菌表現(xiàn)出可抑制其生長(zhǎng)，其中以Cd3-1、Cd5-2和Cd8-2菌株抑菌圈較大，Cd1-1和Cd4-5抑菌圈較小，表明前3株菌的抑制金黃色葡萄球菌的效果強(qiáng)于后2株菌(圖5)。含耐Cd乳酸菌的培養(yǎng)液對(duì)大腸桿菌和沙門(mén)氏菌未表現(xiàn)出抑菌作用。

同一pH的數(shù)據(jù)柱形標(biāo)注不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)。

圖5 耐Cd乳酸菌對(duì)金黃色葡萄球菌的抑制作用

3 討 論

3.1 耐重金屬Cd乳酸菌的篩選

乳酸菌是一類能夠發(fā)酵碳水化合物產(chǎn)生大量乳酸的革蘭氏陽(yáng)性菌的統(tǒng)稱，屬于兼性厭氧菌。乳酸菌因其細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)特征，可耐受一定濃度的Cd[25-26]。利用乳酸菌的這種吸附特性可篩選出高耐受Cd的乳酸菌。熊婧[14]通過(guò)最小抑菌濃度(minimum inhibitory concentration，MIC)測(cè)定方法，從土壤、糞便及標(biāo)準(zhǔn)乳酸桿菌中篩選出11株對(duì)Cd具有高耐受性的乳酸桿菌(MIC≥4.0 g/L)。Matyar等[27]以菌株能耐受Cd的MIC超過(guò)100 mg/L則認(rèn)為其對(duì)Cd有耐受性。不同的菌株對(duì)Cd的耐受性相差較大，Zhai等[28]篩選的高耐受植物乳桿菌CCFM8610耐受超過(guò)1 000 mg/L的Cd，而低耐受性的植物乳桿菌CCFM191僅耐受10 mg/L的Cd。本研究以能耐受100 mg/L的Cd為篩選標(biāo)準(zhǔn)，從雞腸道中分離獲得耐Cd乳酸菌5株，其中3株菌最高可耐受1 000 mg/L的Cd。

3.2 耐Cd乳酸菌對(duì)Cd的吸附能力

耐Cd乳酸菌對(duì)Cd的吸附能力除與其自身結(jié)構(gòu)相關(guān)外還與吸附條件包括菌量、濃度、溫度、時(shí)間、pH等相關(guān)[29]，而菌體吸附Cd受pH影響較大[30]。Ameen等[31]發(fā)現(xiàn)植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum)MF042018在pH為2.0，溫度為22 ℃時(shí)，1 h內(nèi)對(duì)Cd2+和鉛離子(Pb2+)的吸附達(dá)到最大容量。而Topco等[32]報(bào)道屎腸球菌(Enterococcusfaecium)在pH低于3時(shí)對(duì)Cd和鉛(Pb)的移除率最低，但隨著pH的升高，其對(duì)Cd和Pb的移除率直線增加。本研究的結(jié)果表明，5株耐Cd乳酸菌的Cd吸附率隨Cd溶液的pH條件的不同而變化，pH越低，耐Cd乳酸菌對(duì)Cd的吸附率越低。在pH中性和接近中性時(shí)對(duì)Cd的吸附率可達(dá)30%以上，均顯著高于pH為2.6時(shí)的Cd吸附率。上述研究結(jié)果表明，不同的微生物對(duì)Cd等重金屬的吸附有不同的最適pH，確定其適宜的pH有助于微生物發(fā)揮出最佳的吸附能力。

3.3 耐Cd乳酸菌的益生性

對(duì)耐Cd乳酸菌的篩選除考察其對(duì)Cd的耐受性和吸附性外，其自身的益生性也是考慮的重要因素。對(duì)膽鹽的抗性是益生菌的一個(gè)重要判斷標(biāo)準(zhǔn)，它確保菌株在小腸內(nèi)的定植和代謝活性[33]。Ojekunle等[34]篩選到耐Cd的魏斯菌屬(Weissellacibaria)WD2菌株對(duì)0.3%和1.0%的膽鹽有高耐受性。本研究中篩選的乳酸菌株可耐受0.3%的膽鹽，且可抑制金黃色葡萄球菌的生長(zhǎng)，在發(fā)揮其吸附Cd的特性同時(shí)可發(fā)揮其益生菌的作用。

4 結(jié) 論

本試驗(yàn)從雞腸道中分離篩選鑒定出5株耐Cd乳酸菌，包括1株約氏乳桿菌和4株卷曲乳桿菌。在pH接近中性的條件下，上述乳酸菌株對(duì)Cd的吸附率均可達(dá)30%。