纖維素降解菌的分離、鑒定與產(chǎn)酶條件探究

佀勝利 鄒莎莎 吳書云 王成湘

摘 要 從林下腐熟土壤中篩選可降解纖維素的天然微生物，經(jīng)過初篩、復篩得到降解能力較強的菌株DT13，革蘭氏染色和分子生物學鑒定結(jié)果顯示該菌株為枯草芽孢桿菌（Bacillus subtillis DT13）。以羧甲基纖維素酶活性（Carboxymethyl Cellulase Activity，CMCA）為指標，設(shè)計單因素試驗與正交試驗對菌株DT13產(chǎn)纖維素酶條件進行優(yōu)化，確定其最佳產(chǎn)酶條件為初始pH值7.0、發(fā)酵溫度40 ℃、發(fā)酵時間96 h。

關(guān)鍵詞 芽孢桿菌;羧甲基纖維素酶活性;發(fā)酵條件;酶活測定

中圖分類號：Q93 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.02.007

纖維素是植物細胞壁的主要成分之一，是自然界中現(xiàn)有數(shù)量最多且最低廉的資源，目前尚未得到充分合理的利用[1]。在自然狀態(tài)下，纖維素的生物降解主要通過微生物分泌的纖維素酶來完成，降解過程無污染、成本低，因而纖維素降解微生物的篩選一直受到研究者的關(guān)注[2-3]。自然界存在的產(chǎn)纖維素酶的微生物種類較多，對纖維素的降解能力差異較大，通過對其培養(yǎng)條件的優(yōu)化可以有效提高產(chǎn)纖維素酶的效率和對纖維素的降解能力[4-6]。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品

多年自然生長松樹林下充分腐熟的松針土，采集于貴州省鎮(zhèn)遠縣。

1.2 培養(yǎng)基

富集培養(yǎng)基：K2HPO4 1.00 g·L-1、NaCl 0.10 g·L-1、MgSO4·7H2O 0.30 g·L-1、NaNO3 2.50 g·L-1、FeCl3 0.001 g·L-1、CaCl2 0.10 g·L-1。培養(yǎng)基按照每瓶50 mL進行分裝，每個三角瓶中放入約0.50 g濾紙條，121 ℃滅菌20 min。

篩選培養(yǎng)基：（NH4）2SO4 2.00 g·L-1、MgSO4·7H2O 0.50 g·L-1、K2HPO4 1.00 g·L-1、NaCl 0.50 g·L-1、羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）2.00 g·L-1、瓊脂20.00 g·L-1，121 ℃滅菌20 min。

含剛果紅的篩選培養(yǎng)基：在篩選培養(yǎng)基中加入2.00 g·L-1剛果紅。

發(fā)酵培養(yǎng)基：蛋白胨3.00 g·L-1、酵母粉0.50 g·L-1、（NH4）2SO4 2.00 g·L-1、KH2PO4 4.00 g·L-1、CaCl2?0.30 g·L-1、MgSO4·7H2O 0.30 g·L-1，121 ℃滅菌20 min。

1.3 纖維素降解菌株的篩選

稱量1.00 g土壤樣品，在30 ℃ 150 r·min-1富集培養(yǎng)基中振蕩培養(yǎng)至濾紙條完全裂解。用無菌水連續(xù)稀釋培養(yǎng)后的富集培養(yǎng)基，得到10-7稀釋液，取稀釋液200 μL均勻涂布到含剛果紅的篩選培養(yǎng)基上，30 ℃恒溫培養(yǎng)，待菌落長出后，挑選培養(yǎng)特征不同且具有明顯透明圈的單菌落轉(zhuǎn)接到篩選培養(yǎng)基，純化后冷凍保存。將純化后的菌株轉(zhuǎn)接篩選培養(yǎng)平板，30 ℃恒溫培養(yǎng)24 h。用0.5%的剛果紅溶液染色60 min，再用1 mol·L-1 NaCl溶液褪色60 min，觀察染色后的透明圈大小。選擇透明圈直徑（D）/菌落直徑（d）比值較大的菌株，接入發(fā)酵培養(yǎng)基，30 ℃ 150 r·min-1培養(yǎng)72 h，測定培養(yǎng)液的羧甲基纖維素酶活性（CMCA），選擇CMCA最高的菌株，進行下一步試驗。

1.4 纖維素降解菌株的鑒定

1）形態(tài)學鑒定。接種菌株到篩選培養(yǎng)基培養(yǎng)24 h，觀察菌落培養(yǎng)特征，進行革蘭氏染色。

2）分子生物學鑒定。將培養(yǎng)24 h的純化菌液送至生工生物工程（上海）股份有限公司進行鑒定，利用細菌16S rDNA通用引物27F（5'-AGAGTTTGATCATGGCTCAG-3'）、1492R（5'-TAGGGTTACCTT GTTACGACTT-3'）對菌株16S rDNA序列進行擴增，對PCR產(chǎn)物純化回收后測序，利用BLAST軟件將測序結(jié)果與GenBank中已有序列進行比對，使用MEGA-X軟件構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹，確定菌株的種屬。

1.5 發(fā)酵條件對纖維素降解菌株產(chǎn)纖維素酶的影響

1.5.1 單因素試驗

選取發(fā)酵時間、發(fā)酵初始pH值和發(fā)酵溫度進行單因素試驗，研究各因素對篩選出的菌株產(chǎn)纖維素酶的影響。將篩選出的菌株接種到一定初始pH值的發(fā)酵培養(yǎng)基中，在指定溫度下150 r·min-1振蕩培養(yǎng)一定時間，將發(fā)酵液3 000 r·min-1離心10 min，得粗酶液。測定單因素條件下粗酶液的CMCA確定合適的正交設(shè)計參數(shù)。每個處理設(shè)3個重復組。

1.5.2 正交優(yōu)化

依據(jù)單因素試驗結(jié)果，選擇發(fā)酵時間、初始pH值和發(fā)酵溫度，設(shè)計3因素3水平正交試驗，采用L9（33）正交表。

1.6 纖維素酶活性的測定

纖維素酶活性用DNS法進行測定[6]。在特定條件下，1 mL粗酶液1 min轉(zhuǎn)化產(chǎn)生1μg還原糖所需的酶量規(guī)定為1個酶活力單位（U）。取0.50 mL粗纖維素酶溶液、1.00 mL檸檬酸緩沖液（pH=4.8）和1.50 mL CMC-Na溶液充分混勻，50 ℃ 150 r·min-1酶解180 min，之后加入3.00 mL DNS溶液，充分混勻后沸水浴5 min，冷卻后加入3.00 mL蒸餾水，充分混勻后在540 nm處測定吸光值。同時，設(shè)置底物空白和酶空白。

1.7 葡萄糖標準曲線的制作

向干燥試管中分別加入1.00 mg·mL-1標準葡萄糖溶液0.00 mL、0.30 mL、0.60 mL、0.90 mL、1.20 mL、1.50 mL，再分別加蒸餾水至體積為1.50 mL，加入DNS試劑3.00 mL，混勻，沸水浴5 min后冷卻，最后用蒸餾水定容至10 mL，充分混勻后測定在540 nm的吸光值。以葡萄糖濃度為縱坐標，吸光值為橫坐標，得到葡萄糖標準曲線方程為y=1.290 8x+0.059 4（R2=0.999 1）。

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維素降解菌株的篩選

將富集液稀釋后涂平板，共分離純化得到12個產(chǎn)生明顯降解圈的纖維素降解菌株。對轉(zhuǎn)接后的菌株進行剛果紅染色，如圖1所示。通過測定透明圈直徑（D）和菌落直徑（d），菌株DT10、DT13、DT14的透明圈直徑比值（D/d）較大。測定3個菌株發(fā)酵所得粗酶液的CMCA，如表1所示，DT13的酶活最高，作為進一步研究的菌株。

2.2 纖維素降解菌株的鑒定

DT13菌株在篩選培養(yǎng)基上生長24 h的菌落呈白色、圓形、濕潤無皺褶，如圖1（a）所示。經(jīng)革蘭氏染色后顯微觀察，菌體為細桿狀，呈紫紅色，為革蘭氏陽性菌，如圖1（b）所示。該菌株經(jīng)DNA提取、PCR擴增獲得長度為1 434 bp的16S rDNA片段，通過BLAST序列比對，菌株DT13與枯草芽孢桿菌（B.subtillis）相似度在99.7%以上;選擇相似度較高的代表菌株構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹，見圖2，DT13與枯草芽孢桿菌的進化關(guān)系較近，可靠性較高，確定菌株DT13為枯草芽孢桿菌（B.subtillis）。

2.3 發(fā)酵條件對菌株DT13產(chǎn)纖維素酶的影響

2.3.1 發(fā)酵條件對纖維素酶產(chǎn)量影響的單因素試驗

將菌株DT13在30 ℃ 150 r·min-1條件下進行纖維素酶發(fā)酵144 h，自發(fā)酵開始每隔24 h取出一次樣品測定其纖維素酶粗酶液的CMCA。結(jié)果如圖3（a）所示，CMCA隨著發(fā)酵時間的增加呈增加趨勢，在96 h時達到最高，為4.86 U·mL-1;菌株DT13接種在不同初始pH值的發(fā)酵培養(yǎng)基中，在30 ℃ 150 r·min-1條件下發(fā)酵96 h，發(fā)酵后粗纖維素酶液的CMCA如圖3（b）所示，CMCA隨著pH值的增加而增大，至pH值7.5時達到最大，為5.31 U·mL-1;菌株DT13接種在初始pH值為7.5的發(fā)酵培養(yǎng)基中，在不同溫度150 r·min-1條件下發(fā)酵96 h，發(fā)酵后粗纖維素酶液的CMCA如圖3（c）所示，CMCA隨著溫度的增加而增大，至40 ℃時達到最高值，為6.56 U·mL-1，溫度繼續(xù)增加CMCA呈下降的趨勢。綜合試驗結(jié)果，菌株DT13發(fā)酵產(chǎn)纖維素酶的較合適的單因素條件分別為發(fā)酵時間96 h、初始pH值7.5、發(fā)酵溫度40 ℃。

2.3.2 正交試驗設(shè)計結(jié)果

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，選擇A發(fā)酵時間（84 h、96 h、108 h）、B初始pH值（7.0、7.5、8.0）、C發(fā)酵溫度（37 ℃、40 ℃、43 ℃）設(shè)計3因素3水平正交試驗。發(fā)酵結(jié)束后，測定各組合得到的粗酶液的CMCA，試驗結(jié)果如表2所示。影響發(fā)酵產(chǎn)纖維素酶CMCA的3個因素排序為初始pH值（B）>發(fā)酵溫度（C）>發(fā)酵時間（A），產(chǎn)酶的最佳組合為A2B1C2。

2.3.3 驗證試驗

正交極差分析表中，A3B1C2培養(yǎng)組合所產(chǎn)的CMCA值最高，選取A2B1C2、A3B1C2發(fā)酵組合進行驗證試驗，結(jié)果如表3所示，組合A2B1C2所產(chǎn)生的粗酶液的CMCA約為6.69 U·mL-1，顯著高于組合A3B1C2。因此，確定菌株DT13的最佳培養(yǎng)組合為A2B1C2，即初始pH值7.0、發(fā)酵溫度40 ℃，發(fā)酵時間96 h。

3 結(jié)論

本研究從森林腐熟土壤中篩選出一株產(chǎn)纖維素降解菌DT13，經(jīng)形態(tài)學、革蘭氏染色和分子生物學鑒定確定DT13為枯草芽孢桿菌（B.subtillis）。通過單因素試驗和正交試驗設(shè)計，對菌株DT13發(fā)酵產(chǎn)纖維素酶的條件進行研究，確定菌株DT13的最佳發(fā)酵條件為初始pH值7.0、發(fā)酵溫度40 ℃、發(fā)酵時間96 h。

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（責任編輯：劉寧寧）