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高絮凝活性芽孢杆菌的筛选及其絮凝特性研究

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浙江大学学报(农业与生命科学版) 37(6):617~623,2011 Journal of Zhejiang University(Agric.&Life Sei.) 文章编号:1008—9209(2011)06—0617-07 DOI:10.3785/j.issn.1008—9209.2011.06.005 高絮凝活性芽孢杆菌的筛选及其絮凝特性研究 曹芳,余秀梅,郭娟利,何敏,潘康成 (四川农业大学动物医学院动物疫病与人类健康四川省重点实验室,四川雅安625014) 摘要:采用平板分离法从土壤中分离芽孢杆茵,以发酵液对高岭土悬液探凝效果为指标筛选高絮凝 活性菌株,并通过细菌形态、生理生化特性和16S rDNA序列分析进行鉴定;同时考察发酵液加入量、 Ca抖浓度和pH对絮凝效果的影响以及微生物絮凝剂在发酵液中的分布.结果表明:从土壤中分离筛选 到1株具有高效絮凝活性的芽孢杆茵MBFF6,其絮凝率可达95.7%;根据细菌茵落形态、生理生化特性 和16S rDNA序列分析,确定该菌株为巨大芽孢杆菌;其最佳絮凝条件为加入的茵液体积分数2 , Ca。 浓度4.5 mmo1.L_。,pH 7.0;该微生物絮凝剂是细菌在生长过程中产生的胞外代谢产物,存在于 发酵液中. 关 键 词:微生物絮凝剂;芽孢杆菌;絮凝率;筛选;鉴定;絮凝特性 中图分类号:Q 939.9 文献标志码:A CAO Fang,YU Xiu—mei,GUO Juan—li,HE Min,PAN Kang—cheng(Key Laboratory of Animal Disease&Human Health of Sichuan Province, College of Veterinary Medicine, Sichuan Agricultural University,Ya an,Sichuan 625014,China) Screening of a novel bioflocculant-producing strain of Bacillus sp.and research for its flocculation characteristics.Journal of Zh@ang University(Agric.&Life Sci.),2011,37(6):617~623 Abstract:A novel bioflocculant—producing Bacillus sp.was isolated from soil by streak plate method, and screened out by an index that the fermentation broth flocculated kaolin suspension.The strain was identified by physiological and biochemical characteristics and 16S rDNA sequence analysis.The effect of the factors such as fermentation broth dosage,Ca。 concentration and pH on the flocculation were investigated.The results revealed that a novel bioflocculant-producing bacterium,named MBFF6,was isolated from soil and identified as Bacillus megaterium;its flocculating rate could achieve 95.7 ;the optimal condition for flocculation was as follows:fermentation broth dosage of 2 .Ca concentration of 4.5 mmol・L一 and pH 7.0.The bioflocculant was produced during the bacterial growth and was an extracellular product which was distributed in the culture broth. Key words: bioflocculant; Bacillus sp.; flocculating rate; screening; identification flocculation characteristic 收稿日期 2O1卜01—23 基金项目 “教育江学者和创新团队发展计划”创新团队资助项目(IRT0848). 作者简介 曹芳(1985一),女,陕西榆林人,硕士研究生,主要从事微生物资源与利用研究.E—mail:cfflower@163.corn. 通信作者 潘康成,男,博士,教授,硕士生导师,主要从事发酵工程和动物微生态学研究.E—mail:pankangcheng71@126.com 浙江大学学报(农业与生命科学版) 第3 7卷 目前,絮凝剂被广泛应用于各种工业生产 过程中,如废水处理,饮用水的净化以及食品和 发酵的下游处理nj.絮凝剂通常被分为3类:1) 无机絮凝剂,如硫酸铝和多聚氯化铝;2)有机合 成絮凝剂,如聚丙烯酰胺衍生物和聚乙烯胺;3) 天然絮凝剂,如聚氨基葡糖、海藻酸和微生物絮 凝剂 ].微生物絮凝剂是由微生物在其生长过 程中产生的胞外多聚物质,具有高效、无毒、无 害、无二次污染和易降解等优点,近年来得到了 各国学者的广泛关注l4剖.随着环境污染日益严 重,水体污染对全球动植物乃至人类的危害以 及对生态环境的破坏已引起人类的重视,养殖 水体首先被污染,也是被二次污染的重要污染 源,给水产养殖带来巨大的压力,因此养殖水体 需要大量的絮凝剂对其进行处理,而目前在污 水处理中,实际使用的絮凝剂以无机的聚合氯 化铝和有机合成的聚丙烯酰胺最为广泛.研 究 表明,老年痴呆症与现在广泛使用的无机 絮凝剂聚合氯化铝有关.聚丙烯酰胺单体不仅 具有强烈的神经毒性和“三致”(致癌,致畸,致 突变)毒性,而且不易降解,对人类的身体健康 产生了极大的威胁¨8 ;因此,开发一种安全、无 毒、无二次污染的新型絮凝剂具有极强的现实 意义.目前,已有利用微生态制剂中的有益菌进 行水体改良的报道,而把益生菌用作絮凝剂改 善养殖水体还未曾报道.本研究通过筛选具有 高絮凝活性的芽孢杆菌,考察影响絮凝效果的 指标以及微生物絮凝剂在发酵液中的分布,为 探索益生菌的益生性与絮凝活性相结合在养殖 水体净化中的作用提供依据. 1 材料与方法 1.1 菌种来源 筛选菌株从四川I农业大学校园和实验农场 的土壤中分离得到.参考菌株为巨大芽孢杆菌 JDO08(登录号EU871708),由无锡阿尔宝尔生 物工程有限公司惠赠 . 1.2培养基 营养肉汤培养基:蛋白胨10 g,牛肉膏3 g, NaC1 5 g,蒸馏水1 000 mL,pH 7.0.121℃灭 菌30 min. 营养琼脂平板或斜面培养基:在营养肉汤 培养基中加入琼脂15~2O g.L~.121℃灭菌 30 min. 发酵培养基:葡萄糖20 g,K2HPO 5 g, KH2PO4 2 g,NaC1 0.1 g,(NH4)2SO4 0.2 g, 尿素0.5 g,酵母膏0.5 g,MgSO ・7H20 0.2 g,蒸馏水1 000 mL,pH 7.0.121℃灭菌 3O min. 1.3菌种的分离与纯化 1.3.1 土壤样品的预处理 取有机质丰富 的土壤装于已消毒的研钵中研磨,称10 g置于 300 mL已灭菌的三角瓶中,加入90 mL灭菌 生理盐水,放入恒温振荡器中振荡30 min,然 后8O℃水浴10 rain以杀灭非芽孢杆菌,即为 1×10 稀释度的土壤悬液. 1.3.2 菌种的分离与纯化 取1 mL土壤 悬液于营养肉汤培养基中,32 oC 150 r.min 水浴振荡,富集培养48 h.移取1 mL细菌培养 液于装有9 mL灭菌生理盐水的试管中,混匀, 依次1O倍递进稀释成1×101~1×1O 稀释 度.取各稀释液0.2 mL涂布于营养琼脂平板 上,32℃恒温需氧培养48 h.在无菌条件下,用 接种环挑取单菌落划线于营养琼脂平板上,32 ℃恒温需氧培养24 h;多次划线分离,直到划 线后接连几次在平板上长出的菌落特征相似, 不存在异类,可作为纯化菌株;然后转接于营养 琼脂斜面上32℃恒温需氧培养48 h,4℃冰箱 保藏备用. 1.4菌种的筛选 1.4.1初筛 将分离纯化后得到的菌株分 别接种于100 mL发酵培养基(300 mL三角 瓶)中,30℃150 r.min 培养24 h.对所得培 养液进行絮凝活性的初步测定:在试管中加入 5 g.L 高岭土悬液10 mL、质量体积比为1 的CaC1 水溶液l mL、发酵液1 mL,轻摇,静 置10 rain,目测,使高岭土悬液絮凝成大颗粒 沉淀的菌株作为具有絮凝活性的菌株. 1.4.2 复筛 将初筛获得的菌株从斜面培 养基上接种到装有100 ml 营养肉汤培养基的 300 mL三角瓶中,在摇床上以15O r.min_。、37 ℃培养16 h作为种子液.取2 mL种子液接种 到100 mI 发酵培养基(300 mL三角瓶)中, 第6期 曹芳,等:高絮凝活性芽孢杆菌的筛选及其絮凝特性研究 150 r.min~、30℃培养24 h,然后进行絮凝活 性测定,选择发酵液絮凝率最大的菌株作为后 续研究菌株. 匀,色泽较暗,边缘整齐,隆起.在生长后期 一般带黄色,长时间培养后生长物和培养基可 变成黑色.在显微镜下呈革兰阳性,菌体杆状, 两端钝圆,长链状或成对排列,芽孢椭圆中生. 其生理生化反应结果见表2.参考《伯杰细菌鉴 定手册》,根据MBFF6菌落培养特征、显微镜 下的细胞形态特征,以及生理生化特征,初步确 1.5絮凝活性的测定 参照文献E3]的方法进行. 1.6菌株的初步鉴定 参考《伯杰细菌鉴定手册》[9 对具有高效絮 凝活性的菌株菌落、细菌形态和生理生化特性 进行初步鉴定. 1.7菌株的16S rDNA序列分析 参照文献ElO]的方法进行. 1.8絮凝剂在发酵液中的分布 按照1.4.2节的方法培养细菌,发酵液以 5 000 r.rain 离心30 rain,分离上清液和菌 体,用无菌水将菌体细胞洗涤2次,最后用蒸馏 水稀释成原发酵液体积的菌悬液,分别测定发 酵液、上清液和菌悬液对高岭土悬液的絮凝能 力,以确定所鉴定的具有高絮凝活性的菌株所 产絮凝剂的分布. 1.9影响细菌絮凝剂絮凝效果的因素 选择发酵液加入量、Ca。 浓度和高岭土悬 液的pH值,考察其对絮凝剂絮凝效果的影响. 2 结 果 2.I 高效絮凝活性芽孢杆菌的筛选 从土壤分离得到101株菌株,经初筛 获得具有絮凝活性的芽孢杆菌共6株.进一步 复筛后得到1株编号为MBFF6菌株具有高絮 凝活性,其絮凝率可达95.7 (表1),因此,选 择MBFF6进行鉴定. 表1絮凝芽孢杆菌的筛选 Table 1 Screening of bioflocculant—producing strains of Bacillus sp. 嘉萼MBFAs MBFCA MBFE MBFE MBFFs MBFG 絮凝率/ 66.4 64.2 74.3 76.8 95.7 69.5 2.2菌株MBFF6的初步鉴定 菌株MBFF6在营养琼脂平板上培养24 h,菌落呈乳白色,圆形光滑,湿润黏稠,质地均 定该菌株为巨大芽孢杆菌. 表2芽孢杆菌的生理生化特征 Table 2 Physiological and biochemical characteristics of two strains of Bacillus sp. 注:+:阳性,一:阴性 2.3 16S rDNA测序分析 PCR产物经琼脂糖凝胶电泳检测,扩增产 物是一条大小约1.5 kb的特异性条带.将PCR 反应产物回收并测序,其序列长度为1 502 bp, GenBank登录号为HQ840732.将得到的16S rDNA序列提交到NCBI核酸数据库中进行 BLAST在线分析.MBFF6菌株在前100个命 中序列中有51个命中Bacillus megaterium, 浙江大学学报(农业与生命科学版) 第3 7卷 与GenBank中巨大芽孢杆菌的16S rDNA序 行系统发育分析,结果见图1.从系统发育树上 列相似性均达到99 以上,甚至高达99.9 , 可明显看出,MBFF6与Bacillus megaterium 而与同属中的其他菌种同源性在92 ~96 的亲缘关系最近,遗传距离在0.006~0.009之 之间.与此同时,利用2个芽孢杆菌属的22个 间,与属内其他菌种的遗传距离在0.054~ 菌种25个菌株的16S rDNA基因序列,采用 0.130之间;因此,最终确定该菌为巨大芽孢 ClustalX 1.81软件和Phylodraw 0.82软件进 杆菌. B.sp.strain MBFF6(HQ840732) L_—’B.megaterium strain JD008(EU871708、 B megaterium(EU7238l8、 B.megaterium(HM104232) ’B.circulans(EF100968) ’B.firmus(DQ371229、 ・B.1erifus(AB021l89) —__.B.marinus(AB02l 190) ——————__.B.massiBens括(AY677l l61 r_.B.sphaericus(AB27l742) ’。。。 ・B/us/form ̄(M77486) ? ——’B・psychr0phi s(X60634) . — ..一 !tt B.globisporus(X60644) ——————’B.insolfiuus(X606421 ————__.B.aminovorans(X62l78) c_—’B.cereus(EU346663) B.anfhracis(AY138382) 广——一一.B.1icheniformis(EU871707) t f-_’B.subtilis(EU346662) 曰.amyloliquefaciens rEF433408) —_-.B.pumillus(EU660369) B.alcalophilus(AJ277904) B.coagulans(D16267) B.naganoensis(AB021 193) C.1avalense(EF564277) 标尺表示遗传距离;括号内的字母和数字为菌株在GenBank中的登录号. 图1 芽孢杆菌的16S rDNA系统发育树 Fig.1 Phylogenetic tree of the strains of Bacillus sp.based Oil 16S rDNA sequences 2.4絮凝剂在发酵液中的分布 絮凝剂在发酵液中的分布见图2.从中可 以看出,发酵液的絮凝率为91.6 ,上清液的 絮凝率为95.5 ,菌悬液的絮凝率为46.1%. 表明MBFF6菌株所产生的微生物絮凝剂是细 菌在其生长过程中产生的、并分泌到细胞外的 代谢产物. 2.5影响细菌絮凝剂絮凝效果的因素 2.5.1 菌株MBFF6发酵液加入量对絮凝效 发酵液 上清液 菌悬液 果的影响 为研究菌株MBFF6所产絮凝剂 的最佳投加量,在100 mI 高岭土悬液中分别 图2 MBFF6菌株絮凝活性的分布 Fig.2 Distribution of biofloeculant from strain MBFF6 按0.5 9/6、1.0 、2.0 、3.0 和4.0 的体积 第6期 曹芳,等:高絮凝活性芽孢杆菌的筛选及其絮凝特性研究 料 照∞ ∞ ∞ ∞比例加入发酵液,其相应的絮凝率分别为 47.6 9/6、53.9 、93.2 、86.3 和47.6 . 所采集的样品,首先需加热灭活非芽孢杆菌,然 后通过富集培养是该类微生物分离的关键.目 MBFF6对高岭土悬液的絮凝效果与菌液的投 加量之间关系显著,投加量从0 到2 ,絮凝 的是使非优势种群的絮凝菌数量增加,同时淘 汰不需要的微生物,以增大筛选絮凝菌的几率 率与菌液投加量成比例递增,在投加量为2 时絮凝效果最佳,但随投加量继续增大,絮凝率 和减少筛选分离的工作量,同时,在分离的实际 操作中采用观察菌落形态的方法,以提高菌种 反而降低.说明菌株MBFF6所产微生物絮凝 剂的最佳用量为2 . 2.5.2 Ca抖浓度对絮凝效果的影响 在 100 mL高岭土悬液中加入2 mL细菌培养液 后,分别调节反应体系中的CaC1 浓度为0、 1.8、2.7、3.6、4.5、5.4和6.3 mmo1.L,pH 7.0,测得其相应的絮凝率分别为30.5 、 54.8 、63.4 9/6、85.7 、93.4 9/6、88.5 和 84.2 .当加入CaC1 浓度为0~4.5 mmo1. L 时,絮凝率逐渐升高,在浓度为4.5 mmo1. L 时絮凝率达到最大,之后随着CaC1 浓度 的增加,絮凝率逐渐降低. 2.5.3 高岭土悬液pH对絮凝效果的影响 从图3中可以看出,高岭土悬液的pH值对芽 孢杆菌MBFF6絮凝剂絮凝效果的影响极为明 显,在酸性条件下絮凝效果较差,在碱性环境中 效果良好,当pH为7时絮凝效果最好,絮凝率 达到95.1 . 4 5 6 7 8 9 10 pH 图3 pH值对絮凝活性的影响 Fig.3 Effect of pH on flocculating activity 3 讨 论 3.1 高效絮凝活性芽孢杆菌的筛选与鉴定 微生物絮凝剂产生菌几乎包括所有微生物 种类叭。 .对于分离具有絮凝活性的芽孢杆菌 筛选工作的成功率,提高工作效率. 目前对菌种的鉴定通常采用传统菌种鉴定 方法和分子水平上的分类鉴定方法.传统菌种 鉴定方法是从菌落形态、并通过一系列生理生 化反应来确定某个菌种的分类地位,由于鉴定 步骤繁多,很多反应是生物体的自然生理过程, 耗时长,传统方法的很多性状都是基于感官来 判断的,主观干扰很容易被引人,给鉴定工作带 来误差ElO3.目前分子水平上的分类鉴定方法主 要利用16S rDNA序列分析进行鉴定,其原理 首先是获得细菌DNA模板进行扩增、测序,得 到16S rDNA序列,然后在GenBank上进行 BLAST在线比对,寻找同源性高的菌种.潘康 成等[1。。报道仅用16S rDNA基因序列在 GenBank中进行BLAST同源性分析来确定细 菌的种属仍有缺陷,必须构建系统发育树以及 结合传统的细菌形态和生理生化特征,才能准 确对细菌种属定位;因此,本试验根据以上原理 及其鉴定方法的特点,采用传统细菌鉴定方法 的同时结合16S rDNA序列分析对分离得到高 絮凝活性的芽孢杆菌MBFF6进行鉴定,最终 确定MBFF6菌株为巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium). 3.2絮凝剂活性的分布 本试验对絮凝活性分布的测定结果表明, MBFF6菌株所产生的微生物絮凝剂是细菌在 生长过程中产生的、并分泌到细胞外的代谢产 物,存在于发酵液中,而由于少量的代谢产物附 着在细菌细胞外侧,因此细菌菌悬液也具有一 定的絮凝效果.这一结果与罗平等[】划报道的短 芽孢杆菌产生的微生物絮凝剂的分布结果 类似. 3.3影响絮凝效果的因素 目前大量的研究表明,影响微生物絮凝效 果的因素较多,如发酵液的投加量、金属离子、 pH值、水温、搅拌方式等I1 ,尤其是发酵液的 浙江大学学报(农业与生命科学版) 第3 7卷 投加量、金属离子、废水中的pH值最为显著, 因此本试验对这3种因子的影响进行了研究. 征以及细菌16S rDNA基因序列同源性分析和 构建细菌系统发育树进行鉴定,确定菌株 MBFF6为巨大芽孢杆菌(Bacillus 试验结果表明MBFF6对高岭土悬液的絮 凝效果与菌液的投加量关系显著 投加量从 megaterium).其最佳絮凝条件为加入的菌液 体积分数2 ,Ca抖浓度4.5 mmo1.L~,pH 7.0.该微生物絮凝剂是细菌在生长过程中产生 的胞外代谢产物,存在于发酵液中. 0 9/6~2 ,絮凝率随菌液投加量成比例递增,在 投加量为2 时絮凝效果最佳,但随投加量继 续增大,絮凝率反而降低.这一结果与邱忠平 等口明报道的假单胞菌LB1和李博等n 报道的 短芽孢杆菌所产絮凝剂最佳投加量为3 略有 不同,与夏四清等[1。 报道的枯草芽孢杆菌所产 絮凝剂最佳投加量为2%相同,这可能与菌株 特性、培养时间、高岭土的生产等有关. 微生物絮凝剂是一类天然的高分子物质,其 絮凝作用主要是利用吸附架桥机制,某些金属离 子的存在会对絮凝起促进作用.罗平等_1 9]研究 发现Ca 、A1抖等阳离子对短芽孢杆菌絮凝剂 活性有增强作用;刘紫鹃等 。。报道Ca 、Mn抖 对巨大芽孢杆菌絮凝剂活性的增强作用最为显 著;wu等_1。 报道Ca 、Mg抖对枯草芽孢杆菌絮 凝剂活性在pH 4~8范围内有显著影响,尤其是 Ca 的作用最为明显;因此,结合前人的试验结 果,本试验考察了不同Ca 。。浓度对芽孢杆菌 MBFF6絮凝活性的影响,结果表明,当加入 Ca 。。浓度为O~4.5 mmo1.L 时,絮凝率逐渐升 高,在浓度为4.5 mmo1.L 时絮凝率达到最大, 之后随着剂量的增加,逐渐降低. pH是影响絮凝活性的重要因素之一,它不 仅影响絮凝剂的表面电荷性质、形态结构、数量, 还影响水体中悬浮物质的电荷性质,从而影响它 们的相互作用.试验结果表明,高岭土悬液的pH 值对芽孢杆菌MBFF6所产絮凝剂絮凝效果的 影响极为明显,在酸性条件下絮凝效果较差,在 碱性环境中效果良好,当pH为7时絮凝效果最 好,絮凝率达到95.1 .主要原因是由于pH升 高可减小悬浮颗粒间的相互斥力,有利于絮凝剂 和悬浮颗粒之间形成架桥,促进絮凝沉淀. 4 结 论 本试验从校园土壤中分离得到1株具有高 效絮凝活性的芽孢杆菌MBFF6,其对高岭土的 絮凝率达95.7 .通过细菌形态、生理生化特 References: [1]Shih I L,Van Y T,Yeh L C,et a1.Production of a biopolymer flocculant from Bacillus licheniformis and its flocculation properties[J].Bioresource Technology, 2001,78(3):267—272. 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