高效纤维素降解真菌的筛选及粗酶活性

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  摘要[目的]筛选纤维素酶活力高的纤维素降解真菌,研究其粗酶活性。[方法]从土壤中分离、筛选高效纤维素降解菌,以透明圈试验和滤纸降解试验验证其降解能力,通过菌落菌丝形态及rDNA-ITS序列测序鉴定菌株种属,通过改变培养时间、氮源、装液量、起始pH及培养温度5个因素探讨纤维素降解真菌的最适产酶条件。[结果]得到3株纤维素降解真菌QS2、QS6和QW9,经鉴定确定QS2和QS6属青霉属(Penicillium),QW9为康宁木霉(Trichoderma koningii)。QS6菌株的FPA酶活和CMC酶活在3个菌株中均表现活力最高,且最适产酶条件为32 ℃时氮源为磷酸铵、起始pH 6.0、装液量100 ml,培养时间14 d。[结论]高效纤维素降解真菌粗酶活性的研究为纤维素酶的发酵生产提供一定的技术支持。
  关键词纤维素;真菌;降解能力;FPA酶活;CMC酶活
  纤维素(cellulose)是由葡萄糖组成的大分子多糖,不溶于水及一般有机溶剂,是植物细胞壁的主要成分。纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖,占植物界碳含量的50%以上[1]。同时,纤维素也是一种可再生资源,能被很多种微生物有效转化为单糖,并通过后续的加工来生产乙醇等能源物质或其他工业产品。目前,研究较多的包括木霉(Trichoderma)、曲霉(Aspergillus)、青霉(Penicillium)和纤维单胞菌属(Cellulomonas)、纤维弧菌属(Cellvibrio)等[2]。
  纤维素酶是降解纤维素成为葡萄糖单体所需的一组酶的总称。它不是单种酶,而是起协同作用的多组分酶系,一般认为主要包括内切葡聚糖酶(EG)、外切葡聚糖酶(CBH)、β葡萄糖苷酶三类酶组分[3-4]。纤维素酶的发酵生产及高酶活性的保持一直是纤维素酶在生产应用中亟待解决的问题。笔者拟从土壤中分离高效纤维素降解菌,筛选出酶活较高的纤维素降解菌,并进行分子鉴定,同时对其粗酶活性进行分析。
  1材料与方法
  1.1材料
  1.1.1样品的采集。采集大庆森林公园多年生针叶林落叶底层的土壤,进行纤维素降解真菌的筛选及分离、纯化。
  1.1.2培养基的配制。筛选培养基:NaCl 0.5 g,MgSO4 0.5 g,KH2PO4 0.5 g,CMCNa 2.0 g,蛋白胨1 g,刚果红0.2 g,琼脂条20 g,蒸馏水1 000 ml(自然pH),灭菌冷却;
  PDA培养基:葡萄糖20 g,20%土豆汁1 L,pH自然,最后定容到1 000 ml;
  产酶培养基:KH2PO4 2.0 g,MgSO4·7H2O 0.6 g,CaCl2 02 g,FeCl3 0.03 g,NaCl 0.1 g,滤纸片20 g,定容到1 000 ml,pH 72~7.5。
  1.2方法
  1.2.1纤维素降解真菌的筛选及分离、纯化。将土壤样品过筛,去除杂草、石块等杂物,称取3 g土壤样品,放入无菌水中充分悬浮,静置1 h后吸取上清液,进行梯度稀释,分别获得原液、10-1、10-2、10-3以及10-4的菌液,各取100 μl均匀涂布在筛选培养基上,28 ℃倒置培养。待长出菌落后,挑取长势良好的不同菌落形态的真菌在PDA培养基上进行反复三区划线,直至得到纯化的单菌落,再切下单菌落边缘部分接种到PDA平板上,28 ℃倒置培养作为种子。
  1.2.2纤维素降解真菌的鉴定。挑取纯种的真菌菌丝,加入50 ml液体PDA培养基中,28 ℃,140 r/min振荡培养约3 d,将菌液中的菌丝过滤抽干,利用CTAB法进行基因组DNA的提取,利用ITS引物扩增18S rDNA序列,经测序后在NCBI上进行比对,确定菌株的近源种。
  1.2.3纤维素降解真菌降解能力的测定。
  1.2.3.1透明圈法。在以纤维素为唯一碳源的固体培养基上接种纤维素降解真菌,28 ℃培养3 d,测定菌落直径(d,cm)和水解圈直径(D,cm),用HC[5]表示水解能力。
  HC =(D/d)2
  1.2.3.2滤纸条降解法。将直径约1 cm纤维素降解真菌菌块接种于50 ml以滤纸块为唯一碳源的液体培养基中,80 r/min,28 ℃振荡培养2~7 d后观察滤纸崩溃情况,反映纤维素降解真菌的降解能力[6]。
  1.2.4纤维素降解真菌粗酶活的测定。
  1.2.4.1粗酶液的制备。吸取发酵液1 ml于10 ml离心管,平衡后于1 000 r/min、4 ℃下离心10 min,上清液即为粗酶液。
  1.2.4.2酶活力的测定。采用3,5-二硝基水杨酸法(DNS法),测定总纤维素酶活力滤纸酶活(FPAase)和内切1,4-葡聚糖酶活力(CMCase)。
  1.2.4.3CMC酶活力的測定。取1.5 ml羧甲基纤维素钠溶液,加入0.5 ml粗酶液,50 ℃反应30 min后加入1.5 ml DNS试剂,沸水浴5 min,立即冷却,加入1.5 ml蒸馏水,540 nm比色。在上述条件下,1 ml粗酶液在1 min内催化底物生成1 pg葡萄糖的酶量为一个酶活力单位(U)[7]。
  1.2.4.4滤纸酶(FPA)活力的测定。分别称取0.5 g滤纸小孔于试管内,加入柠檬酸缓冲液(pH 5),再加入0.5 ml粗酶液,轻轻摇匀,使滤纸完全浸泡在液体中;在50 ℃温度下保温60 min后,同上采用DNS法测定还原糖[8]。酶活定义同上。酶活通过以下公式计算。
  酶活(U)=(OD值×0.724 1×0.039 4)×5×1 00030×0.5
  式中,5为定容到的体积,单位为ml;1 000为单位换算;30为反应时间,单位为min;0.5为粗酶液体积,单位为ml。   1.2.5菌株液态产酶影响因素的分析。将纯化的纤维素降解真菌接入到产酶液体培养基中,分别改变培养时间、氮源、装液量、起始pH及培养温度[9-10],测定其粗酶活,探讨各因素对纤维素降解真菌酶活的影响。
  2结果与分析
  2.1纤维素降解真菌的筛选与鉴定
  通过比较在筛选培养基上纤维素降解真菌的生长速率及透明圈试验的结果,筛选出3株具有纤维素降解优势的真菌,分别编号为QS2、QS6和QW9,其菌落形态见表1。由图1可知,3种真菌的菌丝均为有隔膜菌丝,QW9的菌丝上可见梭形孢子。
  对ITS序列测序后,在NCBI中与近源属进行比对,构建进化树(图2)。其中,QS2与QW9亲缘关系较近,同属青霉属(Penicillium),QS6与木霉属(Trichoderma)中康宁木霉(Trichoderma koningii)亲缘关系最近。
  2.2纤维素降解真菌降解能力的测定
  2.2.1采取透明圈测定法测定纤维素降解真菌的降解能力。由于刚果红能够与纤维素等多糖发生络合反应,形成的络合物显示红色,但是刚果红不与纤维素的降解产物如纤维二糖、葡萄糖等发生反应[11-12]。3种纤维素降解真菌在刚果红染色后得到的透明圈情况见
  2.2.2采取滤纸条降解法测定纤维素降解真菌的降解能力。28 ℃,80 r/min振荡培养6 d后,根据滤纸条的断裂程度判断纤维素降解真菌的降解能力。QS2、QS6、QW9菌株对滤纸的降解情况分别为滤纸边缘膨胀、滤纸不定形、滤纸整齐膨胀并弯曲[13]。
  2.2.3比较在培养相同时间后,QS6菌株所在的三角瓶中滤纸的崩溃程度最大。因此,根据透明圈试验中HC大小和滤纸降解程度,可以初步判断QS6菌株的纤维素降解能力相对较强。
  43卷21期许凤华等高效纤维素降解真菌的筛选及粗酶活性
  2.3纤维素降解真菌液态发酵的影响因素
  2.3.1培养时间。将菌株接种于液体发酵培养基中,分别于2、6、10、14、18、22 d制备粗酶液,测定FPA酶活和CMC酶活。
  由图4、5可知,3种纤维素降解真菌酶活均在培养初期随着培养天数的增加而升高,培养第14天时几乎达整个培养阶段的最高酶活,并可保持3~4 d,其中菌株QS2和QW9酶活在培养第22天时出现下降的趋势,而QS6菌株还略有升高。其中,QS6菌株的FPA酶活和CMC酶活均在培养第22天时达到最大值,分别为70.74和523.06 U,其次为QW9菌株,QS2的酶活相对最低。根据3个菌株的酶活随培养时间的变化特点,在后面几个影响因素探讨时以14 d为测定FPA酶活和CMC酶活的时间点。
  2.3.2氮源。氮源是组成蛋白质与核酸的主要来源。菌株的生长代谢也离不开氮源。氮源对菌株的产酶能力有较大的影响[14]。选择尿素、蛋白胨、硝酸钠、磷酸铵和硫酸铵为不同氮源,研究氮源对3种纤维素降解真菌酶活的影响[15-17]。将菌株接种于改变了氮源的产酶培养基中,28 ℃,80 r/min振荡培养14 d后,制备粗酶液,分别测定FPA酶活和CMC酶活。
  根据不同氮源条件下测得的FPA酶活和CMC酶活,在P=0.05时氮源对酶活的影响表现为显著影响,可见氮源作为影响菌株生长的重要因素,显著影响菌株产酶活力。由图6、7可知,QS6和QW9两种纤维素降解真菌在以磷酸铵为氮源时FPA酶活和CMC酶活均表现为最大活力,而QS2在硝酸钠氮源条件下两种酶活最高。
  2.3.3装液量。分别取产酶培养基50、100、150、200 ml到250 ml灭菌三角瓶中,接入菌株,28 ℃,80 r/min振荡培养14 d后制备粗酶液,分别测定FPA酶活和CMC酶活。
  由图8、9可知,当装液量为100、150 ml时,3种纤维素降解真菌的酶活均表现为较高的状态,且差异不显著,即在250 ml三角瓶中,装液量100、150 ml均可达到最高酶活。随着装液量的增加,3种纤维素降解真菌的酶活显著下降。这可能与供氧情况有关。装液量过多,瓶中氧气较少,不利于菌株的生长和产酶;而培养液过少,菌株生长后期营养不足,产酶量、活性都会受到显著影响[18]。
  2.3.4培养基起始pH。将3种纤维素降解真菌菌株接种于产酶培养基中,培养基初始pH分别为5、6、7、8、9和10,28 ℃,80 r/min条件下培养,于第14天制备粗酶液,分别测定FPA酶活和CMC酶活。
  由图10、11可知,起始pH对3株真菌的产酶活性也有着显著影响。3株纤维素降解真菌均在起始pH偏酸性的范围内表现出较高活性。除QS2和QW9菌株的CMC酶活在pH为7.0时表现为最高外,3株真菌的FPA酶活和QS6的CMC酶活均在pH 6.0时达到最高。对于QS6菌株,当pH为6.0时,FPA酶活和CMC酶活均为最大值,因此可以认为6.0为QS6菌株的最适pH。
  2.3.5培养温度。将菌株接种于产酶培养基中,分别在20、24、28、32、36和40 ℃6个不同培养温度下80 r/min振荡培养14 d后制备粗酶液,分别测定FPA酶活和CMC酶活。
  由图12、13可知,3株真菌的两种酶活均在28和32 ℃時表现活力较强,而这2个温度对酶活影响不显著,在其他培养温度水平下均显示0.05水平显著差异。总体看来,QS6菌株的FPA酶活和CMC酶活均在32 ℃达到最高,而QS2和QW9的CMC酶活在28 ℃时最大。因此,QS6的最适培养温度为32 ℃,QS2和QW9的最适培养温度为28~30 ℃。
  3结论与讨论
  从土壤中分离到的3株纤维素降解真菌在透明圈试验和滤纸条降解试验中都表现出较高的降解能力。通过菌落菌丝形态及rDNAITS序列鉴定,QS2和QW9属青霉属,而QS6为康宁木霉。研究表明,培养时间、氮源、装液量、起始pH及培养温度都对菌株的粗酶活性有着显著影响。QS6的FPA酶活和CMC酶活在3株纤维素降解真菌中都表现为最高,其最适产酶条件为:培养温度32 ℃,氮源磷酸铵,起始pH 6.0,装液量100 ml,培养时间14 d。   纤维素酶可将地球上最丰富(占全球总生物量80%)、最廉价的可再生资源纤维素转化为能被直接利用的能源和资源。这是很多科学工作者一直致力研究的方向。然而,纤维素酶的发酵生产及高酶活性的保持一直是生产上难以彻底解决的问题。真菌中的纤维素酶含量较高,活性较强,因此分离纤维素降解真菌,并对其粗酶活性进行研究,能够为纤维素酶液以及获得较高活性纤维素酶提供一定的理论基础和技术支持。
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