(論文格式)纖維素降解菌的篩選及其發(fā)酵產(chǎn)酶條件研究

1、纖維素降解菌的篩選及其發(fā)酵產(chǎn)酶條件研究李瑩姝閻淑珍（南京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，南京 210046）摘要：纖維素酶是一種分解纖維素的高活性生物催化劑，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。為了獲得高活性的纖維素降解細(xì)菌，對(duì)從南京師范大學(xué)北區(qū)枯葉堆及其附近土壤采集的樣品進(jìn)行富集和剛果紅纖維素平板初篩，得到6株產(chǎn)纖維素分解酶的菌株，其中5株為細(xì)菌（B1、B3、B4、B8、B10），1株可能為真菌(B10)。經(jīng)過水解圈復(fù)篩，得到兩株產(chǎn)酶活性較高的細(xì)菌菌株B3、B10，經(jīng)過細(xì)菌形態(tài)觀察及生理生化鑒定，初步鑒定B3為革蘭氏陽性桿菌（可能為巨大芽孢桿菌）、B10為革蘭氏陽性桿菌。經(jīng)過搖瓶發(fā)酵，測(cè)定其CMCase、FPA酶活力

2、，結(jié)果表明B3和B10兩菌株分別在培養(yǎng)第三天后所產(chǎn)CMC酶的活力達(dá)到最高，分別為55.09 U/mL和44.99 U/mL，并且兩株菌均在培養(yǎng)基PH為8時(shí)酶活力最高。B3菌株基本沒有FPA酶活力，B10菌株在培養(yǎng)三天后FPA酶活力達(dá)到最高104.14 U/mL,?？蛇M(jìn)一步通過紫外誘變育種等方法提高產(chǎn)酶量及酶活性，進(jìn)行進(jìn)一步研究。關(guān)鍵詞：纖維素酶，微生物，篩選鑒定，酶活纖維素是自然界分布最廣、最豐富、最廉價(jià)的可再生性有機(jī)資源和多糖物質(zhì)，隨著地球上不可再生資源日益耗竭，如何有效轉(zhuǎn)化和利用這一豐富資源，成為各國(guó)關(guān)注的重要領(lǐng)域1。發(fā)展和利用生物技術(shù)分解轉(zhuǎn)化天然纖維素原料，得到可利用的糖，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為

3、燃料乙醇、燃?xì)獾饶茉次镔|(zhì)或者菌體蛋白等食品，成為當(dāng)前國(guó)際研究的熱點(diǎn)。2采用微生物技術(shù)解決這一問題是當(dāng)前研究最多方法。目前研究較多的是霉菌, 尤以綠色木霉、里氏木霉和康氏木霉為典型3,對(duì)細(xì)菌研究較少。分離篩選能夠高產(chǎn)纖維素酶, 有效降解纖維素的微生物菌種是應(yīng)用纖維素材料的首要前提，高產(chǎn)降解纖維素細(xì)菌的獲得、得到比較穩(wěn)定的菌劑及應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)上, 對(duì)解決當(dāng)今世界所面臨的糧食短缺、飼料資源緊張、能源危機(jī)和環(huán)境污染等問題具有深遠(yuǎn)的意義4。土壤中的微生物，大約70%90%是細(xì)菌。細(xì)菌適宜在酸堿度接近中性的潮濕土壤中生長(zhǎng)，絕大多數(shù)分布在距地表約3-8cm的土壤層。因此，土壤取樣時(shí)，一般要鏟去表層土。另外，土

4、樣的采集要選擇富含纖維素的環(huán)境，這是因?yàn)樵诶w維素含量豐富的環(huán)境，通常會(huì)聚集較多的分解纖維素的微生物。本實(shí)驗(yàn)從腐爛枯葉附近的土壤中分離篩選能降解纖維素的細(xì)菌，通過富集，剛果紅初篩，水解圈大小復(fù)篩，測(cè)定菌株的CMC酶活力和FPA酶活力，從而得到產(chǎn)纖維素酶活力較高的兩株菌，通過形態(tài)觀察、生理生化試驗(yàn)初步鑒定菌種。1材料和方法1.1菌種來源采集：綜合各種因素，本小組圖樣采集于南京師范大學(xué)仙林校區(qū)生地圖書館后的土壤。在不同的3個(gè)地點(diǎn)采樣。土樣1：腐爛葉下；土樣2:竹葉下；土樣3：背陽面枯葉堆。1.2 試劑與儀器DNS試劑（3，5-二硝基水楊酸），檸檬酸-磷酸鹽緩沖液（pH 68），碳酸鈉-碳酸氫鈉緩沖液

5、（pH 9），0.51%羧甲基纖維素鈉溶液（CMC），1mg/mL葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)液。恒溫培養(yǎng)箱、恒溫烘箱，恒溫水浴鍋，控溫?fù)u床、全自動(dòng)滅菌鍋、電磁爐、微波爐、離心機(jī)、精密分析天平，托盤天平，721分光光度計(jì)，20mL具塞刻度試管，20ml試管， pH計(jì)（酸度計(jì)），容量瓶，移液管（0.5mL，2mL），小口瓶、燒杯、量筒等。1.3 培養(yǎng)基富集培養(yǎng)基：纖維素粉2.5g，NaNO3 0.5g，Na2HPO47 H2O 0.25g,KH2PO4 0.45g ,MgSO47 H2O 0.25g ,KCl0.25g ,酵母粉0.25g ，溶解定容至500ml；剛果紅纖維素培養(yǎng)基：纖維素粉1.88g，MgSO4

6、7H2O 0.25g，K2HPO40.5g ，剛果紅0.2g，瓊脂14.0g，明膠2g，蒸餾水1000mL；剛果紅纖維素鈉培養(yǎng)基：CMC-Na 10g，酵母膏1g，瓊脂15g，明膠2g，K2HPO4 0.5g，MgSO47 H2O 0.25g，剛果紅0.05g，蒸餾水1000mL；酶活培養(yǎng)基(g/L): CMC-Na 5.0 g, 蛋白胨2.5 g, 酵母膏0.5 g, MgSO40.3 g, KH2PO42.0 g, NaCl 1.0 g,(NH4)2SO41.4 g, CaCl22H2O 0.3 g, FeSO47H2O 0.005 g,MnSO40.0016 g, ZnC120.0017

7、 g,定容至1000mL , 自然pH；牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基（NA）：牛肉膏3.0g，蛋白胨10.0g，NaCl 5.0g，瓊脂17.0g，水1000mL，pH7.07.2。牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基（NA）：牛肉膏3g，蛋白胨10g，NaCl 5g，瓊脂 15g，自來水稀釋至1000 ml。1.4菌種的分離與純化1.4.1樣品處理目的菌富集：稱取土樣20g，在無菌條件下加入已滅菌的裝有50ml培養(yǎng)基和6顆玻璃珠的250ml錐形瓶中，將瓶口塞好扎緊(8層紗布1層牛皮紙)，將瓶置于搖床上，在30下振蕩培養(yǎng)3d。梯度稀釋：用量程為1000L的移液管從富集培養(yǎng)土壤液中吸取1ml土壤懸液加入盛有9ml無菌水的試

8、管中充分混勻。然后換槍頭從此試管中吸取1ml加入另一盛有9ml無菌水的試管中，混合均勻，以此類推制成10-110-6不同稀釋度的土壤溶液。1.4.2菌種初篩初將稀釋倍數(shù)分別為10-5、10-6的樣品溶液，在無菌條件下每個(gè)溶液取0.1ml分別涂布到剛果紅纖維素培養(yǎng)基（剛果紅纖維素鈉培養(yǎng)基作對(duì)照）上，用涂0.1ml蒸餾水的兩種培養(yǎng)基平皿做空白對(duì)照，28培養(yǎng)4d，選擇四周有透明水解圈的菌株進(jìn)行分離純化。1.4.3分離純化把菌種初篩得到的菌落分別在剛果紅纖維素培養(yǎng)基上劃線分離，為進(jìn)一步純化菌株共進(jìn)行了兩次此劃線分離。并排除初篩時(shí)處在透明圈內(nèi)但不產(chǎn)生纖維素酶的假陽性菌，得到純培養(yǎng)。1.4.4菌種復(fù)篩將純

9、化后的菌株點(diǎn)接種到纖維素剛果紅培養(yǎng)基上，每個(gè)培養(yǎng)基點(diǎn)四個(gè)點(diǎn)，28培養(yǎng)4d。用毫米刻度尺精確測(cè)量水解圈直徑（H）和菌落直徑（D），每個(gè)菌株選三個(gè)最接近圓形的菌落進(jìn)行測(cè)量，沒個(gè)菌落測(cè)三條直徑，求得的H/C比值的平均值即可粗略代表各菌株的酶活大小，選取H/C比值最大的菌株進(jìn)行進(jìn)一步精確地酶活測(cè)定。1.5菌種鑒定在復(fù)篩選出的菌種中選出兩個(gè)H/C比值最大的菌種，即B3和B10，進(jìn)行生理生化鑒定。將菌株擴(kuò)大培養(yǎng)，轉(zhuǎn)接到NB培養(yǎng)基上，置于28恒溫培養(yǎng)24h活化菌種。形態(tài)學(xué)的生理生化形狀實(shí)驗(yàn)參考周德慶微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)手冊(cè)進(jìn)行初步鑒定。51.6酶活測(cè)定1.6.1粗酶液的制備將篩選得到的純菌株接種到50 mL 搖瓶培

10、養(yǎng)基中, 于30C、160 r/min 搖瓶培養(yǎng)16 d。每天取出發(fā)酵液, 5000 r/min、4 C 離心20min, 取上清液即是細(xì)胞胞外酶液, 用于不同培養(yǎng)時(shí)間酶活力的測(cè)定。1.6.2 DNS法測(cè)定酶活力葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線：準(zhǔn)確稱取100mg恒重的葡萄糖，用蒸餾水溶解定容于100ml容量瓶中，配制成1mg/ml標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖溶液，作為標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖母液備用。按照表1完成各試劑的添加及反應(yīng)，取出冰水中冷卻至室溫后定容至10ml，分別在540nm下比色，記錄吸光值，繪制葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線。表1 不同濃度的葡萄糖溶液管號(hào)12345678標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖溶液(ml)0.00.20.40.60.81.01.21.4蒸

11、餾水(ml)2.01.81.61.41.21.00.80.6DNS (ml)1.51.51.51.51.51.51.51.5搖勻后沸水浴7min，取出冷卻蒸餾水(ml)16.516.516.516.516.516.516.516.5菌株CMC酶活力的測(cè)定: 在10ml試管中加入0.5ml酶液，對(duì)照組（A組）管加1.5ml DNS試劑，實(shí)驗(yàn)組（B、C、D組）不加；4組管一起50保溫2min，同時(shí)分別加1.5ml不同PH含CMC-Na的緩沖溶液（PH 6.0、7.0 、8.0、9.0），50水浴酶解30min,實(shí)驗(yàn)組加1.5ml DNS試劑終止反應(yīng)，沸水浴7min，冷卻定容至10ml。以對(duì)照組試管

12、溶液為空白對(duì)照，在波長(zhǎng)540nm處測(cè)定吸光度并記錄結(jié)果。根據(jù)上述平行實(shí)驗(yàn)組的平均值，在標(biāo)準(zhǔn)曲線上查出對(duì)應(yīng)的葡萄糖含量，計(jì)算酶活力6。濾紙酶活力（FPA）的測(cè)定：在10ml試管中加入0.5mL酶液和1.5mL檸檬酸緩沖液，向?qū)φ战M（A組）試管中加入1.5mlDNS試劑以鈍化酶活性，作為空白對(duì)照，實(shí)驗(yàn)組（B、C、D組）先不加。將實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組試管同時(shí)在50水浴中預(yù)熱5min，然后各加入50mg濾紙條（新華定量濾紙，1cm6cm，多張疊起來剪，卷成蓬松的卷，使可以淹沒），50 C保溫30min，取出后立即向?qū)φ战M組試管中迅速加入1.5mL DNS試劑以終止酶反應(yīng)。將4組試管充分搖勻后在沸水浴中加熱8

13、min，取出冷卻后用蒸餾水定容至10mL。以對(duì)照組組試管溶液為空白對(duì)照，在波長(zhǎng)540nm處測(cè)定吸光度并記錄結(jié)果。根據(jù)上述平行實(shí)驗(yàn)組的平均OD值，在標(biāo)準(zhǔn)曲線上查出對(duì)應(yīng)的葡萄糖含量，計(jì)算酶活力。酶活力定義：在50條件下，1ml酶液每分鐘水解底物生成1ug葡萄糖的酶量，稱為一個(gè)酶活力單位，以U/mL表示。酶活力計(jì)算公式如下：1個(gè)酶活力單位 X=(1000Cn)/T)式中：X:樣品的酶活力（U/mL）；C：測(cè)試液中葡萄糖含量（mg/mL）；n：稀釋倍數(shù)；T：水解時(shí)間（min）。2結(jié)果和分析2.1初篩及菌種純化結(jié)果圖1 產(chǎn)纖維素酶細(xì)菌的初篩部分結(jié)果 初篩培養(yǎng)基上部分菌落周圍產(chǎn)生明顯的透明圈，該菌落即為產(chǎn)

14、纖維素分解酶微生物。通過初篩選出10株可能產(chǎn)纖維素酶的微生物。但有部分水解圈內(nèi)有兩個(gè)或多個(gè)菌落，無法分辨是哪個(gè)菌落產(chǎn)生的透明水解圈，可能存在不產(chǎn)酶的假陽性菌，需經(jīng)進(jìn)一步劃線分離純化確定。初篩實(shí)驗(yàn)中，涂布在剛果紅纖維素培養(yǎng)基上經(jīng)過培養(yǎng)出現(xiàn)明顯的透明圈，初篩效果較好；但涂布在剛果紅纖維素鈉培養(yǎng)基上并未產(chǎn)生明顯的透明圈，篩選效果不好。經(jīng)過兩次分離純化，排除假陽性菌得到了6株產(chǎn)纖維素分解酶的菌株即B1 ,B3 ,B4 ,B8 ,B10 ,B10。其中B10菌可能為共生真菌，菌落中央為紅粉色，周圍一圈為白色，培養(yǎng)一周后菌落呈霉?fàn)?。? 初篩及分離純化結(jié)果土樣編號(hào)初篩涂板稀釋度菌株編號(hào)2-5B013-5B

15、032-6B042-5B083-5B103-5B102.2復(fù)篩及鑒定結(jié)果表3 菌落H/C比值測(cè)量結(jié)果菌種編號(hào)透明圈直徑平均值（H，mm）菌落直徑平均值（C，mm）H/CB118.174.264.27B326.914.645.79B419.784.414.48B817.003.375.05B1026.392.5710.28B1012.442.185.71 表3所示為復(fù)篩的測(cè)量結(jié)果，從表中可以看出，在相同培養(yǎng)條件下經(jīng)過相同的時(shí)間，H/C比值從平均4.38到10.57不等，最大的兩株菌為B10和B03號(hào)菌株，H/C比值分別高達(dá)10.57和5.85，可作為進(jìn)一步測(cè)定精確酶活力的菌株。 經(jīng)過對(duì)B3和B1

16、0的菌種初步鑒定，B3菌株是革蘭氏陽性菌，桿狀，有芽孢，可能為巨大芽孢桿菌。B10號(hào)菌是革蘭氏陽性桿菌。2.3酶活測(cè)定2.3.1葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線 按照表1操作，用分光光度法獲得以葡萄糖濃度為橫坐標(biāo)，吸光值為縱坐標(biāo)所得的標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程：y=15.04X-0.039，R2=0.996。濃度X與吸光值Y之間呈良好的線性關(guān)系。2.3.2菌株CMC酶和FPA酶活力測(cè)定 用不同發(fā)酵時(shí)間粗酶液、不同PH值緩沖液配制的底物溶液，測(cè)定B3和B10兩個(gè)菌株的菌株CMC酶活力。用不同發(fā)酵時(shí)間粗酶液測(cè)定兩株菌FPA酶活力，結(jié)果見圖2、圖3、圖4。3 討論 纖維素酶的來源非常廣泛，真菌、放線菌及細(xì)菌在一定條件下均可產(chǎn)生

17、。本實(shí)驗(yàn)從枯葉堆下的土壤中篩選出六株可產(chǎn)生纖維素分解酶的菌株，其中有兩株產(chǎn)酶活性較高，分別為一株革蘭氏陽性芽孢桿菌B3（可能為巨大芽孢桿菌）和一株革蘭氏陽性桿菌B10，兩菌株分別在培養(yǎng)第三天后所產(chǎn)CMC酶的活力達(dá)到最高，分別為55.09 U/mL和44.99 U/mL，并且兩株菌均在培養(yǎng)基PH為8時(shí)酶活力最高。B3菌株基本沒有FPA酶活力，B10菌株在培養(yǎng)三天后FPA酶活力達(dá)到最高104.14 U/mL。呂靜琳等8所篩選的纖維素分解菌LT-3產(chǎn)濾紙酶活最大可達(dá)33.37 U/ mL,孫軍德等9所篩選的纖維素分解菌在第3天濾紙酶活力達(dá)到最大值為20.14U/ml,對(duì)比可知菌株B10產(chǎn)濾紙酶能力較

18、強(qiáng)。濾紙酶活力可以代表菌株對(duì)于纖維素的綜合降解能力。B10菌株具有很高的FPase活性，這表明該菌具有較完整的酶系，其產(chǎn)生的纖維素酶系具有較強(qiáng)的綜合降解能力。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示兩菌株產(chǎn)纖維素酶活力在經(jīng)過段時(shí)間達(dá)到峰值后會(huì)降低到很低，推測(cè)纖維素酶的產(chǎn)生與細(xì)菌的生長(zhǎng)密切相關(guān)，后期酶活的降低可能與培養(yǎng)基消耗、菌體密度過高導(dǎo)致的細(xì)菌生長(zhǎng)減緩有關(guān)。 纖維素酶是一種復(fù)合酶，包括葡聚糖內(nèi)切酶、葡聚糖外切酶和葡萄糖苷酶。測(cè)定濾紙酶活大的優(yōu)點(diǎn)是可以篩選到產(chǎn)生酶系較全，分泌各個(gè)酶組分比例較為協(xié)調(diào)的菌株。因?yàn)闉V紙包括結(jié)晶型和非結(jié)晶型纖維素，只有三種纖維素酶均有產(chǎn)生的菌株才有可能將其較好的降解。因此濾紙酶活力可以代表菌株

19、對(duì)于纖維素的綜合降解能力。B10菌株具有較高的FPase活性，這表明該菌具有較完整的酶系，其產(chǎn)生的纖維素酶系具有較強(qiáng)的綜合降解能力，可進(jìn)一步通過誘變或基因工程等手段提高其纖維素酶活力，具有相當(dāng)廣闊的理論價(jià)值和工業(yè)應(yīng)用前景。自然狀態(tài)下，纖維素的徹底降解是在微生物體系中多種微生物長(zhǎng)時(shí)間相互作用的結(jié)果，這一過程僅靠一種微生物是無法實(shí)現(xiàn)的。這是由于分解纖維素的酶是由多種組分組成的酶體系。因此，在進(jìn)行纖維素大分子降解的研究過程中要考慮到微生物的產(chǎn)酶體系之間的協(xié)同效應(yīng)10。目前，微生物降解纖維素法還不能夠普遍應(yīng)用，一個(gè)很大的原因就是很多人都想找到一種高效的酶或微生物能充分利用纖維素，而忽略微生物的產(chǎn)酶體系之間的協(xié)同效應(yīng)，很少部分人做利用微生物的產(chǎn)酶體系之間的協(xié)同效應(yīng)降解纖維素的試驗(yàn)，結(jié)果也因?yàn)橄拗埔蛩剌^多而不樂觀，因此，要實(shí)現(xiàn)生物法降解纖維素的產(chǎn)業(yè)化，還需繼續(xù)探索。若能進(jìn)一步研究纖維素酶的協(xié)同作用, 應(yīng)用混合發(fā)酵把天然纖維素, 如農(nóng)作物秸稈、竹子纖維、城市廢料、木材等中的纖維素, 轉(zhuǎn)化為燃料、醫(yī)藥、食品及高科技紡織等行業(yè)的可利用資源, 這對(duì)當(dāng)今高度重視的環(huán)境和生態(tài)問題將會(huì)有很大的研究前景和意義4,7。參考文獻(xiàn)：1 朱建良，邱曄，陳曉曄，等.1株產(chǎn)纖維素酶真菌的鑒定及其酶學(xué)性質(zhì)初探J.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008,36（21）：90