Zn2+對富鋅酵母生物量與細胞形態的影響

王 娟，高國賦，王 智 ，魏寶陽

（1.湖南農業大學生物科學技術學院，湖南 長沙 410128；2.湖南省農業信息與工程研究所，湖南 長沙 410125）

眾所周知，鋅是動物生長必需的微量元素，它參與動物機體組成，以酶的活化因子參與體內物質代謝，維持機體正常的生理功能并作為調節因子影響細胞復制和分化。目前，國內在飼料中使用的鐵、鋅等微量元素主要以硫酸亞鐵、硫酸鋅等無機形態添加，這種形態在應用中出現了很多弊病，如動物吸收率低，與飼料中其他營養成分協同配伍性差，影響了鐵、鋅的吸收利用[1]。大量試驗表明，有機態微量元素有容易被動物吸收、利用性高等特點[2]。由于酵母菌安全且營養豐富，因此成為人們用來研究微生物富集微量元素的主要載體之一。酵母菌雖然有一定的富鋅能力，但如果培養基中鋅的濃度過高則會對酵母菌產生毒性，抑制酵母菌的生長[3-5]，因此研究不同濃度Zn2+對酵母細胞生長的影響十分必要。試驗研究了不同Zn2+濃度下酵母菌生物量與細胞形態的變化，旨在為酵母鋅的研究和開發應用提供一定的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 菌株

啤酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）由湖南省植物保護研究所陳玉榮老師提供。

1.2 培養基

3%麩皮固體培養基：30 g麩皮加200 mL水，煮25min后，用4層紗布過濾，添加2%瓊脂，再加水配成1 000 mL溶液，用三角瓶分裝，每瓶100 mL，121℃滅菌20min，制備平板培養基和斜面培養基。

富鋅液體培養基：30 g麩皮加200 mL水，煮25min后，用4層紗布過濾，再加水配成1 000 mL溶液，三角瓶分裝（每瓶100 mL）滅菌后添加滅菌的 ZnSO4·7H2O，使 Zn2+濃度分別為 0.01、0.05、0.08、.01、0.40、0.80 mol/L。

1.3 酵母菌對Zn2+耐受力的測定

將沒有富鋅的啤酒酵母作為出發菌種，先接種1×104cfu的啤酒酵母于Zn2+濃度為0.01 mol/L的麩皮培養液中，28℃、150 r/min搖瓶培養2 d；再取菌液在不含鋅的麩皮固體培養基上劃線分離培養單菌落，28℃倒置培養，2 d后挑取長勢較好的酵母菌落轉接于斜面培養基保存，將保存的斜面菌種轉接于更高的含Zn2+培養液中同條件下搖瓶培養。循環上述過程，對菌種進行富鋅能力的測定。

1.4 Zn2+對酵母生長的影響

根據酵母菌對Zn2+耐受力的測定結果，以不同Zn2+濃度的富鋅培養基接種酵母菌，28℃、150 r/min搖瓶培養2 d。分別取不同Zn2+濃度的富鋅培養基搖瓶培養后的酵母菌懸液制作臨時裝片，在顯微鏡100倍和400倍的條件下觀察酵母細胞形態并拍照。采用光密度法測量酵母菌的生物量，取菌液1 mL稀釋10倍后在590 nm處測吸光值。

2 結果與分析

2.1 酵母菌對Zn2+耐受力的測定

在不同Zn2+濃度下,酵母菌在麩皮培養基上的生長速度和菌落形態差異比較明顯。在沒有加Zn2+時，酵母菌生長迅速，酵母菌落呈乳白色，濕潤，邊緣整齊；在Zn2+濃度為0.01 mol/L時，酵母菌生長迅速，菌落形態沒有明顯變化，仍呈乳白色，濕潤，邊緣整齊；Zn2+濃度為0.08 mol/L時，酵母菌生長較為緩慢，菌落體積略有減小，菌落乳白色，邊緣整齊，易挑取；Zn2+濃度為0.40 mol/L時，酵母菌生長緩慢，菌落數目少，部分菌落邊緣不整齊，顏色呈半透明，難以挑取；Zn2+濃度為0.80 mol/L時，酵母菌不生長。通過酵母菌對鋅的耐受力的測定發現，酵母菌對鋅的耐受力較強，在對菌種進行富鋅能力馴化過程中，培養液中Zn2+濃度提高到0.40 mol/L時，該酵母菌菌株仍然可以生長，并能富集一定量的鋅，但當Zn2+超過一定的濃度后，會對酵母的形態和生長產生影響。因此，試驗以0.01、0.05、0.08、0.10 mol/L的富鋅液體培養基培養，觀察Zn2+對酵母菌生長的影響。

圖1 不同Zn2+濃度對酵母菌生物量的影響

2.2 Zn2+對酵母生物量的影響

從圖1中可以看出，Zn2+對酵母的生物量有明顯的影響，低濃度（0～0.010 mol/L）Zn2+能促進酵母的生長，隨著 Zn2+的濃度（0.05～0.10 mol/L）的增加，對酵母的生長有抑制作用。出現該現象的原因可能是Zn2+在酵母的生命活動中影響了相關酶的活性，Zn2+作為一些酶的激活劑，在適當的條件下可以促進相關酶的活性，當Zn2+的濃度增加到一定的程度時，影響了培養液的滲透壓，同時也對部分酶有抑制作用，從而影響了酵母的生物量。

從上述結果可以看出，用酵母來富集Zn2+生產酵母鋅的產品時，Zn2+的富集是有一定的上限的，應控制培養基中Zn2+的濃度，讓酵母在不嚴重影響產量的條件下富集Zn2+，這對富鋅酵母的育種和生產有一定的指導意義。

2.3 Zn2+對酵母細胞形態的影響

圖2 不同Zn2+濃度對酵母細胞形態的影響

從圖2中可以看出，對照組中酵母細胞形態體積較大且形態多樣，多為出芽狀、鏈狀或橢圓形，此外還有少量細胞呈圓形；當Zn2+濃度為0.01 mol/L時，細胞體積略有減小，細胞形態主要是圓形或是出芽狀，且圓形的細胞明顯增多；當Zn2+濃度提高至0.08 mol/L時，細胞主要呈圓形；當Zn2+濃度為0.1 mol/L時，極少數細胞形態正常，絕大部分酵母細胞形態不規則，部分細胞呈圓形且聚集成片，形成大塊的細胞碎片。Zn2+對酵母細胞形態的影響，主要體現在以下幾個方面：（1）隨著培養液中Zn2+濃度的升高，酵母細胞的體積逐漸變小，只能偶爾觀察到體積較大的細胞（圖2-1～圖2-4）。（2）隨著Zn2+濃度的升高，出芽狀的細胞逐漸減少，細胞多數呈圓形，當Zn2+濃度達到某一值時開始出現形態不規則的細胞（圖2-1、圖2-5）。（3）隨著培養液中Zn2+濃度的升高，菌液中的細胞碎片增多，許多圓形的細胞聚集破碎形成細胞碎片（圖2-6）。

Zn2+對細胞形態影響產生的可能原因是，高濃度的Zn2+影響了酵母細胞細胞壁合成有關酶的活性，使酵母細胞細胞壁的合成受到抑制，從而導致酵母細胞形態的改變，即由橢球形變成圓球形，甚至有的細胞不完整，出現不規則的形態。

3 討論

鋅是與動物體新陳代謝關系密切的重要微量金屬元素之一[6]，酵母菌具有良好的富鋅能力，因而有關酵母鋅的研究一直受到廣泛的關注。試驗初步研究了Zn2+對酵母菌生物量以及細胞形態的影響，結果表明，低濃度的Zn2+能夠提高酵母菌的生物量，高濃度的Zn2+會降低酵母菌的生物量；隨著Zn2+濃度的升高，酵母細胞的體積會逐漸變小，出芽狀的細胞越來越少，圓球形的細胞增多，有的甚至是不規則的；此外，高濃度的Zn2+會使酵母細胞聚集破裂形成大塊的細胞碎片。

有關Zn2+對酵母菌生物量及細胞形態影響的機理未見文獻報道。推測Zn2+可能影響了酵母菌細胞壁的合成和透性。前人研究表明，Zn2+在酵母細胞中富集的主要部位是細胞壁，Bray等[7]認為，酵母細胞在富集金屬離子的過程中，細胞壁是吸收積累金屬離子的主要場所，細胞壁中蛋白質-甘露聚糖組成的外層比幾丁質-葡聚糖組成的內層更重要，并發現與金屬離子結合是細胞壁主要成分的一個功能；張之申等[8]研究認為，鋅是在少量蛋白質參與下與酵母細胞壁多糖強烈絡合而形成的多糖-鋅-蛋白絡合物，這種觀點與鎘、銅等能大量絡合在細胞壁上一致；此外，薛冬樺等[9]報道藥用鋅酵母種的鋅大部分為有機鋅，51%的鋅結合在酵母的細胞壁上，45%的鋅在短肽、氨基酸和無機鹽中，其余分布在線粒體和微粒體上。Zn2+是酵母細胞細胞壁合成有關酶的激活劑和抑制劑，加入低濃度的Zn2+，能激活相關的酶，從而提高生物量；而高濃度的Zn2+影響了培養液的滲透壓，同時也對部分酶的活性有抑制作用，影響酵母細胞壁的合成，從而影響酵母的形態和生物量。細胞壁能夠穩定細胞的形態，控制物質運輸，細胞壁骨架的改變會引起細胞形態發生變化，細胞壁透性的嚴重改變可能會導致細胞破碎，但Zn2+改變酵母細胞壁的結構和透性的機制還需進一步研究。

[1]李淑敏，史秀云，丁宏標，等.富鐵鋅真菌作為飼料添加劑的研究[J].中國畜牧雜志，1997，33（3）：9-11.

[2]李淑敏.酵母作為微量元素載體的研究及應用前景[J].飼料工業.1998，19（2）：29-310.

[3]Incharitable A，Kitjaharn P.Zinc biosorption from aqueous solution bya halotolerant cyanobacterium Aphanothece halophytica[J].Curr Mcrobiol，2002，45：261-264.

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[7]Bray D，Stoll A D，Starke L，et al.Chemical and enzymatic extraction of heavy metal binding ploymers from isolated cell walls of Saccharomyces cerevisivae[J].Biothehnol.Bioeng.1994，44：297-302.

[8]張之申，郭錫勇，李向東，等.鋅酵母中酵母多糖組分的分離純化和分析[J].微量元素與健康研究，1995，12（1）：48-49.

[9]薛冬樺，金 花，肖 毅.藥用鋅酵母培養吸收應用研究[J].中國生物工程雜志，2003，23（6）：72-75.