微生態(tài)發(fā)酵床功能菌株產(chǎn)孢條件的優(yōu)化

秦艷梅+張愛民

摘要：發(fā)酵床養(yǎng)殖技術(shù)是依據(jù)微生物學(xué)、營(yíng)養(yǎng)學(xué)、生態(tài)學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)等原理，利用特有活性的功能微生物復(fù)合菌群，持續(xù)、穩(wěn)定地將動(dòng)物的糞尿廢棄物轉(zhuǎn)化為多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與能量，實(shí)現(xiàn)糞尿完全降解的無污染、零排放目標(biāo)的一種新環(huán)保型養(yǎng)殖模式。其中高轉(zhuǎn)化率微生物菌株起著重要作用。對(duì)豬排泄物具有除臭功能的枯草芽孢桿菌N43進(jìn)行發(fā)酵條件研究，通過單因素試驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)基成分進(jìn)行篩選，利用響應(yīng)面分析法（response surface methodology，簡(jiǎn)稱RSM）和Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)建立數(shù)學(xué)模型，確定該菌株最佳培養(yǎng)基濃度為玉米粉0.5%、大豆餅粉2.5%、FeSO4 05%、MgSO4 0.05%，最佳培養(yǎng)條件為pH值7.5、種齡20 h、裝量30 mL/250 mL，芽孢生成率為95%。

關(guān)鍵詞：微生態(tài)發(fā)酵床；功能菌株；產(chǎn)孢條件；發(fā)酵工藝；培養(yǎng)基；培養(yǎng)條件；芽孢形成率；優(yōu)化

中圖分類號(hào)： S188+.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）04-0235-04

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)牧業(yè)大國(guó)，隨著養(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展和人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，在養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的糞便污染問題嚴(yán)重制約了該行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。禽畜糞便的污染也成為綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展中不可忽視的問題[1]。發(fā)酵床養(yǎng)豬技術(shù)運(yùn)用墊料中的微生物迅速降解、消化豬的排泄物，從源頭實(shí)現(xiàn)免沖洗豬欄、無臭味、零污染的養(yǎng)殖目的[2]。新型微生物發(fā)酵床養(yǎng)殖技術(shù)可以有效地解決畜禽生產(chǎn)中的糞便處理和環(huán)境污染問題，緩解養(yǎng)豬業(yè)對(duì)環(huán)境帶來的壓力。

本研究通過對(duì)具有除臭功能的枯草芽孢桿菌N43進(jìn)行發(fā)酵工藝的優(yōu)化，從而為研制出高效的適宜產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的微生態(tài)制劑提供種質(zhì)資源和理論基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料[HT]

枯草芽孢桿菌N43菌株，由河北省微生物研究所提供。

葡萄糖、NaCl、（NH4）2SO4，KH2PO4·2H2O、NaH2PO4·2H2O、MnSO4·H2O、CuSO4·5H2O、MgSO4·7H2O、CaCl2·2H2O、ZnCl2、FeSO4·5H2O、蔗糖、乳糖、甘油、麥芽糖、可溶性淀粉、麥芽糊精，胰蛋白胨、酵母浸粉、牛肉浸膏、大豆蛋白胨、蛋白胨均為分析純，玉米粉、大豆餅粉、豆粕為市售。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1種子培養(yǎng)及發(fā)酵

將試管斜面上活化的菌株接種于裝有種子培養(yǎng)基的三角瓶中，振蕩后制成均勻的菌懸液。裝量為50 mL/250 mL，200 r/min 37 ℃搖床振蕩培養(yǎng)20 h。將種子液按10%接種量接種于發(fā)酵培養(yǎng)基中。200 r/min 37 ℃搖床振蕩培養(yǎng)。

1.2.2培養(yǎng)基單因素試驗(yàn)

單因素試驗(yàn)是通過研究碳源、氮源和無機(jī)鹽種類，對(duì)培養(yǎng)基濃度進(jìn)行響應(yīng)面分析。

以玉米粉、可溶性淀粉、葡萄糖、蔗糖、乳糖、甘油、麥芽糖、麥芽糊精代替基礎(chǔ)發(fā)酵培養(yǎng)基的葡萄糖作為碳源，以胰蛋白胨、蛋白胨、大豆蛋白胨、大豆餅粉、豆粕、牛肉浸膏、酵母浸粉、硫酸銨作為氮源，以0.05%的KH2PO4·2H2O、NaH2PO4·2H2O、MnSO4·H2O、FeSO4·5H2O、MgSO4·7H2O、CuSO4·5H2O、CaCl2·2H2O、ZnCl2作為發(fā)酵培養(yǎng)基的無機(jī)鹽，進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

1.2.3培養(yǎng)條件單因素試驗(yàn)

分別從pH值、種齡、裝量3個(gè)方面進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

2結(jié)果與分析

2.1不同碳源對(duì)菌株芽孢形成的影響

分別以玉米粉、可溶性淀粉、葡萄糖、蔗糖、乳糖、甘油、麥芽糖、麥芽糊精代替基礎(chǔ)發(fā)酵培養(yǎng)基的葡萄糖作為碳源，基礎(chǔ)培養(yǎng)基中其他成分不變，200 r/min 37 ℃搖床培養(yǎng)，取樣觀察芽孢生成情況。

2.2不同氮源對(duì)芽孢形成的影響

分別以胰蛋白胨、蛋白胨、大豆蛋白胨、大豆餅粉、豆粕、牛肉浸膏、酵母浸粉、硫酸銨作為氮源，其他成分不變。在 37 ℃、200 r/min搖床上振蕩培養(yǎng)，取樣觀察，從表2可得出，培養(yǎng)72 h時(shí)，大豆餅粉作氮源時(shí)N43菌株的芽孢形成率達(dá)到87.73%，故以大豆餅粉為最佳氮源。

2.3不同無機(jī)鹽對(duì)芽孢形成的影響

CaCl2·2H2O、ZnCl2作為發(fā)酵培養(yǎng)基的無機(jī)鹽，搖振蕩床培養(yǎng)。取樣觀察，計(jì)算芽孢形成率。從表3中可以看出，MnSO4·H2O 和FeSO4·5H2O為N43菌株的最佳無機(jī)鹽。

2.4培養(yǎng)基濃度響應(yīng)面法分析

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，根據(jù)中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，以芽孢形成率為指標(biāo)，選取玉米粉、大豆餅粉、FeSO4·5H2O、MgSO4·7H2O 4個(gè)因素，分別以A、B、C、D表示，每個(gè)自變量3水平分別以-1、0、1進(jìn)行編碼，試驗(yàn)因素及水平編碼見表4，數(shù)據(jù)用Design-Expert軟件統(tǒng)計(jì)，確定最優(yōu)發(fā)酵培養(yǎng)基濃度。

由表5可知，根據(jù)回歸方差的分析顯著性檢驗(yàn)，該模型的P值<0.05，說明模型是顯著的。失擬項(xiàng)誤差為0.399 9，不顯著，r2=90.75，說明該模型與實(shí)際試驗(yàn)有良好的擬合性，交互項(xiàng)AC的偏回歸系數(shù)最小，說明玉米粉和FeSO4交互項(xiàng)對(duì)產(chǎn)芽孢率影響顯著。

基于回歸模型方差分析，用軟件做出AC交互作用對(duì)產(chǎn)芽孢率的影響的等高線及響應(yīng)面圖（圖1）。

由上述分析可知，適當(dāng)濃度的玉米粉、大豆餅粉、FeSO4和MgSO4等試驗(yàn)因素有利于芽孢的形成，因此可以采用軟件優(yōu)化功能得到最佳試驗(yàn)條件，優(yōu)化出的最終結(jié)果為玉米粉05%、大豆餅粉2.5%、FeSO4 0.5%、MgSO4 0.05%時(shí)產(chǎn)芽孢率可達(dá)最高。

為檢驗(yàn)響應(yīng)面分析法的可靠性，采用上述最優(yōu)條件進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)際測(cè)得產(chǎn)芽孢率達(dá)到95%。因此，基于響應(yīng)面法所得到的最佳配方準(zhǔn)確可靠。

2.5培養(yǎng)條件分析

3討論與結(jié)論

生物除臭技術(shù)是通過微生物的生理代謝活動(dòng)利用惡臭物質(zhì)，將其氧化成無臭、無害終產(chǎn)物，達(dá)到除臭的目的[3]。發(fā)酵床養(yǎng)豬技術(shù)利用具有生物除臭功能的微生物菌株，資源合理配置，有利于綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展。芽孢桿菌具有抗逆性強(qiáng)、營(yíng)養(yǎng)需求簡(jiǎn)單、繁殖快、易存活，生長(zhǎng)過程中產(chǎn)生抗菌活性物質(zhì)增強(qiáng)對(duì)病害的抵抗能力等諸多優(yōu)點(diǎn)[4]，成為微生態(tài)制劑的首選菌種。

芽孢的形成受營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和環(huán)境因素雙重影響[5-6]。本研究結(jié)果表明，影響芽孢形成的主要因素是培養(yǎng)基成分和培養(yǎng)條件。甄靜等對(duì)枯草芽孢桿菌-1產(chǎn)芽孢條件的優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果表明，培養(yǎng)基的氮源、碳源和無機(jī)鹽的配比均對(duì)芽孢形成有影響[7]，這與本研究結(jié)果一致。孫梅等對(duì)納豆芽孢桿菌芽孢形成的研究結(jié)果表明，葡萄糖濃度對(duì)菌體生長(zhǎng)和芽孢形成均有影響，濃度低時(shí)，提高葡萄糖濃度能提高菌體量，但是芽孢形成幾乎不受影響；過高的葡萄糖濃度抑制菌體生長(zhǎng)，且芽孢形成率降低[8]。液體裝量直接影響通氣量即溶氧，裝量小即通氣量大，可促進(jìn)菌體的生長(zhǎng)，提高芽孢形成率。Karim等對(duì)球形芽孢桿菌（B.sphericus）溶解氧與芽孢形成關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明隨著溶解氧濃度升高，芽孢形成率也隨之上升[9]。這與本研究結(jié)果不完全一致，可能與菌株有關(guān)。宋卡魏等報(bào)道pH值7.0時(shí)芽孢產(chǎn)量最大[10]；路程等的研究表明，中性或偏酸的培養(yǎng)基起始pH值會(huì)促進(jìn)芽孢的形成，而偏堿性會(huì)抑制芽孢的形成[11]。本研究在pH值75時(shí)， 產(chǎn)芽孢率最大，可能與菌體本身的特性有關(guān)。本研究對(duì)枯草芽孢桿菌N43的發(fā)酵產(chǎn)芽孢條件進(jìn)行了優(yōu)化，達(dá)到了較高的芽孢濃度，為進(jìn)一步的小試及中試生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

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