1株耐高溫纖維素酶產生菌的分離與鑒定

吳孔陽　李婉婉　楊同香　杜如月　楊嬈

摘要：從環境樣品中篩選得到1株耐高溫纖維素酶產生菌A13。形態及生理生化特征測定結果表明，A13菌株與芽孢桿菌屬（Bacillus）中地衣芽孢桿菌（Bacillus licheniformis）的特征基本一致。測定了該菌株的16S rDNA序列并根據16S rDNA構建了系統發育樹，在系統發育樹中，A13菌株與地衣芽孢桿菌形成一個類群，序列同源性為90%。最終確定該菌株為地衣芽孢桿菌。

關鍵詞：耐高溫;產纖維素酶菌株;分離;形態學鑒定;分子生物學鑒定;系統發育樹

中圖分類號： S182文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）09-0312-03

當煤、石油等不可再生資源逐漸短缺甚至枯竭時，資源便成了全球共同面臨的重大問題。纖維素是最豐富的有機物質，是地球上最廣泛最豐富的自然資源和可再生資源之一[1]，每年纖維素的產量都高達2 000億t，但是纖維素難以被分解利用，不僅不能更好地為人類所用，反而還會造成浪費甚至導致環境污染。自1906年纖維素酶在蝸牛消化道內被發現以來，學術界開始普遍采用微生物去降解纖維素[2]。纖維素酶不是單一成分的酶，而是一類復雜的復合物，是由多種酶協同起作用的多酶體系，能夠將纖維素降解為葡萄糖[3]，因此在纖維素酶的作用下降解纖維素不僅可以為全球的能源供應作出貢獻，同時還能有效解決廢棄物處理等一系列問題[4]。

纖維素酶產生菌得到學術界的廣泛研究，僅被記錄在Swiss Protein數據庫中的纖維素酶氨基酸序列就已經達到649條，基因序列共有433條[5]，但是從微生物中篩選出的產纖維素酶菌株的產酶能力低且熱穩定性較差，真正高產的微生物菌株相對較少，纖維素酶的生產依舊處于高成本低產量的狀態，纖維素酶產生菌的選育依然是今后研究的一個重要方向。本研究擬從環境樣品中分離篩選產纖維素酶菌株，并對其進行形態學和分子生物學鑒定，以期能夠得到1株耐高溫的產纖維素酶菌株，為相關基礎研究提供相應的參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 樣品 試驗用樣品采集自生活污泥堆肥。

1.1.2 培養基

纖維素分離培養基：酵母粉5.0 g/L，羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）10.0 g/L，蛋白胨10.0 g/L，NaCl 5.0 g/L，瓊脂20.0 g/L，MgSO4 0.2 g/L，KH2PO4 1.0 g/L，115 ℃ 滅菌30 min。葡萄糖蛋白胨水培養基：蛋白胨 0.5 g/L，K2HPO4 0.2 g/L，葡萄糖0.5 g/L，pH值7.2～7.4。吲哚產生試驗培養基：牛肉膏3.0 g/L，NaCl 5.0 g/L，胰蛋白胨10.0 g/L，pH值7.0～7.2，121 ℃滅菌20 min。檸檬酸鹽利用試驗培養基：MgSO4 0.2 g/L，檸檬酸鈉2.0 g/L，（NH4）2HPO4 1.0 g/L，瓊脂15.0 g/L，NaCl 5.0 g/L，1%溴百里香酚藍水溶液10.0 g/L，pH值6.8～7.0，115 ℃滅菌20 min。

1.1.3 主要試劑

葡萄糖、四水酒石酸鈉、3、5-二硝基水楊酸、苯酚、無水亞硫酸鈉、羧甲基纖維素鈉、無水乙醇、剛果紅、NaCl、溴甲酚紫指示劑、甲基紅、乙醚、吲哚等均為國產分析純。

1.2 方法

1.2.1 菌株分離

用電子天平準確稱取5 g采集的樣品加入到燒杯中，同時向燒杯中加入45 mL無菌水，然后把燒杯放置于沸水中水浴處理10 min，將處理過的燒杯放在130 r/min的搖床培養箱中振蕩培養30 min，取20 μL振蕩培養后的懸液，用移液槍涂布到新的纖維素分離培養基中，最后將培養基倒置于37 ℃恒溫培養箱中培養18～22 h。待培養基中長出菌落后，將培養基以及所需試驗材料放置于超凈工作臺中，在紫外燈下照射20 min，然后用無菌牙簽挑取適量的菌株，分別點接到新的纖維素分離培養基上，并為各菌株編號，將點接過菌株的纖維素分離培養基倒置于37 ℃恒溫培養箱中持續培養 18～22 h。待培養基中長出菌落后，把適量的剛果紅溶液（1 mg/mL）倒入培養基中，要保證剛果紅溶液能夠完全蓋住培養基表面，將培養基靜置染色1 h后倒出剛果紅溶液，再用蒸餾水進行反復清洗，直至流出的液體無紅色為止，最后用適量NaCl溶液（1 mol/L）浸泡洗脫30 min，倒出NaCl溶液。

觀察菌株周圍能否產生透明圈，以菌株產生的透明圈直徑和菌落直徑的比值作為初步判斷纖維素分解能力的指標，并將比值較大的菌株單獨重新點接到新的纖維素分離培養基上，持續培養18～22 h，之后同樣進行剛果紅溶液染色、NaCl溶液浸泡洗脫等步驟，最后用游標卡尺準確測量菌株周圍透明圈的直徑和菌落直徑，并計算兩者的比值。

1.2.2 菌株的鑒定

對經過篩選得到的產纖維素酶菌株進行形態學觀察和一系列生理生化鑒定，在參照《伯杰氏細菌系統鑒定手冊》[6-7]（中文第8版）和《常見細菌系統鑒定手冊》的基礎上，對菌株進行鑒定。

把菌株接種到葡萄糖蛋白胨水培養基中，然后將培養基放置于37 ℃、160 r/min的搖床培養箱中振蕩培養18～22 h，待液體培養基中出現渾濁后，取1.5 mL培養液于離心管進行離心，用于提取菌株的基因組DNA。以所提取到的基因組DNA為模板，采用細菌通用引物27F和1492R，利用PCR擴增技術擴增16S rDNA。

擴增的基本程序為：94 ℃預變性5 min;94 ℃變性45 s，55 ℃退火40 s，72 ℃延伸90 s，30個循環;72 ℃延伸 10 min[8]。取5 μL擴增后的PCR產物置于PCR管中，隨后進行1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測，之后將PCR擴增產物送往北京中科希林生物科技有限責任公司進行DNA測序。在NCBI上通過Blast程序對測序結果進行基因同源性的分析，并構建系統發育樹作進一步分析。

1.2.3 酶活性測定

根據國際單位制，將單位時間內1 mL酶液水解底物所能生成1 μmol葡萄糖的酶量稱為1個酶活性單位，以U/mL表示[9]。參考文獻[10]繪制葡萄糖標準曲線，測定纖維素酶活性大小，取0.5 mL離心后的上清液作為粗酶液，加入含有0.625%羧甲基纖維素鈉、pH值為4.4的緩沖液2 mL，置于50 ℃水浴鍋中酶解0.5 h，然后加入 2.5 mL 二硝基水楊酸（DNS）顯色液于沸水浴中加熱5 min，待冷卻后在540 nm處測吸光度。纖維素酶活性計算公式：

纖維素酶活性=m×1/V×n。

式中：m表示葡萄糖含量，mg;V表示所用酶液量，mL;n表示酶液的稀釋倍數。

2 結果與分析

2.1 菌株的篩選結果

本試驗從堆肥樣品中得到耐高溫菌株共18株，記為 A1～A18，最終篩選出能產纖維素酶的菌株共14株，將分離出來的菌株進行剛果紅染色，其中產生透明圈直徑與菌落直徑比值較大的菌株有8株（表1）。透明圈直徑與菌落直徑的比值越大，說明菌株產纖維素酶的活力就越強。由表1可知，A13菌株透明圈直徑與菌落直徑的比值最大，其產纖維素酶的活力最強，菌株A13剛果紅染色結果如圖1所示，最終選擇菌株A13進行后續試驗。

2.2 酶活性測定

利用DNS法測定不同濃度的葡萄糖溶液在540 nm處的吸光度，繪制葡萄糖標準曲線，其標準曲線為y=0.397 4x+0.010 8，r2=0.997 9，表明D540 nm與葡萄糖濃度之間呈現較好的線性關系，因此可以通過該方程和酶活性計算公式得出菌株A13的纖維素酶活性，達到9.27 U/mL。

2.3 菌株鑒定

2.3.1 菌株的形態鑒定

耐高溫纖維素酶菌株A13在平板上的形態特征見圖2，在光學顯微鏡下的觀察結果見圖3，菌落特征及革蘭氏染色的情況見表2。

2.3.2 生理生化鑒定結果

對所篩選得到的菌株A13進行甲基紅試驗、乙酰甲基甲醇試驗、吲哚試驗和檸檬酸鹽利用試驗等一系列生理生化鑒定，結果見表3，通過對菌株形態特征及其所具有生理生化特征的鑒定，并對照《伯杰氏細菌鑒定手冊》（中文第8版）和《常見細菌系統鑒定手冊》，初步將菌株A13鑒定為芽孢桿菌屬。

2.3.3 菌株的系統發育分析

以菌株A13的基因組DNA作為模板對16SrDNA進行PCR擴增，在瓊脂糖凝膠電泳圖上觀察到1條大小為1 500 bp左右的特異性條帶（圖4）。將PCR擴增產物送至測序公司進行DNA測序，并將所得序列提交到NCBI網站上進行同源DNA序列的比對分析。結果（圖5）表明，菌株A13的16S rDNA序列與地衣芽孢桿菌[Bacillus licheniformis strain K1（KU922430.1）]等具有90%的相似程度，菌株A13與Bacillus licheniformis的遺傳距離最近，結合菌株A13形態學特征、生理生化特征以及系統發育樹分析結果，將菌株A13鑒定為地衣芽孢桿菌。

3 結論與討論

纖維素酶可用于降解天然纖維素，是將資源合理利用的一種方式[11]。隨著科技的發展，纖維素酶在各行各業中的市場需求量增大，例如在飼料、釀酒、制藥、食品、造紙、紡織、環保、石油開采等行業中，纖維素酶都具有舉足輕重的地位。但是由于纖維素酶發酵活力較低、生產成本高以及耐熱性不高等原因，纖維素酶并不能被普遍應用于所需的生產實踐中，進而使纖維素酶的發展受到了一定的限制。因此有必要進一步尋找更多成本低、催化性能高的纖維素酶。王巍杰等通過響應面法優化地衣芽孢桿菌發酵樹葉飼料時的纖維素酶活性，最終優化后酶活性達到6.73 U[12]。余祖華等通過搖瓶發酵優化地衣芽孢桿菌B. LY02產纖維素酶的條件，產酶活性達到了0.683 5 U/mL[13-14]。

本試驗初步分離得到14株具有產纖維素酶能力的菌株，經測定最終篩選出1株酶活性最高的菌株A13，結合菌株的形態特征、生理生化特征以及對系統發育樹的分析結果，最終將菌株鑒定為地衣芽孢桿菌，其酶活性為9.27 U/mL，后期通過誘變選育和發酵條件優化有望進一步提高其產纖維素酶活力。

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