纤维素降解菌的筛选及其产酶特性

纤维素降解菌的筛选及其产酶特性
杨艳;姜立春;林寿露;杨熙;彭显清;彭正松;阮期平
【摘要】The optimal CY10 producing strain of enzyme producing conditions are the experimental basis for the biodegradation of cellulose.
A cellulose - degrading bacterial strain was isolated from the rottenwood and its some important culture conditions and enzymatic properties were studied. The optimal enzyme producing condi-tions for this degrading bacterial strain were acquired as follows:wheat bran(as carbon
source)concentration 20 g / L,yeast powder(as nitrogen
s ource)concentration 5. 0 g / L,culture temperature 30 ℃,initial pH 6. 5,cul-ture time 42 h. The optimum temperature and optimal pH value for the activities of CMC enzyme and filter - paper enzyme produced by this degrading bacterium were 45 ℃ and 6. 5,resp ectively. Under these conditions,the CM-Case and FPase activity of CY10 strain were 21. 26 U/ mL and 23. 57 U/ mL,respectively. Therefore,the CY10 strain has a good prospect in the biodegradation of cellulose.%优化纤维素降解菌株 CY10产酶条件，为该菌株在纤维素的生物降解方面提供实验依据.通过单因素试验对 CY10菌株产酶条件进行优化，依据纤维素酶（CMCase）和滤纸糖化酶（FPase）活力大小确定最适培养时间、初始 pH、碳源、氮源、温度、接种量及装液量等.结果表明：菌株 CY10产酶的最适初始 pH 为6.5，碳源为麦麸（2.0%），氮源为酵母粉（0.5%），在30益培养42 h；该菌株所产 CMC 酶和滤纸酶的酶活性最适温度为45益，最适 pH 为6.5.在此条件下，CY10菌株的 CMCase 和 FPase 活力分
别达到21.26 U/ mL 和23.57 U/ mL.为此，菌株CY10在纤维素的生物降解方面具有较好的应用前景.
【期刊名称】《绵阳师范学院学报》
【年(卷),期】2016(035)005
【总页数】7页(P65-71)
【关键词】纤维素降解菌;纤维素酶;培养条件;优化;酶学性质
【作者】杨艳;姜立春;林寿露;杨熙;彭显清;彭正松;阮期平
【作者单位】西华师范大学西南野生动植物资源保护教育部重点实验室，四川南充637009; 绵阳师范学院分子生物学与生物制药重点实验室，四川绵阳 621006;绵阳师范学院分子生物学与生物制药重点实验室，四川绵阳 621006;绵阳师范学院分子生物学与生物制药重点实验室，四川绵阳 621006;绵阳师范学院分子生物学与生物制药重点实验室，四川绵阳 621006;绵阳师范学院分子生物学与生物制药重点实验室，四川绵阳 621006;西华师范大学西南野生动植物资源保护教育部重点实验室，四川南充 637009;绵阳师范学院分子生物学与生物制药重点实验室，四川绵阳 621006
【正文语种】中文
【中图分类】Q939.9
纤维素是地球上分布最广泛、含量最丰富的可再生有机资源，其不断通过光合作用得以补充[1].在自然环境中，纤维素类物质形态稳定且降解缓慢，目前对其利用很不充分，除小部分用于堆肥、畜禽饲料外，大部分作为燃料直接燃烧，不仅造成资源浪费，同时也会污染环境[2].因此，人类对于纤维素资源的利用程度比较有限，
还处在一种低值化、无序化状态[3].对纤维素降解问题的研究能够为解决环境问题和纤维素资源的开发利用问题提供重要的理论依据.如能科学合理利用纤维素不仅可以减少废弃物对环境的污染，还可以提供一种可再生资源.采用合适的方法与技术对这些可再生的纤维素资源降解为可利用的生物有机质，对解决当今所面临的食物短缺、能源危机和环境污染问题具有重大的现实意义[4].
目前，对于纤维素分解菌选育应用研究较多的是细菌、放线菌与真菌，尤以曲霉、木霉和青霉较为普遍[5-8].我国是农业大国，秸秆是我国丰富的可再生资源，但是每年大部分的秸秆被焚烧和废弃，尤其是在东北地区，不仅造成资源的浪费，同时也造成严重的环境污染.因此，开发高效利用纤维素类可再生资源的微生物技术，利用工农业废弃物等发酵生产人类急需的燃料、饲料及化工产品，具有极其重要的意义和发展前景.本研究综合利用羧甲基纤维素钠(CMC-Na)水解圈测定法和胞外酶活测定法，针对纤维素降解问题，进行了纤维素降解菌的筛选，并对其产酶条件优化及酶学性质进行了初步研究.
1.1 材料
1.1.1 样品
采集腐烂的枝条与朽木.
1.1.2 主要试剂及仪器
羧甲基纤维素钠(CMC-Na)、刚果红、DNS溶液，醋酸钠缓冲溶液，新华滤纸；可见光分光度计、高速低温离心机、超净工作台、恒温培养摇床、超低温冰箱等.
1.1.3 培养基
牛肉膏蛋白胨培养基(g/L)：牛肉膏5.0，蛋白胨10.0，NaCl 10.0，琼脂20.0，pH 7.2-7.4.
羧甲基纤维素钠培养基(g/L)[9-10]：CMC-Na 10.0，KH2PO4 1.5，
NaH2P O4·7H2O 2.5，MgSO4·7H2O 0.3，FeSO4·7H2O 0.005，ZnCl2 0.001
7，MnSO4 0.001 6，(NH4)2SO4 1.5，pH 7.0.
产酶发酵培养基(g/l)[9]：NaCl 5.0 g、K2HPO4 1.0 g、MgSO4·7H2O 0.2 g、CaCl2 0.3 g，FeSO4·7H2O 5.0 mg，MnSO4 1.6 mg，ZnCl2 1.7 mg，CoCl2 2.0 mg，pH 调至7.2.以上培养基均121 ℃灭菌20 min.
1.2 实验方法
1.2.1 菌株的筛选
用无菌生理盐水浸泡采集腐烂的枝条、朽木样品，在摇床振荡3 h.取样品悬液，用无菌水梯度稀释为10-1、10-2、10-3、10-4、10-5的浓度，吸取稀释浓度为
10-3、10-4、10-5的稀释液，涂布于羧甲基纤维素钠培养基上，置于30 ℃培养箱中培养36-60 h.将分离得到的纤维素降解菌点样接种到CMC-Na平板培养基上，30 ℃倒置培养48 h 后，向培养皿中加入适量1.0 mg/mL的刚果红染液，染色
30 min，倾去染液，加入适量1.0 mol/L的NaCl溶液，浸泡30 min，依据透明圈与菌体直径比选择高产酶菌株[2].挑取高产菌落进行平皿划线分离，获得一系列
单菌落，连续挑选优势单菌落多次划线直至获得各菌株的纯培养，将分离纯化后的菌株斜面接种于牛肉膏蛋白胨培养基上培养2-3 d，观察菌落形态.最后将菌种于
斜面上，4 ℃冰箱保存待用.
1.2.2 酶活性测定
(1)CMC酶活性测定[2, 11]：菌液在4 ℃、8 000 r/min的条件下离心10 min，
取0.5 mL上清液(粗酶液)，加入0.5 mL 0.2 %羧甲基纤维素钠(CMC-Na)底物溶液，50 ℃恒温水浴锅中温育1h，然后加入2 mL DNS试剂，再100 ℃沸水浴10 min终止反应，室温冷却后在520 nm下测定光吸收值，酶液沸水浴处理10 min 后作为阴性对照，每个样品做3个平行.
(2)滤纸糖化酶(FPase)的测定[12]：菌液在4℃、8 000 r/min的条件下离心10 min，取0.5 mL上清液(粗酶液).将新华滤纸剪成规格为1cm×6cm的长条，放入
试管中，取粗酶液1 mL，加入醋酸缓冲液2 mL，50 ℃恒温水浴50 min后取出，加入2mL DNS试剂终止反应，摇匀后于沸水浴中煮沸显色5 min，取出室温冷却后，按DNS法在520 nm下测定光吸收值进行还原糖测定，酶液沸水浴处理10 min后作为阴性对照，每个样品做3个平行.
1.2.3 酶活定义
酶活力单位定义：每毫升酶液在1 min内催化底物生成1 μg葡萄糖所需要的酶量，即1 U/mL.酶活力计算公式：Y=(A×V×1 000)/(0.5×T)，式中A：从标准曲线查
出净葡萄糖的浓度(g/L)；V：总体积；0.5：测定时吸取粗酶液的毫升数；T：反应时间.
1.3 培养条件的优化
1.3.1 培养时间
从6 h开始测量酶活，间隔6 h取样1次，30 ℃、150 r/min 摇床培养60 h，分别测CMC酶活性及滤纸酶活性.
1.3.2 碳源及其浓度对产酶活性的影响
碳源条件优化，以羧甲基纤维素钠(CMC-Na)、麦芽糖、乳糖、麦麸、葡萄糖、蔗糖、微晶纤维素(Avicel)和玉米粉作为唯一碳源，30 ℃、150 r/min摇床培养36 h，分别测CMC 酶活性及滤纸酶活性.在碳源确定的基础上，试验分析碳源浓度为5、10、20、30、40、50 和60 g/L的条件下，30 ℃、150 r/min摇床培养36 h，分别测CMC 酶活性及滤纸酶活性.
1.3.3 氮源及其浓度对酶活性的影响
在碳源及其浓度确定的基础上，试验考察胰蛋白胨、牛肉膏、酵母粉、NH4Cl、NaNO3、(NH4)2SO4、NH4NO3、KNO3和尿素作为唯一氮源，30 ℃、150
r/min摇床培养36 h，分别测CMC酶活性及滤纸酶活性.在氮源源确定的基础上，试验分析氮源浓度为1、3、5、7、9和12 g/L的条件下，30 ℃、150 r/min摇
床培养36 h，分别测CMC 酶活性及滤纸酶活性.
1.3.4 初始pH对酶活性的影响
在碳源及氮源确定的基础上，试验考查初始pH梯度为5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0和8.5，30 ℃、150 r/min摇床培养36 h，分别测CMC酶活性及滤纸
酶活性.
1.3.5 培养温度对酶活性的影响
在碳源、氮源及初始pH确定的基础上，试验考察培养温度为15、20、25、30、35和40 ℃，150 r/min摇床培养36 h，分别测CMC酶活性及滤纸酶活性.
1.3.6 接种量对酶活性的影响
在碳源、氮源、初始pH及培养温度确定的基础上，试验考察分别接种不同的菌量(0.1、0.5、1.0、2.0、4.0、5.0 mL)，经发酵36 h后，分别测CMC 酶活性及滤
纸酶活性.
1.3.7 装液量对酶活性的影响
在碳源、氮源、初始pH、培养温度及接种量确定的基础上，试验考察分别接种不同的装液量(25、50、75、100、125 mL)，经发酵36 h 后，分别测CMC酶活性及滤纸酶活性.
1.4 酶学性质研究
1.4.1 最适温度
最适发酵培养条件下得到的粗酶液，将反应体系的温度分别设定为30、35、40、45、50、55、60和70 ℃，测定粗酶液在不同反应温度下的CMC酶活性和滤纸
酶活性.
1.4.2 最适pH
最适发酵培养条件下得到的粗酶液，将反应体系的pH值分别调到5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0和8.5，在最适反应温度条件下反应30 min，分别测CMC酶
活性和滤纸酶活性.
2.1 纤维素降解菌的筛选
经过初筛培养获得大量纯培养菌株，在刚果红纤维素培养基上经刚果红染色后，以培养72 h后透明圈直径与菌落直径之比大于2为筛选标准，共有3株菌株有水解圈步筛选得到3株纤维素降解菌，其中菌株CY10透明圈直径与菌落直径最大为5.36，再液体培养测CMC酶活性和滤纸酶活性3.35 U/mL和4.63 U/mL，最终确定酶活性最高的菌株CY10为研究菌株.
2.2 发酵条件对纤维素降解菌产酶活性的影响
2.2.1 培养时间
按照方法1.3.1对产酶时间进行优化.酶活性测定结果如图1所示，该菌培养6 h 即可检测到酶的产生，随着培养时间的延长，发酵液中CMC酶活性和滤纸酶活性逐渐增强.当培养到42 h时，CMC酶和滤纸酶活性达到最高值，分别为2.70
U/mL和4.02 U/mL；后随着培养时间的延长，发酵液中CMC酶和滤纸酶活性反而呈下降趋势.因此，CY10菌株最适培养时间为42 h.
2.2.2 碳源
按照方法1.3.2，分析碳源对产酶的影响，在发酵培养基中分别加入1.0 %不同的碳源，考察碳源对产酶的影响，其结果如图2所示.碳源是维持菌体细胞生长和代谢的重要能源物质[2].当碳源为麦麸时，CMC酶和FPA酶活性均达到了较高的酶活性，分别为4.61 U/mL和6.52 U/mL；当乳糖、葡萄糖、麦芽糖和微晶纤维素作为碳源时，CMC酶活性和滤纸酶活性都较弱，均低于3.0 U/mL.因此，选用麦麸作为该菌培养的最适碳源.
为确定碳源不同浓度对酶活性的影响，分析了麦麸浓度不同梯度对产酶活性的影响.结果见图3所示，随着麦麸浓度的增加，该菌的CMC酶活性和滤纸酶活性逐渐升高，当其浓度为20 g/L时，滤纸酶活性和CMC酶活性达到最高值，分别为4.6
U/mL和6.2 U/mL当麦麸浓度高于2.0 %时，CMC酶活性和滤纸酶活性均有所
降低.因此，选用20 g/L作为该菌培养时的最适碳源浓度.
2.2.3 氮源
按照方法1.3.3，分析氮源对产酶的影响，在发酵培养基中分别加入0.3 %不同的
氮源，考察氮源对产酶的影响，其结果如图4所示.微生物的生长代谢离不开氮源，氮源是组成蛋白质和核酸的主要物质.当氮源为无机氮如(NH4)2SO4、NH4NO3、NH4Cl和NaNO3时，CMC酶活性和滤纸酶活性均较弱，且低于2.0 U/mL；当氮源为有机氮时，该菌发酵液的CMC酶活性和滤纸酶活性相对于无机氮来说均有明显的增高，当酵母粉作为氮源时，CMC酶活性和滤纸酶活性都达到最高，分别为3.23 U/mL和3.86 U/mL.因此，选用酵母粉作为该菌的最适培养氮源.
为确定氮源不同浓度对酶活性的影响，分析了酵母粉浓度不同梯度对产酶活性的影响.结果见图5所示，随着酵母粉浓度的增加，该菌的CMC酶活性和滤纸酶活性
逐渐升高，当其浓度为5.0 g/L时，滤纸酶活性和CMC酶活性达到最高值，分别为9.65 U/mL和10.52 U/mL；当酵母粉浓度高于0.5 %时，CMC酶活性和滤纸酶活性均有所降低.因此，选用5.0 g/L作为该菌培养的最适氮源浓度.
2.2.4 初始pH
不同的微生物对pH条件的适应范围与能力都有所不同，为此按照方法1.3.4分析不同初始pH对菌株CY10产酶活性的影响.酶活性测定结果见图6所示，当初始
培养pH低于5.5时，不利于酶的生产；当pH在5.5-7.5时，该菌生产的CMC
酶活性和滤纸酶活性相对较高，当pH为6.5时，产酶活性达到最高分别为14.56 U/mL和18.23 U/mL；当pH大于6.5时，随着初始pH的升高，该菌生产的酶
的CMC酶活性和滤纸酶活性都呈下降趋势；当pH高于8.5对酶活力造成很大影响.因此，选用pH6.5作为该菌初始培养的pH.
2.2.5 培养温度
按照方法1.3.5分别设计在不同培养温度条件下培养，见图7.结果表明，在15-
30 ℃范围内，酶活性随着温度的升高而不断增大，当温度升至30 ℃时，菌株
CY10达到最大的产酶能力，CMC酶活性和滤纸酶活性分别达到17.88 U/mL和19.35 U/mL，当温度升高到35 ℃以后酶活开始快速下降，这可能是由于随着温
度的上升，酶结空间构受到影响，导致酶活降低.微生物都在一定的温度范围之间
生长和繁殖会较快，在最适培养温度下，生长繁殖最快.因此，选择30 ℃作为产酶的最适温度.
2.2.6 接种量
按照方法1.3.6分别接种不同的菌量，经发酵培养后测其酶活，结果见图8.当接种量在0.2%-1.0%(0.1-0.5 mL/50mL)范围内，随着接种量增加，菌株产酶活性上
升较快；在接种量为1.0%-8.0 %范围内，随着接种量增加，酶活性增加缓慢，当接种量为8.0 %时，CMC酶活性和滤纸酶活性最大，分别为20.28 U/mL和
21.13 U/mL；当接种量高于8.0 %时，酶活呈下降趋势.因此，选择8.0 %作为产
酶的最适接种量.
2.2.7 装液量
按照方法1.3.7分别在摇瓶内设置不同装液量，发酵培养后，见图9.结果表明，随着装液量增加其酶活逐渐升高，当装液量达到为50 mL/250 mL时，菌株CY10 CMC酶活性和滤纸酶活性达到最大值分别为18.39 U/mL和19.89 U/mL；当装
液量高于50 mL时，其产酶活性逐渐降低，装液量增加到一定程度不利于CY10
对酶的合成和分泌，其生长和代谢活动不能获得充足的氧气供应，因此酶活性降低.因此，选择50 mL/250 mL作为产酶最适装液量.
2.3 酶学性质研究
2.3.1 温度
按照方法1.4.1，考察温度对酶反应的影响，见图10所示.该菌株CY10在30-45 ℃
期间，随着温度的升高酶活性逐渐升高，在45 ℃生产的CMC酶和滤纸酶最适反应达到最大分别为19.56 U/mL和21.35 U/mL；当温度高于45 ℃，随着温度的
升高，滤纸酶活性和CMC酶活性都急剧下降；到温度为70 ℃时，CMC酶活性
和滤纸酶活性都为都降到最低为5.82 U/mL和6.86 U/mL.因此，CMC酶活性和
滤纸酶反应最适温度为45 ℃.
2.3.2 最适pH
按照方法1.4.2，考察pH对酶反应的影响，见图11所示.随着反应液pH 的升高，该菌滤纸酶和CMC酶的逐渐升高，当pH为6.5时，滤纸酶活性和CMC酶活性
最高分别为20.96 U/mL和22.58 U/mL；反应液pH继续升高后，滤纸酶活性和CMC酶活性明显下降.因此，该菌株CMC酶和滤纸酶反应的最适pH为6.5.
采用微生物降解纤维素是纤维素再生资源利用的较好方式，本研究从腐朽木材或枝条中分离到1株活性较高纤维素降解菌，并对其培养条件和酶学性质进行了研究.
研究结果表明，该菌株最适培养条件为：碳源麦麸(2.0 %)，氮源酵母粉(0.5 %)，培养温度30 ℃，培养pH6.5，培养时间42 h，接种量8.0 %，装液量50
mL/250 mL；该菌株CY10所产滤纸酶和CMC酶，酶活性最适温度为45 ℃，最适pH为6.5.
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