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(1.南陽理工學(xué)院 生物與化學(xué)工程學(xué)院,河南 南陽 473004;2.河南省工業(yè)微生物資源與發(fā)酵技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 南陽 473004)
淀粉酶是催化水解淀粉和糖原的一類酶,是實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)最早的酶制劑品種,也是迄今為止用途最為廣泛、產(chǎn)量最大的酶制劑品種[1]。淀粉酶包括α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和異淀粉酶,不同的淀粉酶有不同的作用方式[2]。α-淀粉酶廣泛存在于主要分布在動植物和微生物中,其中微生物來源的淀粉酶占絕大部分,目前報(bào)道產(chǎn)生α-淀粉酶的微生物有米曲霉(Aspergillusoryzae)[3]、米根霉(Rhizopusoryzae)[4]芽孢桿菌(Bacillus)[5-8]等。本研究從土壤中分離到一株產(chǎn)α-淀粉酶活力較高的菌株Y1,經(jīng)形態(tài)學(xué)及16SrDNA鑒定其為蠟樣芽孢桿菌(B.cereus),并對其酶活進(jìn)行了初步研究。
1.1.1 土壤樣品
土樣取自南陽理工學(xué)院校園開水房附近土壤,食堂附近土壤,校園操場草地土壤,荷花池附近土壤,樹林間土壤等共計(jì)10份土樣。除去表層浮土,10~30cm處取樣,取回后立即對土樣進(jìn)行分離。
1.1.2 主要試劑與儀器
試劑:可溶性淀粉、酵母粉、蛋白胨、瓊脂粉等均為生物純,北京奧博星;葡萄糖、碘化鉀、I2、 MgSO4·7H2O、 KH2PO4等均為分析純,天津科密歐;細(xì)菌DNA基因組提取試劑盒DP302,北京天根;PCR及電泳所用試劑均購自生工生物工程(上海)股份有限公司。
儀器:上海一恒LRH-250生化培養(yǎng)箱;常州國華HH-3A控溫水浴鍋;上海安亭飛鴿TGL-16G高速臺式離心機(jī);德國艾本德Eppendorf 5430R高速冷凍離心機(jī) ;上海申安LDZX-50KBS高壓滅菌鍋;奧林巴斯CX31三目顯微鏡;BioDrop超微量紫外可見分光光度計(jì);德國艾本德Eppendorf Mastercycler PCR儀;北京六一DYY-7C電泳儀;北京六一DYCP-31DN瓊脂糖水平電泳槽;北京君意東方JY04S-3E凝膠成像分析儀。
1.1.3 培養(yǎng)基
富集培養(yǎng)基(g/L):1.2%可溶性淀粉、0.8%蛋白胨、0.2%酵母粉、0.05%MgSO4·7H2O、0.1%KH2PO4。篩選與斜面保藏培養(yǎng)基(g/L): 1.2%可溶性淀粉、0.8%蛋白胨、0.2%酵母粉、0.05% MgSO4·7H2O、0.1%KH2PO4、1.5%瓊脂。發(fā)酵培養(yǎng)基: 1.5%可溶性淀粉、1.0%蛋白胨、0.5%酵母粉、0.05%MgSO4·7H2O、0.1%KH2PO4。以上培養(yǎng)基配制完成后調(diào)整pH值至7.0后高壓蒸汽滅菌,121℃,20min。
1.2.1 樣品處理
準(zhǔn)確稱取每份土壤樣品5g,放入有100mL的富集培養(yǎng)基和小玻璃珠的250mL三角瓶中,震蕩至土壤分散均勻后置于恒溫?fù)u床37℃,180r/min富集培養(yǎng)48h。將富集完成后的發(fā)酵液用無菌生理鹽水進(jìn)行梯度稀釋,得到10-1~10-6稀釋度的稀釋液,用移液器依次吸取10-1~10-4樣品稀釋液各200μL至淀粉篩選培養(yǎng)基上,用涂布器將稀釋液在平板上涂布均勻。將涂布完成的平板平放于桌20~30min至液體完全吸收后轉(zhuǎn)入37℃恒溫培養(yǎng)箱倒置培養(yǎng)。
1.2.2 產(chǎn)淀粉酶菌株篩選
37℃培養(yǎng)48h后,對各個(gè)稀釋度涂布平板進(jìn)行觀察,對單一菌落較多的平板用盧戈氏碘液進(jìn)行染色,選擇有較大透明圈的菌落利用劃線分離法進(jìn)行二次純化;二次純化后觀察平板上菌落是否單一,再次進(jìn)行染色驗(yàn)證,挑取仍產(chǎn)生透明圈的單菌落接種至斜面上保存。
1.2.3 產(chǎn)淀粉酶菌株鑒定
首先對保藏菌株進(jìn)行菌落形態(tài)觀察,并對其進(jìn)行革蘭氏染色鏡檢形態(tài)觀察,然后利用天根細(xì)菌基因組提取試劑盒提取其基因組DNA,在BioDrop超微量紫外可見分光光度計(jì)于260nm處測定其濃度,用瓊脂糖凝膠電泳檢測其完好程度。取純化后質(zhì)量合格的DNA作為模板進(jìn)行16SrDNA的擴(kuò)增,引物為27F: 5'-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3';1492R:5'-GGTTACCTTGTTACGACTT-3';反應(yīng)條件為:預(yù)變性 94℃,5min;變性 94℃ 30s,退火 55℃ 1min,延伸72℃ 1min,30循環(huán),最終延伸72℃ 10min。反應(yīng)體系為:2×Taq PCR Master Mix(with Blue Dye)25μL, DNA模板1μL,正反向引物各1μL ,補(bǔ)足無菌去離子水至50μL。將PCR產(chǎn)物進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳檢測并切膠回收后送上海生工(生物)進(jìn)行測序,測序完成后將序列在https://www.ezbiocloud.net/數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行16SrDNA相似性比較分析。
1.2.4 酶活測定
粗酶液液制備:挑取保存至斜面上的純培養(yǎng)物接種至發(fā)酵培養(yǎng)基,37℃搖床培養(yǎng)48h后于4℃,6000rpm離心取上清進(jìn)行酶活測定。
酶活測定[9]:采用碘比色改良法對粗酶液進(jìn)行酶活測定。具體做法如下:取5mL 0.5%的可溶性淀粉溶液于40℃水浴中預(yù)熱10min后加入稀釋適當(dāng)倍數(shù)的酶液0.5mL,反應(yīng)5min后加入5mL 0.1mol/L H2SO4終止反應(yīng)。取0.5 mL反應(yīng)液與5mL碘液顯色后于620nm處測定吸光值。用0.5mL水代替0.5mL反應(yīng)液為空白,以不加酶液的反應(yīng)管為對照。酶活力單位定義:40℃下,5分鐘內(nèi)水解1mg淀粉的酶量為一個(gè)活力單位。酶活力(U/mL)=(R0-R)/R0×50×D
R0:對照吸光值; R:反應(yīng)液吸光值;D:酶液稀釋倍數(shù)(調(diào)整D使(R0-R)/R0在0.2~0.7之間)
2.1.1 菌株形態(tài)學(xué)鑒定
初篩平板于37℃培養(yǎng)24~48h(根據(jù)其上單菌落長出情況)后用盧戈氏碘液染色,若菌落周圍有明顯水解圈,說明該菌可產(chǎn)生胞外淀粉酶。其中水解圈較大的菌落呈白色,中間凸起,干燥,菌落周圍呈鋸齒狀,將該菌株命名為Y1,對其進(jìn)行革蘭氏染色紫色,為革蘭氏陽性菌,呈長桿狀,有明顯芽孢,Y1菌落形態(tài)及鏡檢形態(tài)見圖1。
圖1 A為Y1在淀粉平板上產(chǎn)生的透明水解圈;B為鏡檢形態(tài)(100×)
2.1.2 PCR產(chǎn)物擴(kuò)增電泳分析
圖2 菌株Y116SrDNA PCR擴(kuò)增產(chǎn)物電泳圖 (泳道1為樣品;泳道2為DL2000 Maker)
將菌株Y1的16SrDNA產(chǎn)物于1%的瓊脂糖進(jìn)行凝膠電泳分析,菌株Y1的16SrDNA產(chǎn)物條帶單一,約1.5kb,與預(yù)期大小一致。
2.1.3 16SrDNA分子生物學(xué)鑒定
菌株Y1 16SrDNA基因序列測序所獲得序列長度為1501bp,將其與https://www.ezbiocloud.net/數(shù)據(jù)庫中的序列進(jìn)行同源性比對,發(fā)現(xiàn)Y1與芽孢桿菌屬的16SrDNA基因序列自然聚類,將Y1的16SrDNA基因序列與9條相似性較高的序列利用MEGA7.0按照鄰接法(Neighbor-Joining )構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹見圖3,從圖中可看出Y1 與BacilluscereusATCC 14579 AE016877聚為一群,表明Y1與BacilluscereusATCC 14579 AE016877的親緣關(guān)系最近,結(jié)合其形態(tài)學(xué)特征,初步鑒定Y1為蠟樣芽孢桿菌。
圖3 基于16SrRNA基因序列相似性的菌株Y1與9株細(xì)菌的系統(tǒng)進(jìn)化樹
Y1菌株粗酶液的酶活為140U/mL, 與文獻(xiàn)中其他報(bào)道的產(chǎn)淀粉酶蠟樣芽孢桿菌相比酶活一般,可能是酶活測定的方法不同使然。目前淀粉酶測定方法主要有碘比色改良法[9]、3,5-二硝基水楊酸法[10]等,以上兩種方法均可測定α-淀粉酶酶活,本研究中采用的是碘比色改良法,該方法較為簡便靈敏,但測定時(shí)碘液需現(xiàn)配現(xiàn)用,且待測酶液需稀釋至一定濃度,使其吸光值處于線性范圍內(nèi)。師永生等[11]從廢棄的淀粉堆中篩選到一株產(chǎn)低溫淀粉酶的蠟樣芽孢桿菌(B.cereus)GXBC-1,從中克隆到一個(gè)淀粉酶基因并在大腸桿菌中進(jìn)行重組表達(dá),該重組酶最適溫度為35℃,在20℃仍具有53%的活力;最適pH值為7.0,Km值為0.72 mg/mL。任平等[12]等從畜禽動物胃腸道中可產(chǎn)淀粉酶、蛋白酶的蠟樣芽孢桿菌(B.cereus)J2、J14。王磊等[13]從土壤中篩選出4株產(chǎn)淀粉酶芽孢桿菌,其中1株為枯草芽孢桿菌,3株為蠟樣芽孢桿菌,利用3,5-二硝基水楊酸比色法測定其酶活,其中地衣芽孢桿菌Bacillus3的酶活最高,為8.4U/mL。
土壤是微生物種類最豐富的生境之一,本研究從10個(gè)土壤樣品中僅分離到一株產(chǎn)α-淀粉酶菌株Y1,可能是樣品處理過程前未進(jìn)行富集培養(yǎng),也可能是培養(yǎng)基較為單一,而芽孢桿菌的對環(huán)境適應(yīng)性耐受性強(qiáng),容易篩選。目前已報(bào)道的產(chǎn)淀粉酶的芽孢桿菌主要有枯草芽孢桿菌(B.subtilis)[14]、解淀粉芽孢桿菌(B.amyloliquefaciens)[15]、地衣芽孢桿菌(B.lincheniformis)[16]等,分離生境較為豐富,包括土壤[5,13]、海洋[17]、動物腸道[12]等;其中部分菌株除了可產(chǎn)胞外淀粉酶外,還可以產(chǎn)蛋白酶、纖維素酶、脂肪酶等,可在食品、飼料、生物防治等領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。本研究中篩選到的菌株Y1為蠟樣芽孢桿菌,僅對其進(jìn)行了鑒定和酶活初探,在今后工作中將對其發(fā)酵條件和酶學(xué)性質(zhì)進(jìn)行深入研究,以期為該酶的開發(fā)應(yīng)用提供理論依據(jù)。