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青貯用拮抗黃曲霉并降解黃曲霉毒素菌株的篩選與鑒

2018-06-07 10:39:36      點擊:


導讀

青貯飼料中黃曲霉毒素的污染是一個全球性問題,為青貯飼料中霉菌毒素評定的主要指標(孟慶祥等,2016)。其中黃曲霉毒素B1(AFB1)被世界衛(wèi)生組織列為毒物之首,定為IA類致癌物質(zhì),給動物生產(chǎn)性能和人類健康帶來巨大的威脅(喬宏興等,2017)。因此,青貯飼料中黃曲霉毒素的去除是反芻動物養(yǎng)殖者和科研機構(gòu)重點關(guān)注的內(nèi)容。

黃曲霉毒素常見的脫毒方法包括物理法、化學法和生物法。但是理化方法會對青貯飼料的質(zhì)量和營養(yǎng)有不同程度的影響,甚至會引起污染。相較之下生物法應(yīng)是最優(yōu)的選擇,生物脫毒主要有酶解法和微生物發(fā)酵法。酶解法近年來研究較多,但微生物降解酶的機理不明確、分離純化過程復雜、酶的活性不穩(wěn)定、酶作用條件苛刻等,難以在實際生產(chǎn)中推廣和應(yīng)用(計成等,2010)。目前,微生物法降解黃曲霉毒素已成為研究的熱點,但主要集中在利用微生物發(fā)酵過程中產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物進行脫毒,而通過生物競爭原理抑制黃曲霉生長從而降低霉菌毒素的產(chǎn)生和積累研究相對較少。由于黃曲霉毒素既可在作物田間生長時產(chǎn)生也可在倉儲期間產(chǎn)生,所以如果篩選到拮抗黃曲霉生長并且降解黃曲霉毒素的雙功能菌株,在青貯飼料中黃曲霉毒素的脫毒方面將具有很好的應(yīng)用前景。

本試驗擬通過平板擴散法和酶聯(lián)免疫法篩選拮抗黃曲霉生長且降解黃曲霉毒素的菌株,并對活性較高的菌株進行性質(zhì)研究和種屬鑒定,為新型青貯劑的研制提供更多的毒素降解微生物種質(zhì)資源。


1材料與方法

1.1 材料

1.1.1 樣品

牛糞、全株玉米青貯、土壤、牛奶、實驗室保存的菌株等。


1.1.2 試驗菌株

黃曲霉(Aspergillus flavus),由河北農(nóng)業(yè)大學真菌毒素與分子病理學實驗室提供。


1.1.3 培養(yǎng)基

發(fā)酵培養(yǎng)基:蛋白胨10 g/L、牛肉膏3 g/L、氯化鈉8.5 g/L、磷酸二氫鉀1 g/L、葡萄糖1 g/L,pH 6.5 

香豆素培養(yǎng)基:KH2PO4 0.25 g/L、MgSO0.205 g/L、KNO3 0.5 g/L、(NH42SO4 0.5g/L、CaCl0.004 g/L、FeCl3 0.002 g/L,pH 7.0, 加入1 g 香豆素,固體培養(yǎng)基加入2%的瓊脂粉。


1.1.4 試劑

香豆素,COOLABER科技有限公司;黃曲霉毒素標準品,美國Sigma 公司;黃曲霉毒素試劑盒,北京某公司;PCR 相關(guān)試劑,北京某公司;其他試劑均為國產(chǎn)分析純。


1.2 方法

1.2.1 菌株的分離

稱取土壤、牛糞等樣品各10.0 g,分別加到裝有100 mL 無菌水的三角瓶中,放于37 ℃,180 r/min 搖床中30 min。吸取混勻后的溶液1.0 mL 于裝有9.0 mL 無菌水的試管中,用漩渦振蕩儀混勻,將混勻液逐級稀釋至10-7濃度。

分別吸取各種樣品稀釋度為10-5 ~ 10-7 的溶液100 μL 均勻涂布在NA 培養(yǎng)基平板上,37 ℃培養(yǎng)24 h 后挑選菌落形態(tài)各不相同的單菌落劃線從而進一步純化, 培養(yǎng)后觀察菌落形態(tài)并編號記錄,挑選單菌落接種至相應(yīng)的斜面,置于4 ℃冰箱中保存。


1.2.2 菌株初篩

挑取保存在斜面上的菌株,分別點接在香豆素培養(yǎng)基上,37 ℃培養(yǎng),如有菌落長出,則在香豆素培養(yǎng)基上傳代3 次,如傳代3次仍生長,則記錄該菌株編號,進入后續(xù)試驗。


1.2.3 菌株復篩

制作病原菌平板,待平板凝固后,使用直徑為1 cm 的打孔器打孔。將初篩得到的菌株分別接種至NB 培養(yǎng)基,37 ℃搖床培養(yǎng)12 h,以5%接種量轉(zhuǎn)接至發(fā)酵培養(yǎng)基,37 ℃培養(yǎng)48 h。取發(fā)酵液1.5 mL,10000 r/min 離心10 min,取上清液80 μL 注入病原菌平板的孔中,放在37 ℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng),觀察是否有抑菌圈的出現(xiàn),并記錄抑菌圈的直徑。

選擇抑菌圈直徑較大的菌株接種NB培養(yǎng)基,37 ℃培養(yǎng)12 h 后, 轉(zhuǎn)接到含AFB110 μg/mL的發(fā)酵培養(yǎng)基中,37 ℃培養(yǎng)3 d。通過酶聯(lián)免疫試劑盒檢測發(fā)酵液中剩余的AFB濃度,并計算AFB1 降解率。


1.2.4 菌株的鑒定

1.2.4.1 菌株的形態(tài)學鑒定

對菌落大小、菌落顏色、菌落質(zhì)地、菌落邊緣等特征進行鑒別。


1.2.4.2 菌株的分子生物學鑒定

利用PCR技術(shù)對菌落16S rDNA 進行擴增,并將純化的PCR 產(chǎn)物送測序公司進行測序分析。將測序結(jié)果用BLAST軟件與GenBank 中已登錄的16S rRNA 基因序列進行同源性比較,通過CLUSTALX 和BIOEDIT等軟件進行多重序列比對分析,并以Neighbor-joining法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(王偉等,2014)。


1.2.4.3 菌株的生理生化試驗

根據(jù)16S rDNA序列分析的結(jié)果,對供試菌株進行生理生化試驗,包括硝酸鹽還原、厭氧生長、淀粉水解、明膠液化、V-P 測定、D-甘露醇發(fā)酵和丙酸鹽利用等。


1.2.5 菌株的性質(zhì)研究

1.2.5.1 菌株的pH 耐受性

制備種子液,按6.0%的接種量接種于pH 分別為3.5、4.5、5.5、6.5的發(fā)酵培養(yǎng)基中,37 ℃、180 r/min 搖床培養(yǎng)2 d后,測定菌株的生物量。


1.2.5.2 菌株的溫度耐受性

制備種子液,按6.0%的接種量接種于發(fā)酵培養(yǎng)基中,分別在17、27、37、47 ℃,180 r/min 搖床培養(yǎng)2 d后,測定菌株的生物量。

2結(jié)果與分析

2.1 菌株的分離及初篩

共分離得到120株菌,其中45株菌可以在以香豆素為唯一碳源的培養(yǎng)基上生長。


2.2 黃曲霉拮抗試驗

病原菌平板擴散法顯示初篩獲得的45株菌中有20株菌有抑菌圈。將抑菌圈的大小作為抑菌能力強弱的評判標準,通過量取透明圈的直徑,共得到拮抗活性較高的菌株11株,如表1所示。


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2.3 黃曲霉毒素降解試驗

通過酶聯(lián)免疫試劑盒測定11株菌對AFB1 的降解率,結(jié)果見表2。11株拮抗菌株對AFB1 的降解率集中在60%~95%,N-1a的降解率最高,為95%。故選擇該菌株作為待測菌株進行下一步試驗。

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2.4 菌株的種屬鑒定

2.4.1 菌株的形態(tài)學鑒定

菌株N-1a的菌落形態(tài)呈中間微凹狀,四周隆起,乳白色,不透明。菌體呈直桿狀,常以鏈狀排列,革蘭氏染色呈陽性,存在運動性,無莢膜,芽孢呈橢圓形。


2.4.2 菌株的分子生物學鑒定

將菌株N-1a的16S rDNA序列與GenBank中所有已測定的原核生物的16S rDNA序列進行比對,使用PHYLIPprogram package軟件處理所得數(shù)據(jù),得到了該菌株及相應(yīng)標準菌株的進化距離并構(gòu)建了系統(tǒng)發(fā)育樹,見圖1。由比對結(jié)果可知,與枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)聚到了一起。

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2.4.3 菌株的生理生化鑒定

由于在系統(tǒng)發(fā)育樹中N-1a與枯草芽孢桿菌聚到了一起,故選擇枯草芽孢桿菌相關(guān)的項目進行生理生化試驗,結(jié)果見表3。

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結(jié)果顯示,菌株N-1a與枯草芽孢桿菌生理生化結(jié)果相一致,結(jié)合細菌菌落菌體形態(tài)和16S rDNA序列分析結(jié)果最終判定該菌株為枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)。


2.5 性質(zhì)研究

2.5.1 pH耐受性

菌株N-1a在pH為6.5、5.5、4.5和3.5時呈現(xiàn)不同的生長情況,如圖2所示,隨著pH的降低菌體濃度略有降低,但在pH為3.5時菌體濃度仍可達到108cfu/mL,表明該菌株具有較強的耐酸能力。

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2.5.2 溫度耐受性

菌株N-1a在17、27、37℃和47℃均能生長,這樣就能滿足南北方不同氣溫下的青貯試驗。如圖3所示,菌株N-1a在37℃時生長量達到最高值,在27℃和47℃時菌體濃度仍能達到108~109cfu/mL。

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討 論

Gonzalez等(2008)報道,玉米青貯前的霉菌含量超過了10cfu/mL,其中,污染類型以曲霉屬為主,這與Keller等(2012)研究青貯飼料樣品中霉菌污染情況一致。目前黃曲霉毒素對食品和飼料危害極其嚴重,然而在去除方法中,物理、化學脫毒的方法存在營養(yǎng)成分流失,脫毒不徹底的缺點。本研究采用微生物法,不僅避免了這些缺點,而且條件溫和、安全環(huán)保,國內(nèi)外研究表明微生物脫毒法擁有廣闊的開發(fā)和應(yīng)用前景。

由于黃曲霉毒素毒性較大,若直接用于篩選菌株,可能會威脅到人體的健康,而且黃曲霉毒素價格也相對較貴,所以本試驗采用與其結(jié)構(gòu)相似的香豆素為唯一碳源進行菌株的初篩。相比而言,香豆素的毒性較低,價格較低廉。李超波等(2012)利用此法篩選到10株能夠在香豆素平板上正常生長的降解黃曲霉毒素的菌株,戴軍等(2014)利用此法篩選得到27株高效降解毒素的菌株。所以香豆素作為初篩底物來篩選降解黃曲霉毒素的菌株,不僅毒性大大減弱,而且方便準確。

近年來已有利用黑曲霉(李冰等,2012)、枯草芽孢桿菌(孫玲玉,2014)、施氏假單胞菌F4(李超波等,2012)降解黃曲霉毒素的報道,但是降解率大多都集中在85%左右。本研究篩選到的菌株N-1a對黃曲霉毒素的降解率達到95%,優(yōu)于先前其他研究。本試驗菌株N-1a經(jīng)鑒定為枯草芽孢桿菌,為國家飼料添加劑目錄中的安全菌株,并且該菌株還具有對黃曲霉的拮抗活性,應(yīng)用于青貯時可以達到對黃曲霉毒素防治結(jié)合的效果。

品質(zhì)好的青貯玉米在青貯過程中pH會降低到4.0以下,北方地區(qū)進行玉米青貯時,秋季溫度會低于20℃,故青貯菌株應(yīng)具有耐低pH、耐高低溫的性質(zhì)。本試驗篩選菌株N-1a在pH3.5及溫度為17℃和47℃時生長情況均良好,是一株潛在的微生物青貯菌劑。


4結(jié) 語

本試驗獲得一株具有較高拮抗黃曲霉、降解黃曲霉毒素活性的枯草芽孢桿菌菌株,該菌株在pH3.5~6.5和溫度17~47℃時生長情況均良好。



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