一株陰溝腸桿菌的分離、鑒定與發(fā)酵條件優(yōu)化

彭琳，劉幸紅，劉丙花，齊英杰，亓玉昆，馬海林，劉方春，牟相芹，付剛鋒

（1.山東省林業(yè)科學研究院，山東 濟南 250014；2.金正大生態(tài)工程集團股份有限公司，山東 臨沂 276700；3.山東省林業(yè)科技培訓中心，山東 濟南 250013；4.山東新超農(nóng)業(yè)科技有限公司，山東 聊城 252000）

植樹造林是改良鹽堿地的生物措施之一，不但可以改善環(huán)境，抑制土壤鹽堿化［1］，而且可以直接利用鹽堿地生產(chǎn)林木，提高鹽堿地的生產(chǎn)能力和經(jīng)濟效益［2］。但是，鹽堿地人工林普遍存在著生產(chǎn)力低下、大面積衰退現(xiàn)象，導致林業(yè)生態(tài)服務功能弱化［3］。大量研究表明：深層土壤鹽分含量高、林地土壤肥力差是造成鹽堿地人工林退化的主要原因［4］。

利用微生物改良鹽堿土成為近年來的研究熱點［5］。研究表明：鹽生植物根際促生細菌能夠改善土壤微生物區(qū)系，提高微生物活性，降低土壤鹽堿度，提高養(yǎng)分利用率，促進土壤有機質的合成，增加土壤速效養(yǎng)分，調節(jié)植物生長，增強植物耐鹽堿能力，鹽生植物根際促生細菌在低肥力的鹽堿地中表現(xiàn)出重大的應用潛力［6－8］。

本研究從白蠟（Fraxinus chinensis）根際土壤中［9］篩選獲得一株耐鹽堿效果突出的菌株TIA062，并對其進行了鑒定。為了進一步降低其發(fā)酵成本、提高應用價值，對其發(fā)酵培養(yǎng)基成分與發(fā)酵條件進行優(yōu)化，為后期推廣應用奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 土壤樣品及處理 在山東省東營市黃河三角洲白蠟種植園內，利用采樣器在土壤表層5 cm處用多點混樣法［10］采集白蠟根際土樣10個，放入無菌自封袋中密封。所有樣品做好標簽并于4℃冰箱儲存?zhèn)溆谩?/p>

1.1.2 化學試劑 細菌基因組DNA提取試劑盒購自生工生物工程（上海）股份有限公司；引物由生工生物工程（上海）股份有限公司合成。

1.1.3 培養(yǎng)基 LB固體培養(yǎng)基：蛋白胨10.0 g／L，酵母粉55.0 g／L，NaCl 10.0 g／L，瓊脂粉20.0 g／L，pH值為7.0～7.2。121℃滅菌20 min。

LB液體培養(yǎng)基：蛋白胨10.0 g／L，酵母粉5.0 g／L，NaCl 10.0 g／L，pH 值為7.0～7.2。121℃滅菌20 min。

牛肉膏蛋白胨固體培養(yǎng)基：蛋白胨10.0 g／L，NaCl 50.0 g／L，牛肉膏3.0 g／L，瓊脂20.0 g／L，pH＝7.4。121℃滅菌20 min。

1.1.4 儀器與設備 TU－1810型紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器有限責任公司；LRHS－250F－Ⅱ型恒溫恒濕培養(yǎng)箱，上海龍躍儀器設備有限公司；BCL－1360B型超凈工作臺，北京亞泰科隆儀器技術有限公司；THZ－C－1型恒溫振蕩器，常州市國旺儀器制造有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 菌株篩選 通過三區(qū)劃線法、小麥葉片保綠法和蘿卜子葉增重法［11］，結合細菌形態(tài)和生理生化特征測定［12］，從白蠟根際土壤樣品中篩選獲得一株耐鹽堿效果突出的菌株，編號TIA062，接于LB斜面上保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 菌株鑒定 使用細菌基因組DNA提取試劑盒提取TIA062菌株的總DNA，由生工生物工程（上海）股份有限公司進行測序，將16S rDNA基因序列上傳至美國國家生物技術信息中心（National Center for Biotechnology Information，NCBI）數(shù)據(jù)庫獲得登錄號，并將其序列于NCBI中進行比對，使用MEGA 5.0構建系統(tǒng)發(fā)育樹，進行系統(tǒng)發(fā)育樹分析［13］。

1.2.3 種子液制備及生長曲線測定 將TIA062接于LB固體平板培養(yǎng)基上進行活化，37℃條件下培養(yǎng)18 h。于活化平皿中挑取一環(huán)接種至裝液量為50 mL（250 mL三角瓶）的LB液體培養(yǎng)基中，37℃、180 r／min搖床振蕩培養(yǎng)20 h，備用。

生長曲線的測定［13］：取活化后TIA062一環(huán)接種至裝液量為30 mL（250 mL三角瓶）的LB液體培養(yǎng)基中，37℃、180 r／min搖床振蕩培養(yǎng)，每2 h取一次樣，測定發(fā)酵液在波長600 nm條件下的OD值，并繪制菌株的生長曲線。

1.2.4 培養(yǎng)基成分優(yōu)化 （1）單因素試驗：菌株培養(yǎng)的基礎條件為：以1%的接種量將種子液接種至LB液體培養(yǎng)基中，裝液量40%（V／V），置于37℃、180 r／min搖床上培養(yǎng)20 h，每個處理設4個重復。固定其他元素不變，分別用不同碳源、氮源、無機鹽替換基礎培養(yǎng)基中的碳源、氮源及無機鹽。替換碳源及添加量為：3%的玉米淀粉、蔗糖、可溶性淀粉、葡萄糖；替換氮源及添加量為：2%的酵母膏、蛋白胨、豆粕、硝酸鈉；替換無機鹽及添加量為：0.3%的KH2PO4、K2HPO4、MgSO4·7H2O、CaCO3。

（2）正交試驗優(yōu)化：利用單因素試驗找出最佳碳源、氮源和無機鹽后，設計正交試驗，進一步確定最佳配比［14］。正交試驗水平設計如表1所示。

表1 L9（34）正交試驗因素與水平

1.2.5 發(fā)酵條件優(yōu)化 （1）pH試驗：分別選取6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5作為培養(yǎng)基初始值，按5%接種量將菌液接種到已調pH的100 mL培養(yǎng)基中，37℃、180 r／min搖床培養(yǎng)18 h后測定OD600值。

（2）轉速試驗：分別選取90、120、150、180、210 r／min作為搖床轉速，按（1）結果調節(jié)培養(yǎng)基初始值，將菌液接種到種子培養(yǎng)基中，37℃搖床培養(yǎng)18 h后測定OD600值。

（3）溫度試驗：選取28、32、37、41、45℃作為搖床溫度，按（1）、（2）結果調節(jié)發(fā)酵液初始pH值和轉速，將菌液接種到種子培養(yǎng)基中，搖床培養(yǎng)18 h后測定OD600值。

（4）接種量試驗：選擇1%、2%、3%、4%、5%共5個接種量梯度，按（1）、（2）、（3）結果調整初始pH 值、轉速和溫度，搖床培養(yǎng)18 h后測定OD600值。

（5）裝瓶量試驗：選擇50、75、100、125、150 mL（250 mL三角瓶）裝液量梯度，按（1）、（2）、（3）、（4）結果調整初始pH值、轉速、溫度和接種量，搖床培養(yǎng)18 h后測定OD600值。

2 結果與分析

2.1 菌株的篩選

由圖1可知，TIA062菌落圓形規(guī)則，較小，表面凸起較濕潤，呈微黃色，不透明。菌體較小，短桿狀，無芽孢。其生理生化特性見表2。

圖1 TIA062菌落和菌體形態(tài)

表2 TIA062生理生化特性

2.2 菌株的鑒定

TIA062菌株16S rDNA與NCBI數(shù)據(jù)庫序列比對結果顯示，其與Enterobacter cloacae同源性達98.97%；系統(tǒng)發(fā)育樹（圖2）表明，TIA062與Enterobacter cloacae處于同一分枝，結合菌落形態(tài)和生理生化特征將其鑒定為陰溝腸桿菌（Enterobacter cloacae）。

圖2 TIA062基于16SrDNA基因序列構建的系統(tǒng)發(fā)育樹

2.3 菌株生長曲線

由圖3可知，0～2 h為延遲期；從第4 h開始進入對數(shù)生長期，菌體生長迅速，濃度快速升高；18～24 h生長速度逐漸減小至平緩。因此，選擇培養(yǎng)16～18 h的菌體作為種子液。

圖3 陰溝腸桿菌TIA062的生長曲線

2.4 培養(yǎng)基成分優(yōu)化

所選4種碳源的發(fā)酵菌液涂布后結果（表3）顯示，以玉米淀粉為碳源的發(fā)酵菌液中菌落數(shù)量最多；其次是蔗糖、葡萄糖；可溶性淀粉效果較差，因此選用玉米淀粉作為碳源。所選4種氮源的發(fā)酵菌液涂布后結果（表4）顯示，以蛋白胨為氮源的發(fā)酵菌液菌落數(shù)量最多；其次為酵母膏；硝酸鈉、豆粕較差，因此選用蛋白胨作為氮源。所選4種無機鹽的發(fā)酵菌液涂布結果（表5）顯示，Ca-CO3為最佳無機鹽選擇。

表3 碳源優(yōu)化

表4 氮源優(yōu)化

表5 無機鹽優(yōu)化

2.5 正交試驗分析

以玉米淀粉（A）、蛋白胨（B）、CaCO3（C）為因素，按L9（33）正交表設計3因素3水平的正交試驗，以菌落總數(shù)作為指標，確定培養(yǎng)基中各組分的最佳用量［15］。結果（表6）表明，最佳水平組合為A1B2C2。方差分析結果表明，因素B 對TIA062生長的影響顯著。因此，確定培養(yǎng)基配方為玉米淀粉1%、蛋白胨1.5%、CaCO30.3%。

表6 正交試驗分析

2.6 發(fā)酵條件優(yōu)化

在確定培養(yǎng)基配方的基礎上，通過單因素試驗對發(fā)酵條件進行了優(yōu)化。結果（圖4）表明，一定范圍內單位體積發(fā)酵液的OD600值隨著裝瓶量的增大、培養(yǎng)溫度的上升、轉速的加快、接種量的增多而增加。pH過高或者過低，都會抑制菌的正常生長；轉速太慢，溶氧量不足，轉速太快會造成細胞破裂；接種量太大，細菌衰退期提前，接種量太少，延遲期時間增加。綜上所述，培養(yǎng)基pH＝7.0、裝瓶量100 mL（250 mL三角瓶）、培養(yǎng)溫度37℃、轉速180 r／min、種子液接種量3%為TIA062菌株最佳發(fā)酵條件，在此條件下，TIA062的菌落數(shù)為1.325×1011cfu／mL。

圖4 不同培養(yǎng)條件對TIA062生長的影響

3 討論與結論

生長培養(yǎng)基不僅為菌株提供生長和繁殖所需的營養(yǎng)物質，更是其合成代謝產(chǎn)物的基礎，因此培養(yǎng)基的組分對菌株生長及活性物質的產(chǎn)生至關重要［16］。篩選出最佳碳源、氮源、碳氮比，及適宜的發(fā)酵條件（如pH、溫度、培養(yǎng)時間、通氣量和接種量等）是發(fā)酵的重要環(huán)節(jié)［17］，這些因素相互促進與制約。因此，需要對營養(yǎng)條件和發(fā)酵條件的各種因子進行優(yōu)化分析。培養(yǎng)條件的優(yōu)化通常采用正交試驗或響應曲面法［18］，大多應用于微生物酶活性的提高、分泌抗生素或抗菌蛋白等有益產(chǎn)物等方面［19，20］，而在根際促生菌的培養(yǎng)條件優(yōu)化方面研究較少。

本研究的單因子試驗結果顯示，玉米淀粉作為碳源、蛋白胨作為有機氮源、CaCO3作為無機鹽最有利于TIA062的生長。優(yōu)化發(fā)酵條件試驗結果表明，菌株最適發(fā)酵條件為pH＝7.0、溫度為37℃、250 mL三角瓶裝液量100 mL、3%接菌量、轉速為180 r／min。本試驗為該菌株的進一步推廣應用及促生機制的研究奠定了基礎。