CN105950497A - 一种产角蛋白酶的蜡样芽孢杆菌及其应用 - Google Patents

一种产角蛋白酶的蜡样芽孢杆菌及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种产角蛋白酶的蜡样芽孢杆菌，其保藏号为CGMCC No.12184。本发明还提供该产角蛋白酶的蜡样芽孢杆菌在降解角蛋白上的应用，当发酵培养24h后，其角蛋白酶酶活可达到64.55U/mL，该产角蛋白酶的蜡样芽孢杆菌在降解和再利用含有角蛋白的畜禽业废弃物领域具有较可观的应用前景。

Description

一种产角蛋白酶的蜡样芽孢杆菌及其应用
技术领域
本发明涉及一种微生物技术，具体涉及一种产角蛋白酶的蜡样芽孢杆菌及其应用。
背景技术
羽毛是重要的蛋白质资源，其蛋白含量高达85-90％。但由于其主要成分角蛋白是一种具有极强抗性、难生物降解的硬蛋白，难以直接利用，而传统的物理和化学加工方法(高温高压、酸碱处理等)不仅消耗大量能源还引发严重的环境污染问题。目前我国养殖业中每年产生的羽毛废弃物百万余吨，随着我国养殖业的不断发展其数量还在持续增长，实现废弃资源的高值转化和循环利用已是必然选择。研究角蛋白资源的转化及应用，对含有羽毛、毛发等角蛋白成分的养殖业废弃物的无害转化以及对和角蛋白有相似结构的物质的转化均具有重要理论价值和创新意义。
角蛋白酶(keratinase)是一种主要由真菌、放线菌、细菌等微生物产生，可特异降解角蛋白的蛋白酶。利用自然界中微生物分泌的角蛋白酶特异性地消化羽毛等角蛋白，将角蛋白直接转变成蛋白质或复合氨基酸，以作为一种饲科蛋白质应用于畜禽的饲养，从而变废为宝，既能保护环境又利用资源，这也将具有十分显著的经济效益和深远的社会效益。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种产角蛋白酶的蜡样芽孢杆菌。
为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种产角蛋白酶的蜡样芽孢杆菌，该菌种于2016年03月07日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号，其保藏号为CGMCC No.12184，其分类命名为蜡样芽孢杆菌Bacillus cereus。
该产角蛋白酶的蜡样芽孢杆菌的序列号为SEQ ID No.1。
本发明的目的之二在于提供上述产角蛋白酶的蜡样芽孢杆菌在降解角蛋白上的应用。
本发明的目的之三在于提供利用上述产角蛋白酶的蜡样芽孢杆菌降解角蛋白的方法，包括以下步骤：
1)取含有角蛋白的待降解物，加入无机液体培养基中；
2)向步骤1)所述的无机液体培养基中加入蜡样芽孢杆菌菌株；
3)将步骤2)后的无机液体培养基于27-47℃震荡至待降解物大部分降解。
作为优选，步骤1)中，所述无机液体培养基的pH值＝4-11。
作为优选，步骤1)中，所述无机液体培养基的pH值＝7。
作为优选，步骤2)中，蜡样芽孢杆菌菌株的添加量为无机液体培养基体积的1％。
作为优选，步骤1)中，所述无机液体培养基包括按重量份计的以下组分：1份K2HPO4，0.5份Mg2SO4·7H2O，0.5份NaCl，0.1份100g/L的FeSO4·7H2O，调节pH量的H2SO4或NaOH溶液，补足至1000份的双蒸水。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明针对养殖业中出现的环境污染和资源浪费的问题，提供一株蜡样芽孢杆菌，该蜡样芽孢杆菌在以完整羽毛为唯一碳氮源的pH值为7的无机液体培养基中37℃培养24h后，羽毛降解率达65％以上，角蛋白酶酶活达到64.55U/mL， 该产角蛋白的蜡样芽孢杆菌可应用于角蛋白的降解利用。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1为蜡样芽孢杆菌F-T1-2的透射电子显微镜照片；
图2为蜡样芽孢杆菌F-T1-2及部分相关菌株依据16S rDNA序列构建的系统发育树；
图3为不同起始pH值下蜡样芽孢杆菌F-T1-2降解羽毛的速率图；
图4为不同发酵温度下蜡样芽孢杆菌F-T1-2降解羽毛的速率图；
图5为蜡样芽孢杆菌F-T1-2对羽毛的降解效果图，B为添加蜡样芽孢杆菌F-T1-2发酵24h后的发酵液，A为不加菌种的对照例；
图6为蜡样芽孢杆菌F-T1-2对仔鸡尸体的降解效果，A为处理前，B为添加蜡样芽孢杆菌F-T1-2发酵72h后的发酵液，C为发酵72h后残渣；
图7为蜡样芽孢杆菌F-T1-2对血凝块的作用效果，其中A为处理前，B为添加蜡样芽孢杆菌F-T1-2发酵72h后的发酵液；
图8为蜡样芽孢杆菌F-T1-2对猪蹄的降解效果。其中，A为处理前，B为添加蜡样芽孢杆菌F-T1-2发酵72h后的发酵液，C为发酵72h后残渣；
图9为蜡样芽孢杆菌F-T1-2对大鼠皮毛的降解效果。其中，A为处理前，B为添加蜡样芽孢杆菌F-T1-2发酵72h后的发酵液，C为发酵72h后残渣。
具体实施方式
本实施例中，如未特殊说明，所采用试剂或仪器均为市售。以下实施例中，土壤样品采自于广东温氏食品集团股份有限公司某鸡场。
实施例1：角蛋白酶产生菌的分离培养
将采集的土壤样品置于无菌蒸馏水中混匀，静置取上清液，进行梯度稀释(稀释至10-6、10-7、10-8)，分别涂布于牛奶琼脂平板培养基上，37℃恒温箱中倒置培养24h。挑选能产生透明降解圈的单个菌落，接种于含有一根约0.5g的羽毛的无机液体培养基中，37℃，180rpm震荡培养72h。挑选羽毛降解明显的菌株培养液，接种至新的无机液体培养基上进行复筛培养。
将复筛得到的菌株接种于含有一根完整羽毛和50mL无机液体培养基的250mL锥形瓶中，37℃，200rpm震荡培养48h，观察羽毛的降解情况，筛选出羽毛降解能力较强的菌株，记为目的菌株F-T1-2，保种备用。
本实施例中，牛奶琼脂平板培养基成分：氯化钠10.0g，琼脂粉20.0g，脱脂奶粉5.0g，双蒸水补足至1000mL。
本实施例中，无机液体培养基成分：1g K2HPO4，0.5g Mg2SO4·7H2O，0.5g NaCl，0.1mL 100g/L的FeSO4·7H2O，调节pH量的H2SO4或NaOH溶液，补足至1000份的双蒸水。
实施例2：角蛋白酶产生菌的鉴定
实施例2A)形态特征
将分离纯化的目的菌株F-T1-2划线接种牛奶琼脂平板培养基，37℃培养24h。肉眼观察菌落的形状、颜色、表面质地以及菌落边缘。光学显微镜和透射电子显微镜观察菌体形态。参照《常见细菌系统鉴定手册》对菌株的生理生化特性进行鉴定，初步分类。
目的菌株F-T1-2的菌落在透射电子显微镜照片下的形状如图1所示。该目的菌株F-T1-2的菌落在牛奶琼脂平板培养基上培养24h后产生透明降解圈，菌落呈圆形奶白色单菌落，表面粗糙，边缘波状；革兰氏染色阳性；菌体杆状， 末端钝圆，成链状排列，无荚膜，有芽孢。
实施例2B)生理生化特征
经生理生化测定，目的菌株F-T1-2能够水解牛奶、明胶，具有蛋白酶活性；能水解淀粉和七叶苷，具有淀粉酶活性和葡萄糖苷酶活性；能利用柠檬酸盐；硝酸还原测定为阳性。具体的生理生化特征见表1。
表1蜡样芽孢杆菌的生理生化特征
反应底物 测定结果
甘油 -
麦芽糖 +
硝酸盐(还原) +
肌醇 -
乳糖 -
葡萄糖 +
牛乳 +
柠檬酸盐 +
山梨醇 -
卫矛醇 -
淀粉 +
VP +
尿素 -
阿拉伯糖 -
木糖 -
七叶苷 +
果糖 -
蔗糖 +
明胶 +
注：+表示阳性；-表示阴性
实施例2C)16S rDNA鉴定
测定菌株16S rDNA序列，经GenBank(http://ncbi.nlm.nih.gov/BLAST)核酸数据库作比对分析(blasting)，与已知菌群的16S rDNA基因序列进行比较，调出与其序列同源性较高的相关菌株的16S rDNA序列，计算测定菌株的核苷酸序列及其同源序列的遗传距离，用邻接法(Neighbor-joining)推演系统发生关系，构建系统发育树。
采用菌种鉴定通用引物，扩增目的菌落F-T1-2的16S rDNA序列，并送上海生工生物工程股份有限公司测序。PCR扩增所用引物、体系、程序如表2-4所示：
表2扩增引物
表3反应体系
试剂 体积(μL)
Template(基因组DNA20-50ng/μL) 0.5
10×Buffer(with Mg2+) 2.5
dNTP(各2.5mM) 1
酶 0.2
F(10μM) 0.5
R(10μM) 0.5
双蒸H2O 补足至25
表4反应程序
测序结果如SEQ ID No.1所示。经GenBank核酸数据库与已知菌群的16S rDNA基因序列比对分析，调出与其序列同源性较高的相关菌株的16S rDNA序列，计算目的菌落F-T1-2的核苷酸序列及其同源序列的遗传距离，用邻接(Neighbor-joining)推演系统发生关系，构建系统发育树见图2。综合形态学分析、生理生化分析及16S rDNA鉴定，目的菌株F-T1-2为蜡样芽孢杆菌，记为蜡样芽孢杆菌F-T1-2。
实施例3:培养条件的初步优化
实施例3A)不同起始pH值的选择
分别取1g K2HPO4，0.5g Mg2SO4·7H2O，0.5g NaCl和0.1mL 100g/L的FeSO4·7H2O配成8份液体培养基，该8份液体培养基分别使用1M硫酸或1M的NaOH溶液调节pH至4、5、6、7、8、9、10、11，加双蒸水补足至1000mL。
取蜡样芽孢杆菌F-T1-2的菌种0.5mL，添加至上述不同pH值的无机液体培养基中，以220r/min转速于37℃培养24h，测定羽毛的降解率。不同起始pH值下的降解率如图3所示，由图3可知，当无机液体培养基的起始pH为7时，降解率最高。
实施例3B)不同发酵温度的选择
取蜡样芽孢杆菌F-T1-2的菌种0.5mL，分别添加至5份pH为7的无机液体培养基中以220r/min的转速分别于不同温度(27℃，32℃，37℃，42℃，47℃)下培养24h，测定羽毛的降解率。
不同发酵温度下蜡样芽孢杆菌F-T1-2对羽毛的降解速率图如图4所示，培养温度为37℃，起始pH值为7时，降解率最高，超过65％；而当培养温度由37℃上升时，降解速率呈较大的下降趋势。
实施例3C)角蛋白酶酶活测定
角蛋白酶酶活定义为：每毫升酶液在规定条件下反应15min后OD值增加0.01为1个酶活单位。
(1)取10g的偶氮蛋白加入至1600mL pH＝7.4的磷酸缓冲液；
(2)用移液枪量取3.2mL上述磷酸缓冲液于试管中，37℃水浴中预热2min；
(3)加入粗酶液0.8mL，在37℃水浴中保温反应15min；
该步骤(3)中，所述粗酶液为实施例3B)中的菌种在含有一根羽毛的pH为7的无机液体培养中，37℃摇床震荡培养24h后，经离心分离后得到的上清液；
(4)加入质量分数10％三氯乙酸0.8mL，终止酶反应；
(5)反应液于10000r/min下离心6min，并在450nm下测定吸光值；
(6)反应时加空白对照，空白对照在反应液中先添加10％三氯乙酸0.8mL，再加酶液0.8mL。
试验结果表明，当发酵液起始pH＝7，发酵温度为37℃时，羽毛的降解率最高。发酵24h后，如图5所示，完整羽毛已经完全脱落，肉眼只见0.5-1mm长度的羽毛细屑，粗酶液角蛋白酶活力达到64.55U/mL。
实施例4)蜡样芽孢杆菌F-T1-2对不同畜禽废弃物的降解效果
取2天龄仔鸡尸体一只，加入无机液体培养基中(初始pH＝7)，再添加占无机液体培养基体积1％的蜡样芽孢杆菌F-T1-2菌株，37℃，220r/min震荡72h后，如图6所示，发酵液呈乳白色，残渣只见少量骨骼。
取猪血凝块，加入无机液体培养基中(初始pH＝7)，再添加占无机液体培养基体积1％的蜡样芽孢杆菌F-T1-2菌株，37℃，220r/min震荡培养72h后，如图7所示，发酵液呈棕色，血凝块消失。
取猪蹄(重14.56g)一块，加入无机液体培养基中(初始pH＝7)，再添加占无机液体培养基体积1％的蜡样芽孢杆菌F-T1-2菌株，37℃，220r/min震荡培养72h后，如图8所示，发酵液呈土黄色，皮毛消失，剩余残渣(重9.31g)为蹄甲和趾骨，猪蹄的降解率为36.1％。
取大鼠皮毛一块(重37.54g)，无机液体培养基中(初始pH＝7)，再添加占无机液体培养基体积1％的蜡样芽孢杆菌F-T1-2菌株，37℃，220r/min震荡培养72h后，如图9所示，发酵液呈灰黄色，皮肤消失，剩余残渣(重16.26g)为部分降解和未降解的鼠毛，大鼠皮毛的降解率为56.7％。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种产角蛋白酶的蜡样芽孢杆菌，其特征在于，其保藏号为CGMCCNo.12184。
2.如权利要求1所述的产角蛋白酶的蜡样芽孢杆菌在降解角蛋白上的应用。
3.利用如利要求1所述的利用上述产角蛋白酶的蜡样芽孢杆菌降解角蛋白的方法，包括以下步骤：
1)取含有角蛋白的待降解物，加入无机液体培养基中；
2)向步骤1)所述的无机液体培养基中加入蜡样芽孢杆菌菌株；
3)将步骤2)后的无机液体培养基于27-47℃震荡至待降解物大部分降解。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1)中，所述无机液体培养基的pH值＝4-11。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1)中，所述无机液体培养基的pH值＝7。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤2)中，蜡样芽孢杆菌菌株的添加量为无机液体培养基体积的1％。
7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3)中，于37℃震荡至待降解物大部分降解。
8.如权利要求3-7任一项所述的方法，其特征在于，步骤1)中，所述无机液体培养基包括按重量份计的以下组分：1份K2HPO4，0.5份Mg2SO4·7H2O，0.5份NaCl，0.1份100g/L的FeSO4·7H2O，调节pH量的H2SO4或NaOH溶液，补足至1000份的双蒸水。
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Application publication date: 20160921