CN113337444A - 一株弯曲芽孢杆菌及其产pha的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一株弯曲芽孢杆菌及其产PHA的应用,本发明的弯曲芽孢杆菌(Priestia flexa)命名为MN15‑19,保藏编号为CGMCC No.22299。本发明提供的弯曲芽孢杆菌株MN15‑19具有较高的产PHA能力,在以葡糖糖为碳源的液体培养基中发酵培养4天后,其PHA产量达到2.27g/L,因而具有良好的工业化应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及菌株分离及应用技术领域,具体涉及一株弯曲芽孢杆菌及其产PHA的应用。
背景技术
考虑到石油基塑料的不可生物降解特性以及石油基塑料产品大规模使用的现状,人们认识到大规模使用石油基塑料可能给自然生态系统和人类健康造成了严重的威胁。聚羟基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoates,PHA)是由微生物合成的一类天然高分子基材料,具有可与合成塑料相媲美的理化特性,并且具有可生物降解和生物相容性,因此正成为替代合成塑料的重要替代品。
红树林是生长在热带、亚热带潮间带的木本植物群落,其土壤处于周期性遭海水浸淹的潮间带环境。红树林生态系统的微生物进化出了独特的生理生化特性,以适应这种特殊环境。研究表明红树林作为高盐、高碳、低营养的生境蕴含着丰富的产PHA微生物资源。因此挖掘红树林中能够利用廉价碳源生产功能各异的PHA微生物菌株,具有重要的工业应用价值。
发明内容
本发明的目的是提供一株高产PHA的弯曲芽孢杆菌(Priestia flexa)。
第一方面,本发明要求保护一株弯曲芽孢杆菌(Priestia flexa)MN15-19,其保藏编号为CGMCC No.22299。
本发明采集深圳市福田区红树林保护区滩涂表层10cm的土壤分离得到一株弯曲芽孢杆菌,命名为MN15-19。
具体分离方法为:采集深圳市福田区红树林保护区滩涂表层10cm的土壤;将采集的土壤放入装有100mL已灭菌的含油含盐富集培养基的锥形瓶中,30℃、160r/min下恒温震荡培养77天,每7天以1%的接种量转接至含新鲜的培养基富集培养基中,同时提高含油量1%、盐度10‰,培养第7、42和77天取1mL土壤悬浮液;将所述底泥悬浮液梯度稀释,制成10-3至10-5浓度的土壤悬浮液;将所述稀释的底泥悬浮液加入至2216E培养基平板进行涂布处理,30℃恒温培养箱培养48h后得到菌落;挑取形态各异的单菌落进行划线纯化培养,低温保藏菌种。经采用菌落PCR方法对所述菌种的phaC基因进行鉴定,有条带的菌株即为产PHA阳性菌,并命名为MN15-19。
MN15-19的菌落呈浅黄色、椭圆形、边缘不整齐、表面湿润光滑。
本发明的弯曲芽孢杆菌菌株MN15-19已于2021年5月10号保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(简称CGMCC,地址:北京市朝阳区北辰西路1号院3号,中国科学院微生物研究所,邮政编码:100101),分类命名为Priestia flexa,保藏编号为CGMCCNo.22299。
第二方面,本发明提供一种菌剂,含有上述的弯曲芽孢杆菌或其发酵液。
在本发明提供的菌剂中,PHA产量达到2.27g/L。在所述菌剂中,PHB占PHA的97.9%,PHV占PHA的2.1%。
第三方面,本发明提供一种生产PHA的方法,将上述的弯曲芽孢杆菌或上述的菌剂接种至液体培养基中,28-33℃,130-160r/min下培养3-5天,获得发酵液;30℃,150r/min下培养4天,获得含PHA的发酵液。
在本发明提供的方法中,所述液体培养基为营养肉汤培养基或以葡萄糖为单一碳源的无机盐培养基或以丙酮酸钠为单一碳源的无机盐培养基。
具体地,液体培养基的组分为:
NB:10g/L的蛋白胨,5g/L的牛肉膏,5g/L的NaCl,pH 7.0,121℃灭菌25min。
M1:10g/L的葡萄糖,9g/L的Na2HPO4,1.5g/L的KH2PO4,1g/L的NH4Cl,0.2g/L的MgSO4,0.02g/L的CaCl2,0.0012g/L的枸椽酸铁铵,加入100μL的微量元素液(1g/L ZnSO4,0.3g/L MnCl2,3g/LH3BO3,2g/L CoCl2,0.1g/L CuCl2,0.2g/L NiCl2,0.3g/L NaMoO4),pH7.0,121℃灭菌25min。
M2:10g/L的丙酮酸钠,9g/L的Na2HPO4,1.5g/L的KH2PO4,1g/L的NH4Cl,0.2g/L的MgSO4,0.02g/L的CaCl2,0.0012g/L的枸椽酸铁铵,加入100μL的微量元素液(1g/L ZnSO4,0.3g/L MnCl2,3g/LH3BO3,2g/L CoCl2,0.1g/L CuCl2,0.2g/L NiCl2,0.3g/L NaMoO4),pH7.0,121℃灭菌25min。
采用上述的弯曲芽孢杆菌或上述的方法,可大幅提高PHA的产量,在以葡萄糖为单一碳源的无机盐培养基(M1)培养4天后,菌株MN15-19产PHA的能力最强,PHA产量达到2.27g/L,其中PHB相对占比97.9%,PHV相对占比2.1%,具有良好的工业化应用前景。
根据本领域技术人员的理解,本发明还要求保护上述的弯曲芽孢杆菌或上述的菌剂或上述的方法在生产PHA或在提高PHA产量中的应用;所述PHA包括聚3-羟基丁酸酯和聚羟基戊酸酯。
聚羟基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoates,PHA),是微生物合成的一种细胞内聚酯,是一种天然的高分子生物材料。PHA具有良好的生物相容性能、生物可降解性的同时,也具备塑料的热加工性能。因此,本发明还要求保护上述的弯曲芽孢杆菌或上述的方法或上述的菌剂在生产包装材料、粘合材料或喷涂材料中的应用。
本发明的有益效果是:本发明提供的弯曲芽孢杆菌(Priestia flexa)MN15-19是在海岸潮间带红树林土壤中分离得到的,在利用以葡萄糖为单一碳源的无机盐培养基(M1)发酵培养时,具有较强的PHA生产能力,所产的PHB和PHV总累计量占细胞干重比值高,PHA产量达到2.27g/L,为生产替代合成塑料的天然高分子生物材料提供了重要的菌株资源和技术手段,具有良好的工业化应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1分离筛选弯曲芽孢杆菌MN15-19的流程图。
图2是扩增本发明实施例1中分离筛选得到的弯曲芽孢杆菌MN15-19的phaC合成酶基因的PCR产物电泳图。
图3是本发明实施例2中在30℃培养1天后弯曲芽孢杆菌MN15-19的菌落图。
图4是本发明实施例2中弯曲芽孢杆菌MN15-19的革兰氏染色图。
图5是本发明实施例2中弯曲芽孢杆菌MN15-19的16S序列构建的系统发育树图。
图6是本发明实施例3中弯曲芽孢杆菌MN15-19产PHA测定结果图。
具体实施方式
以下实例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。在不背离本发明精神和实质的情况下,对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换,均属于本发明的保护范围。
若未特别指明,本发明实例中所用的实验材料、试剂、仪器等均可市售获得;若未具体指明,本发明实例中所有的技术手段均为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例中所用的培养基包括:
(1)含油含盐富集培养基,用于菌株的分离,其组成为:向海水中添加1-10%(v/v)的混合植物油(金龙鱼:花生油:菜籽油=1:1:1)和35-125‰的NaCl。
花生油按照GB/T 1534-2017规定大于5%的组成为:棕榈酸(C16:0,8.0-14.0)、油酸(C18:1,35.0-69.0)和亚油酸(C18:2,13.0-43.0)。菜籽油按照GB/T 1536-2004规定大于5%的组成为:棕榈酸(C16:0,1.5-6.0)、油酸(C18:1,8.0-60.0)、亚油酸(C18:2,11.0-23.0)、亚麻酸(C18:2,5.0-13.0)、花生一烯酸(C20:1,3.0-15.0)和芥酸(C22:1,3.0-60.0)。
普通海水培养基(2216E),用于菌株的纯化培养,其组成包括:5.0g/L的蛋白胨,1.0g/L的酵母膏,0.1g/L的柠檬酸铁,19.45g/L的NaCl,5.98g/L的MgCl2,3.24g/L的Na2SO4,1.8g/L的CaCl2,0.55g/L的KCl,0.16g/L的Na2CO3,0.08g/L的KBr,0.034g/L的SrCl2,0.022g/L的H3BO3,0.004g/L的Na2O·nSiO2,0.0024g/L的NaF,0.0016g/L的NaNO3,0.008g/L的Na2HPO4,pH为7.6±0.2,121℃下高压蒸汽灭菌25min。
产PHA的液体培养基包括营养肉汤培养基(NB)和以葡萄糖为单一碳源的无机盐培养基(M1)和以丙酮酸钠为单一碳源的无机盐培养基(M2),组分如下:
NB:10g/L的蛋白胨,5g/L的牛肉膏,5g/L的NaCl,pH 7.0,121℃灭菌25min。
M1:10g/L的葡萄糖,9g/L的Na2HPO4,1.5g/L的KH2PO4,1g/L的NH4Cl,0.2g/L的MgSO4,0.02g/L的CaCl2,0.0012g/L的枸椽酸铁铵,加入100μL的微量元素液(1g/L ZnSO4,0.3g/L MnCl2,3g/LH3BO3,2g/L CoCl2,0.1g/L CuCl2,0.2g/L NiCl2,0.3g/L NaMoO4),pH7.0,121℃灭菌25min。
M2:10g/L的丙酮酸钠,9g/L的Na2HPO4,1.5g/L的KH2PO4,1g/L的NH4Cl,0.2g/L的MgSO4,0.02g/L的CaCl2,0.0012g/L的枸椽酸铁铵,加入100μL的微量元素液(1g/L ZnSO4,0.3g/L MnCl2,3g/LH3BO3,2g/L CoCl2,0.1g/L CuCl2,0.2g/L NiCl2,0.3g/L NaMoO4),pH7.0,121℃灭菌25min。
实施例1弯曲芽孢杆菌MN15-19的分离和筛选
本实施例提供弯曲芽孢杆菌MN15-19分离与筛选的方法,分离与筛选的流程图见图1,具体步骤如下:
1、可培养菌株的分离
采集深圳市福田区红树林保护区滩涂表层10cm的土壤;将采集的土壤放入装有100mL已灭菌的含油含盐富集培养基的锥形瓶中,30℃、160r/min下恒温震荡培养77天,每7天以1%的接种量转接至含新鲜的培养基富集培养基中,同时提高含油量1%、盐度10‰,培养第7、42和77天取1mL土壤悬浮液;将所述底泥悬浮液梯度稀释,制成10-3至10-5浓度的土壤悬浮液;将所述稀释的底泥悬浮液加入至2216E培养基平板进行涂布处理,30℃恒温培养箱培养48h后得到菌落;挑取形态各异的单菌落进行划线纯化培养,低温保藏菌种。
采用菌落PCR方法对所述菌种的phaC基因进行鉴定,有条带的菌株即为产PHA阳性菌,并命名为MN15-19。
2、产PHA菌株的筛选
采用菌落PCR方法对所述菌种的phaC基因进行鉴定。挑取单菌落加入含50μL无菌水的灭菌PCR管中,95℃、10min得到菌落PCR模板。phaC基因正向引物为BmphaC015(SEQ IDNO.1)(5’-CGTGCAAGAGTGGGAAAAAT-3’),反向引物为BmphaC931R(SEQ ID NO.2)(5’-TCGCAATATGATCACGGCTA-3’)。
PCR反应体系为:2×PCR Master Mix 25μL;正向引物和反向引物各1μL;模板1μL;ddH2O补足50μL。
PCR反应条件为:在温度为94℃预变性6min;94℃变性45s,54℃退火30s;72℃延伸90s,31循环;72℃延伸10min,4℃保存。将得到的PCR产物进行120V、30min、1%的琼脂糖凝胶电泳,蓝光透色仪观察胶体,有条带的样品即为phaC基因阳性菌株,将其命名为MN15-19,其电泳图请参考图2。
实施例2弯曲芽孢杆菌MN15-19的鉴定
本发明实施例提供了对实施例1筛选得到的弯曲芽孢杆菌MN15-19的鉴定,包括形态学观察、生理生化鉴定和16S rDNA序列分析,具体如下:
1、形态学观察
将本发明实施例提供的菌株MN15-19划线到2216E培养基平板上,然后将平板倒转,在30℃培养箱中培养24h,观察并记录平板上菌落的生长情况。本发明实施例1筛选得到的菌株MN15-19的菌落形态请参考图3。从图3能够看出菌株的菌落呈浅黄色、椭圆形、边缘不整齐、表面湿润光滑。
用试剂盒对发明实施例1筛选得到的菌株MN15-19进行革兰氏染色,并在油镜下观察菌株,该菌株的革兰氏染色图见图4。从图4能够看出菌株呈紫色,为革兰氏阳性菌。
2、生理生化鉴定
参照《常见细菌系统鉴定手册》中的生理生化鉴定指标,对本发明实施例提供的菌株MN15-19进行生理生化鉴定。
本发明实施例提供的菌株的生理生化鉴定的指标包括过氧化氢酶能力、甲基红MR实验、VP实验、氧化酶能力、淀粉水解能力、产硫化氢能力、硝酸盐还原能力、丙二酸盐利用能力、柠檬酸盐利用能力、明胶液化能力。生理生化鉴定结果如表1。
表1本菌株的生理生化鉴定结果
表性特征 | 反应特征 | 表性特征 | 反应特征 |
过氧化氢酶 | + | 产硫化氢 | - |
MR实验 | - | 硝酸盐还原 | - |
VP实验 | - | 丙二酸盐利用 | + |
氧化酶 | - | 柠檬酸盐 | - |
淀粉水解 | + | 明胶液化 | - |
表中,+表示本菌株有反应或可以利用,-表示本菌株没有反应或不可以利用。
3、16S rDNA序列分析
本发明实施例采用Ezup细菌基因组DNA抽提试剂盒提取菌株MN15-19中的DNA。PCR扩增的正向引物(SEQ ID NO.3)为27F(5’-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3’),反向引物(SEQ IDNO.4)为1492R(5’-GGTTACCTTGTTACGACTT-3’)。
PCR反应体系为:2×PCR Master Mix 25μL;正向引物和反向引物各1μL;模板1μL;ddH2O补足50μL。
PCR反应体系为:在温度为94℃预变性4min,1个循环;94℃变性45s,55℃退火45s;72℃延伸90s,30个循环;4℃保存。
PCR产物由上海生工生物工程股份有限公司进行测序,测序结果如SEQ ID NO.5所示。将所得序列在GenBank中进行Blast相似性比对,得到相似性较高的序列。运用MEGA7.0软件构建菌株的系统发育树,本菌株的16S rDNA序列与弯曲芽孢杆菌(Priestia flexa)的同源性达到99.9%,本菌株的系统发育树见图5。
综合上述形态学观察、生理生化鉴定及16S rDNA序列分析结果,能够确定菌株MN15-19为弯曲芽孢杆菌(Priestia flexa),其被命名为弯曲芽孢杆菌MN15-19。该菌株已于2021年5月10号保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(简称CGMCC,地址:北京市朝阳区北辰西路1号院3号,中国科学院微生物研究所,邮政编码:100101),分类命名为Priestia flexa,保藏编号为CGMCC No.22299。
实施例3弯曲芽孢杆菌MN15-19的产PHA能力测定
本发明实施例对弯曲芽孢杆菌MN15-19进行了产PHA能力的测定,该测定包括以下内容:
1、PHA的提取
将本发明实施例1提供的弯曲芽孢杆菌MN15-19接种至液体培养基中,于30℃,150r/min条件下恒温震荡培养4天。培养结束后,取发酵液在5000r/min下离心20min,获得细胞沉淀,然后进行冷冻干燥处理;称取10mg的细菌冻干样品,放入脂化管中,然后加入1mL的氯仿(含0.5mg/mL苯甲酸甲酯)和1mL含15%(v/v)浓硫酸的甲醇溶液,在100℃油浴下密封处理2.5h,进行甲酯化反应;反应结束后,将样品冰浴冷却5min,然后加入0.5mL去离子水,充分混匀30s,在3500r/min下离心分层10min,取下层氯仿相用于色谱分析。
所述液体培养基包括营养肉汤培养基(NB)、以葡萄糖为单一碳源的无机盐培养基(M1)和以丙酮酸钠为单一碳源的无机盐培养基(M2),组分如下:
NB:10g/L的蛋白胨,5g/L的牛肉膏,5g/L的NaCl,pH 7.0,121℃灭菌25min。
M1:10g/L的葡萄糖,9g/L的Na2HPO4,1.5g/L的KH2PO4,1g/L的NH4Cl,0.2g/L的MgSO4,0.02g/L的CaCl2,0.0012g/L的枸椽酸铁铵,加入100μL的微量元素液(1g/L ZnSO4,0.3g/L MnCl2,3g/LH3BO3,2g/L CoCl2,0.1g/L CuCl2,0.2g/L NiCl2,0.3g/L NaMoO4),pH7.0,121℃灭菌25min。
M2:10g/L的丙酮酸钠,9g/L的Na2HPO4,1.5g/L的KH2PO4,1g/L的NH4Cl,0.2g/L的MgSO4,0.02g/L的CaCl2,0.0012g/L的枸椽酸铁铵,加入100μL的微量元素液(1g/L ZnSO4,0.3g/L MnCl2,3g/LH3BO3,2g/L CoCl2,0.1g/L CuCl2,0.2g/L NiCl2,0.3g/L NaMoO4),pH7.0,121℃灭菌25min。
2、PHA的含量测定
本实施例测定的PHA的单体组成包括聚3-羟基丁酸酯(PHB)和聚羟基戊酸酯(PHV)。
本实施例采用气相色谱仪分析甲酯化产物样品,以测定PHA的含量,选用DB-WAX型号色谱柱作为固定相,使用惰性气体氦气作为流动相,进样量为1μL,进样温度250℃,流速0.7mL/min。使用分析纯级别的聚3-羟基丁酸酯(PHB)和聚羟基戊酸酯(PHV)作为标准物,定性分析菌株MN15-19合成的PHA,以苯甲酸甲酯作为内标物,用内标法作定量分析。称取一定梯度质量的PHA产物进行甲酯化预处理,气相分析后,读取PHA单体峰面积/内标峰面积的比值与单体质量/内标物的质量的数据做标准曲线,该标准曲线用于定量分析干细胞中的PHA含量。
3、测定结果
本发明提供了弯曲芽孢杆菌MN15-19产PHA能力的测定结果图,结果图请参考图6。从图6中可以看出利用营养肉汤培养基(NB)、以葡萄糖为单一碳源的无机盐培养基(M1)和以丙酮酸钠为单一碳源的无机盐培养基(M2)发酵培养时,菌株均合成两种不同种类的PHA:聚3-羟基丁酸酯(PHB)和聚羟基戊酸酯(PHV)。
营养肉汤培养基(NB)培养4天后,PHA产量达到0.32g/L,其中PHB相对占比94.1%,PHV相对占比5.9%。
以丙酮酸钠为单一碳源的无机盐培养基(M2)培养4天后,PHA的产量达到0.55g/L,其中PHB相对占比97.9%,PHV相对占比2.1%。
以葡萄糖为单一碳源的无机盐培养基(M1)培养4天后,菌株产PHA的能力最强,总产量达到2.27g/L,其中PHB相对占比87.6%,PHV相对占比12.4%,具有良好的工业化应用前景。
虽然,上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述,但在本发明基础上,可以对之作一些修改或改进,这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此,在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进,均属于本发明要求保护的范围。
序列表
<110> 北京大学深圳研究院
<120> 一株弯曲芽孢杆菌及其产PHA的应用
<130> KHP211115298.0
<160> 5
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 20
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 1
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cctaagggac aggatg 1456
Claims (10)
1.一株弯曲芽孢杆菌(Priestia flexa)MN15-19,其特征在于,其保藏编号为CGMCCNo.22299。
2.一种菌剂,其特征在于,含有权利要求1所述的弯曲芽孢杆菌或其发酵液。
3.根据权利要求2所述的菌剂,其特征在于,所述菌剂中PHA的含量高于2.27g/L。
4.根据权利要求3所述的菌剂,其特征在于,所述菌剂中,PHB占PHA的97.9%,PHV占PHA的2.1%。
5.一种生产PHA的方法,其特征在于,将权利要求1所述的弯曲芽孢杆菌或权利要求2-4任一项所述的菌剂接种至液体培养基中,28-33℃,130-160r/min下培养3-5天,获得发酵液;30℃,150r/min下培养4天,获得发酵液。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述液体培养基是肉汤培养基或以葡萄糖为单一碳源的无机盐培养基或以丙酮酸钠为单一碳源的无机盐培养基。
7.权利要求1所述的弯曲芽孢杆菌或权利要求2-4任一项所述的菌剂或权利要求5-6任一项所述的方法在提高PHA产量中的应用。
8.权利要求1所述的弯曲芽孢杆菌或权利要求2-4任一项所述的菌剂或权利要求5-6任一项所述的方法在生产PHA中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用,其特征在于,所述PHA包括聚3-羟基丁酸酯和聚羟基戊酸酯。
10.权利要求1所述的弯曲芽孢杆菌或权利要求2-4任一项所述的菌剂或权利要求5-6任一项所述的方法在生产包装材料、粘合材料或喷涂材料中的应用。
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