CN114395516B - 一种地衣芽孢杆菌td-4及其生产蛋白酶的方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微生物技术领域,具体涉及一种地衣芽孢杆菌TD‑4及其生产蛋白酶的方法和应用。所述地衣芽孢杆菌TD‑4的保藏编号为CGMCC NO.24154,该地衣芽孢杆菌TD‑4可用于制备蛋白酶。本发明提供的地衣芽孢杆菌TD‑4能在40℃~55℃的条件下正常生长,其产生的蛋白酶酶活可达到4732.55U/mL,应用于污泥稻壳粉混合堆肥后,其蛋白质含量下降50.51%,在污泥及畜禽粪便等固体废弃物资源化利用领域具有极大的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及微生物技术领域,具体涉及一种地衣芽孢杆菌TD-4及其生产蛋白酶的方法和应用。
背景技术
稻壳、植物秸秆、污泥、畜禽粪便等有机固体废弃物中含有大量的植物纤维素,植物纤维素结构复杂且较难降解,很难有效实现资源化利用。现阶段,国内外对于有机固体废弃物高效稳定的资源化利用基本依靠生物法,利用微生物产生的纤维素酶降解纤维素,利用微生物产生的蛋白酶将蛋白质降解成小分子有机物制成生物肥料,有利于植物吸收。好氧堆肥是实现有机固体废弃物资源化利用的主流处理方式,堆肥腐熟是由微生物主导的生理生化过程,其前提是能够获取具有高效降解蛋白质和纤维素能力的微生物。有机固体废弃物堆肥腐熟过程常常伴随着放热,使堆肥内部的温度升高,能适应较高温度的产蛋白酶微生物在堆肥方面更具有优势。
目前的蛋白质降解菌效果不佳,蛋白质降解菌产酶量相对较少,特别指在堆肥内部温度升高后产酶能力下降明显,不能满足人们对高效蛋白酶菌种的要求。
发明内容
针对现有技术中的缺陷,本发明提供一种地衣芽孢杆菌TD-4及其生产蛋白酶的方法和应用,该菌株能在较高的温度下能生产高活性的蛋白酶,达到良好的蛋白质降解效果。为达到上述发明目的,本发明采用了如下的技术方案。
一种地衣芽孢杆菌TD-4,其分类名称为地衣芽孢杆菌TD-4(Bacillus licheniformis),于2021年12月21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,保藏编号为CGMCC NO.24154;保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号。
上述地衣芽孢杆菌TD-4,能在40℃~55℃的条件下正常生长,其产生的蛋白酶酶活可达到4732.55U/ml,应用于污泥稻壳粉混合堆肥中能将堆肥体中的蛋白质含量降低50.5%,在污泥或畜禽粪便等固体废弃物资源化利用领域具有极大的应用价值。
上述地衣芽孢杆菌TD-4的培养方法,在温度为40℃~55℃、pH为6.5~8.0、转速为180r/min~220r/min的培养条件下培养24h~48h。
优化的培养条件为:培养温度50℃,pH 7.0、转速200r/min。
上述优选的培养条件可以进一步提高地衣芽孢杆菌TD-4的繁殖速度和产蛋白酶效率。
利用上述地衣芽孢杆菌TD-4生产蛋白酶的方法,包括以下步骤。
步骤一:将所述地衣芽孢杆菌TD-4接种到LB培养基中进行培养,制成种子液;
步骤二:将生长至对数生长期的地衣芽孢杆菌TD-4种子液,按3%~5%的接种体积接种至发酵培养基中,在40℃~55℃、pH为6.5~8.0、转速为180r/min~220r/min的条件下培养48h~72h,得到含蛋白酶的发酵液。
优选地,上述制备方法的优化条件为:培养温度50℃,pH为7.0,转速200r/min。
优选地,所述步骤二中,每升所述发酵培养基中包括以下组分:葡萄糖2g,蛋白胨2g,碳酸钙2g,硫酸亚铁0.5g,硫酸铵1g,七水硫酸镁2g,磷酸氢二钾2g,七水磷酸二氢钾0.5g。
本发明还提供了所述地衣芽孢杆菌TD-4在降解蛋白质领域的应用。
所述地衣芽孢杆菌TD-4具有在高温条件下正常生长及合成蛋白酶的能力,可作为微生物菌种资源应用于污泥、稻壳和/或畜禽粪便堆肥等固体废弃物资源化利用领域。
本发明提供的蛋白酶生产方法简单、高效,将本发明提供的地衣芽孢杆菌TD-4种子液以4%的接种体积接种到发酵培养基中,在50℃下培养至48h时,经检测得到蛋白酶酶活可达到4732.55U/ml,应用于污泥稻壳粉混合堆肥后,堆肥体中的蛋白质含量下降50.51%,表明本发明生产方法得到的蛋白酶酶活高,在污泥、稻壳和/或畜禽粪便堆肥等固体废弃物资源化利用领域降低蛋白质物质具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明所述地衣芽孢杆菌TD-4的生长曲线。
图2为本发明所述地衣芽孢杆菌TD-4的菌落形态图。
图3为本发明所述地衣芽孢杆菌TD-4的菌株扫描电镜图。
图4为本发明所述地衣芽孢杆菌TD-4基于16S rDNA序列构建的系统发育树。
图5为本发明所述地衣芽孢杆菌TD-4在摇瓶水平发酵过程中蛋白酶活力变化曲线图。
图6为本发明所述地衣芽孢杆菌TD-4在堆肥过程中堆肥体中蛋白质降解率变化图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
以下实施例所用培养基的配方及配制方法如下。
酪蛋白培养基:磷酸二氢钾0.36g,七水硫酸镁0.5g,氯化锌0.014g,七水磷酸氢二钠1.07g,氯化钠0.16g,氯化钙0.002g,硫酸亚铁0.002g,干酪素2g,胰蛋白胨0.025g,琼脂10g,蒸馏水1000mL,pH为7.2~7.4。
LB培养基:蛋白胨10g,氯化钠10g,酵母浸粉5g,蒸馏水1000mL。
发酵培养基:葡萄糖2g,蛋白胨2g,碳酸钙2g,硫酸亚铁0.5g,硫酸铵1g,七水硫酸镁2g,磷酸氢二钾2g,七水磷酸二氢钾0.5g,蒸馏水1000mL。
实施例1
1.1 菌株的筛选
采集样品:在牛粪好氧堆肥后的堆肥基质中深度0.5m取样。
样品预处理:取上述样品10g,加入到装有90mL无菌水的无菌三角瓶中,封口膜密封后,150r/min摇床上摇动20min,静置10min后取悬浮液得到菌悬液,备用。
梯度稀释:利用无菌水对上述菌悬液进行10倍梯度稀释,得到浓度为10-2、10-3、10-4、10-5、10-6和10-7的菌悬液。
平板涂布:在超净操作台中,分别取10-5、10-6和10-7的菌悬液0.1mL滴加到酪蛋白培养基上,进行平板涂布分离,并将接种好的培养基50℃倒置培养48h~60h。
选定菌种:利用酪蛋白培养基,以菌株降解酪素形成的透明圈为初筛指标,筛选挑取水解圈较大的菌株于50℃培养基上进行划线纯化,并保存备用。
菌株的生长特性及鉴定
(1)菌株生长特性:
将1.1选定的菌株分别接种到pH为5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0的LB培养基(用1mol/L盐酸和1mol/L氢氧化钠溶液调整pH),50℃,摇床转速180r/min培养24h;测定在600nm处的OD值,得到该菌株生长的pH范围为6.5~8.0,最适合生长的pH为7.0。
将1.1选定的菌株接种到pH为7.0的LB培养基,分别在40℃、45℃、50℃、55℃、60℃的不同温度条件下,摇床转速180r/min培养24h;测定在600nm处OD值,得到该菌株生长的温度范围为40℃~55℃,最适合生长的温度为50℃。
将1.1选定的菌株接种到pH为7.0的LB培养基中,摇床转速分别设置150r/min、160r/min、170r/min、180r/min、190r/min、200r/min、210r/min、220r/min,在45℃摇床培养24h,测定在600nm处OD值,得到该菌株生长的摇床转速范围为180r/min~220r/min,最适合摇床转速为200r/min。
生长曲线测定:将1.1选定的菌株接种在pH为7.0的LB培养基,在50℃条件下,摇床转速200r/min培养48h,每隔2h取培养基,测定在600nm处OD值,绘制菌株的生长曲线,如图1所示,最适合培养时间为34h。
(2)菌株的鉴定
形态学鉴定:将1.1选定的菌株在LB培养基上培养24h后,菌落呈椭圆形扁平且边缘不整齐,白色不透明,表面粗糙褶皱,直径2.5mm~3.0mm,如图2所示。革兰氏染色为阳性,在显微镜下观察细胞形态和排列呈长杆状,产芽孢、有鞭毛,无荚膜,如图3所示。
生物学鉴定:细菌基因组DNA采用Ezup柱式细菌基因组DNA抽提试剂盒提取,采用细菌16S rDNA通过引物27F和1492R进行PCR扩增;PCR产物由上海生工生物工程股份有限公司测序,测序结果显示所述的16S rDNA序列长度为1448bP,具体序列如序列表所示。
其中,PCR反应体系(25μL)如表1所示。
表1 PCR反应体系
试剂 | 体积(μL) |
10 X PCR Buffer | 2.5 |
dNTP (each 10 mM) | 0.25 |
Taq Plus DNA Polymerase(5 U/μl) | 0.25 |
50mM MgSO4 | 9.5 |
引物27F (10 µM) | 1 |
引物1492R (10 µM) | 1 |
Template (DNA) | 1 |
ddH2O | 9.5 |
上游引物的27F的序列为:5’-AGTTTGATCMTGGCTCAG-3’(SEQIDNO:2)。
下游引物的1492R的序列为:5’-GGTTACCTTGTTACGACTT-3’(SEQIDNO:3)。
PCR扩增的条件见表2。
表2 PCR扩增条件
温度 | 时间 | 程序 |
95℃ | 5 min | 预变性 |
94℃ | 30 s | 30 cycle |
57℃ | 30 s | 30 cycle |
72℃ | 90 s | 30 cycle |
72℃ | 10min | 修复延伸 |
4℃ | ∞ | 终止反应 |
通过BLAST工具将扩增序列结果在NCBI网站上进行同源性比对分析,数据库比较分析发现,其16S rDNA序列与地衣芽孢杆菌Bacillus licheniformis的同源性高达99%,同时基于16S rDNA序列构建的系统发育树,如图4所示,通过BLAST比对和系统发育树构建可知,上述分离所得的菌株在分类上属于地衣芽孢杆菌,因此将其命名为地衣芽孢杆菌TD-4(Bacillus licheniformis)。该菌株于2021年12月21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,保藏编号为CGMCC NO.24154,保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号。
实施例2
利用实施例1筛选得到的地衣芽孢杆菌TD-4生产蛋白酶并测定酶活力。
2.1生产蛋白酶的方法
步骤一:将地衣芽孢杆菌TD-4接种到pH为7.0的LB培养基中,50℃、200r/min摇床中培养34h,制成种子液。
步骤二:将生长至对数生长期的地衣芽孢杆菌TD-4种子液,以4%接种量加入到发酵培养基中,50℃、200r/min摇床培养60h,制成发酵液。
步骤三、将发酵液在4℃、8000r/min条件下离心20min去除菌体,收集上清液得到含有蛋白酶的粗酶液。
2.2 蛋白酶活力的测定方法
根据《GB/T23527-2009》采用福林法测定蛋白酶活力,蛋白酶水解酪蛋白底物,产生含有酚基的氨基酸,在碱性条件下,将福林试剂(Folin)还原,生成钼蓝与钨蓝,用分光光度计于波长680nm下测定吸光度,酶活力与吸光度成比例。
蛋白酶活力以蛋白酶活力单位表示,定义为1mL液体酶,在一定温度和pH条件下,1min水解酪蛋白产生1μmol的酪氨酸,即为1个酶活力单位,以U/g(U/mL)表示。
标准曲线:称取105℃干燥至恒重的L-酪氨酸0.1000g,用1mol/L盐酸溶液60mL溶解后定容至100mL为1mg/mL酪氨酸溶液。取1mg/mL酪氨酸溶液10.00mL,用0.1mol/L盐酸溶液定容至100mL为100μg/mL的L-酪氨酸标准贮备液。分别吸取0.00mL、1.00mL、2.00mL、3.00mL、4.00mL、5.00mLL-酪氨酸标准贮备液于10mL比色管中,用蒸馏水定容至10mL。分别取上述溶液1.00mL,加入42.4g/L的碳酸钠溶液5.00mL、福林试剂1.00mL,振荡均匀于40℃水浴20min,用分光光度计于波长680nm下测定吸光度,以吸光度为纵坐标,酪氨酸浓度为横坐标,绘制标准曲线。
取粗酶液1.00mL,40℃水浴2min后加入提前预热5min的10g/L酪蛋白溶液1.00mL,振荡均匀于40℃水浴10min后再加入65.4g/L三氯乙酸2.00mL,摇匀后静置10min,用慢速定性滤纸过滤后取1.00mL,加入42.4g/L碳酸钠溶液5.0mL、福林试剂1.00mL振荡均匀于40℃水浴20min,用分光光度计于波长680nm下测定吸光度。
空白:取粗酶液1.00mL,40℃水浴2min后先加入65.4g/L三氯乙酸2.00mL,振荡均匀于40℃水浴10min后再加入提前预热5min的10g/L酪蛋白溶液1.00mL,摇匀后静置10min,用慢速定性滤纸过滤后取1.00mL,加入42.4g/L碳酸钠溶液5.0mL、福林试剂1.00mL振荡均匀于40℃水浴20min,用分光光度计于波长680nm下测定吸光度。
每隔12h采用2.2的测定方法测定2.1中发酵液的蛋白酶含量,结果显示,在发酵0h、12h、24h、36h时,酶活力分别为0 U/mL、1106.82U/mL、2808.67U/mL、3921.94U/mL,48h时,蛋白酶酶活达到最高为4732.55U/mL,如图5所示。
实施例3
将实施例1筛选得到的地衣芽孢杆菌TD-4添加至污泥-稻壳粉混合堆肥中,测定堆肥中的蛋白质含量变化。
污泥-稻壳粉混合堆肥:污泥与稻壳粉按照重量4:1混合,含水率控制在65%左右,接种5%含有地衣芽孢杆菌TD-4的菌剂。曝气采用正压曝气,曝气量为0.9m3/h,以“通风30min-停10min”来进行间歇式曝气。堆肥过程中0d、3d、5d、8d、14d、21d进行翻堆取样,总反应时间为21d。
采用考马斯亮蓝法对堆肥体系中蛋白质的含量进行测定。
考马斯亮蓝G-250溶液配置:考马斯亮蓝G-250 100mg溶于50mL 95%乙醇中,加入100mL 85%H3PO4,用超纯水稀释至1000mL,滤纸过滤。
标准曲线的绘制:分别取0mL、0.2mL、0.4mL、0.6mL、0.8mL、1.0mL、1.2mL、1.4mL、1.6mL、1.8mL、2.0mL、2.4mL、2.8mL、3.2mL、3.6mL、4.0mL牛血清蛋白标准溶液于50mL比色管中,加蒸馏水至25mL左右,加5mL考马斯亮蓝G-250溶液,定容至50mL。摇匀后静置5min,于595 nm处检测。
称取10g上述堆肥样品,然后用蒸馏水与样品以10:1(V(ml):W(g))的比例在25℃条件下振荡1h后,在4000r/min下离心15min后弃去上清液,加0.05 mol/L,pH 7.9的Tris-HCl 缓冲液2mL,混匀洗涤后离心弃去上清液,重复上述操作,反复洗涤3次。
于上述离心管中加入1mol/L NaOH至10 mL处,摇匀,置于90℃中水浴5min,离心后收集上清液。取1mL上述上清液于50mL比色管中,加水至25mL处,加入5mL考马斯亮蓝G-250溶液,定容至50mL,于595nm处检测吸光度。
通过计算,地衣芽孢杆菌TD-4的添加可以将污泥稻壳粉混合堆肥中的蛋白质含量降低,在第21天时,堆肥中的蛋白质降解率为50.51%,如图6所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
序列表
<110> 河北科技大学
<120> 一种地衣芽孢杆菌TD-4及其生产蛋白酶的方法和应用
<160> 1
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 1445
<212> DNA
<213> 地衣芽孢杆菌TD-4(Bacillus licheniformis)
<400> 1
catggctcag gacgaacgct ggcggcgtgc ctaatacatg caagtcgagc ggaccgacgg 60
gagcttgctc ccttaggtca gcggcggacg ggtgagtaac acgtgggtaa cctgcctgta 120
agactgggat aactccggga aaccggggct aataccggat gcttgattga accgcatggt 180
tcaatcataa aaggtggctt ttagctacca cttacagatg gacccgcggc gcattagcta 240
gttggtgagg taacggctca ccaaggcgac gatgcgtagc cgacctgaga gggtgatcgg 300
ccacactggg actgagacac ggcccagact cctacgggag gcagcagtag ggaatcttcc 360
gcaatggacg aaagtctgac ggagcaacgc cgcgtgagtg atgaaggttt tcggatcgta 420
aaactctgtt gttagggaag aacaagtacc gttcgaatag ggcggcacct tgacggtacc 480
taaccagaaa gccacggcta actacgtgcc agcagccgcg gtaatacgta ggtggcaagc 540
gttgtccgga attattgggc gtaaagcgcg cgcaggcggt ttcttaagtc tgatgtgaaa 600
gcccccggct caaccgggga gggtcattgg aaactgggga acttgagtgc agaagaggag 660
agtggaattc cacgtgtagc ggtgaaatgc gtagagatgt ggaggaacac cagtggcgaa 720
ggcgactctc tggtctgtaa ctgacgctga ggcgcgaaag cgtggggagc gaacaggatt 780
agataccctg gtagtccacg ccgtaaacga tgagtgctaa gtgttagagg gtttccgccc 840
tttagtgctg cagcaaacgc attaagcact ccgcctgggg agtacggtcg caagactgaa 900
actcaaagga attgacgggg gcccgcacaa gcggtggagc atgtggttta attcgaagca 960
acgcgaagaa ccttaccagg tcttgacatc ctctgacaac cctagagata gggcttcccc 1020
ttcgggggca gagtgacagg tggtgcatgg ttgtcgtcag ctcgtgtcgt gagatgttgg 1080
gttaagtccc gcaacgagcg caacccttga tcttagttgc cagcattcag ttgggcactc 1140
taaggtgact gccggtgaca aaccggagga aggtggggat gacgtcaaat catcatgccc 1200
cttatgacct gggctacaca cgtgctacaa tgggcagaac aaagggcagc gaagccgcga 1260
ggctaagcca atcccacaaa tctgttctca gttcggatcg cagtctgcaa ctcgactgcg 1320
tgaagctgga atcgctagta atcgcggatc agcatgccgc ggtgaatacg ttcccgggcc 1380
ttgtacacac cgcccgtcac accacgagag tttgtaacac ccgaagtcgg tgaggtaacc 1440
ttttg 1445
Claims (6)
1.一种地衣芽孢杆菌TD-4,其分类名称为地衣芽孢杆菌TD-4(Bacillus licheniformis),于2021年12月21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,保藏编号为CGMCC NO.24154;保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号。
2.权利要求1所述地衣芽孢杆菌TD-4生产蛋白酶的方法,其特征在于:包括以下步骤,
步骤一:将所述地衣芽孢杆菌TD-4接种到pH 为7.0的LB培养基中进行培养,制成种子液;
步骤二:将生长至对数生长期的地衣芽孢杆菌TD-4种子液,按3%~5%的接种体积接种至发酵培养基中,在40℃~55℃、pH为6.5~8.0、转速为180r/min~220r/min的培养条件下培养48h~72h,得到含蛋白酶的发酵液。
3.根据权利要求2所述地衣芽孢杆菌TD-4生产蛋白酶的方法,其特征在于:所述步骤二中的优化培养条件为培养温度50℃、pH为7.0、转速200r/min。
4.根据权利要求2所述地衣芽孢杆菌TD-4生产蛋白酶的方法,其特征在于:每升所述发酵培养基中包括以下组分:葡萄糖2g,蛋白胨2g,碳酸钙2g,硫酸亚铁0.5g,硫酸铵1g,七水硫酸镁2g,磷酸氢二钾2g,七水磷酸二氢钾0.5g。
5.权利要求1所述地衣芽孢杆菌TD-4在降解蛋白质中的应用。
6.权利要求1所述地衣芽孢杆菌TD-4在污泥、稻壳和/或畜禽粪便堆肥中的应用。
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GR01 | Patent grant | ||
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