赵起政,路宏科,彭 涛,马文锦,陈兴叶,殷 欣,张小燕,杨旭星,金 红
(甘肃省轻工研究院,甘肃 兰州 730000)
马铃薯淀粉废水高活性絮凝菌的分离鉴定
赵起政,路宏科,彭 涛*,马文锦,陈兴叶,殷 欣,张小燕,杨旭星,金 红
(甘肃省轻工研究院,甘肃 兰州 730000)
从马铃薯淀粉废水和黄河污水排放口附近的污泥中分离得到300株菌,对所分离的菌株进行分离纯化,初筛和复筛,得到6株絮凝活性在60%以上的细菌,对6株细菌进行形态特征分析,将复筛的6株细菌悬液按照等体积的比例进行复配,絮凝率最高的混合菌为N1和N2,达到96.41%,选取絮凝率80%以上的4组构建菌中的5株细菌,对其进行16S rDNA序列分析,鉴定结果为N1短杆菌属(Brevibacterium sp.)、N2短小芽孢杆菌(Bacillus pumilus)、N3希瓦氏菌属(Shewanella sp.)、N4赖氨酸芽孢杆茵(Lysinibacillus fusiformis)、N5解鸟氨酸拉乌尔菌(Raoultella ornithinolytica)。
马铃薯淀粉废水;絮凝菌;分离;鉴定
我国是马铃薯第一大生产国,也是第一大消费国。甘肃省是我国马铃薯主产区之一,马铃薯也是甘肃省第三大农作物[1]。随着马铃薯产量和种植技术的提高,马铃薯加工业也迅速崛起,目前马铃薯淀粉的加工成为我省马铃薯产业的主要支柱,也是全省的主导产业之一。
在马铃薯淀粉的生产过程中,平均6.5 t左右的马铃薯能够产出1 t淀粉并产生5 t左右的薯渣以及20 t左右的废水。该废水中主要含有淀粉、纤维、有机酸、蛋白质、糖类等高浓度有机物,如果直接将其排放进入水体,不仅会消耗水中的氧气,发生厌氧腐败,散发臭味,而且会使水生生物因缺氧而窒息死亡,给生态环境带来巨大的危害[2]。因此,研究出一种快速、高效、低能耗的马铃薯淀粉废水的处理方法则是当务之急。
近年来随着生物技术的发展,出现了一类絮凝剂——微生物絮凝剂(microbialflocculants,MBF)[3-4]。传统絮凝剂在使用中具有安全性不足、对环境造成二次污染等缺点,在许多领域已被禁止或限量使用。而微生物絮凝剂是一种新型、高效、廉价、无毒和无二次污染的水处理剂,它不仅能快速絮凝各种颗粒状物质,尤其在废水脱色、高浓度有机物去除等方面有独特效果[5-6]。有研究表明,多种微生物组成复合菌群后,通过共生、协同作用所产絮凝活性将会比单一菌株所产絮凝效果更好[7-11],且对环境变化的适应性也更强[12-13]。并且,产生菌的种类多、生长快,易实现工业化。
本研究目的是利用微生物发酵技术,通过分离纯化筛选出絮凝活性较高的微生物絮凝剂产生菌,从而为将来开辟薯类淀粉废水处理提供基础。同时,操作容易、耗能低、无毒、无二次污染,处理废水絮凝得到的蛋白物质还可以作为动物饲料进行综合利用,促进甘肃省马铃薯淀粉产业的可持续发展。
1.1 材料与试剂
1.1.1 菌株分离来源
由甘肃薯界淀粉集团有限公司提供马铃薯淀粉废水、黄河污水排放口附近的污泥。
1.1.2 培养基
牛肉膏蛋白胨培养基:牛肉膏3 g,蛋白胨10 g,NaCl 5 g,pH 7.0~7.2,水1 000 mL,121℃灭菌20 min。
麦芽汁液体培养基:称取100 g麦芽粉,加入400 mL水,0.5 g糖化酶,于35℃水浴锅中糖化0.5 h,然后升温至55℃糖化1 h、62℃糖化2.5 h、72~75℃糖化1 h后于121℃灭菌20 min,过滤后于冰箱中备用。
马铃薯葡萄糖培养基:称取200 g马铃薯,洗净去皮切碎,加水1 000 mL煮沸30 min,纱布过滤,再加20 g葡萄糖,充分溶解后趁热纱布过滤,121℃灭菌20 min,冷却后贮存备用。
1.1.3 试剂
牛肉浸膏:上海乳品厂;可溶性淀粉:什邡泰来化工有限公司。
1.2 仪器与设备
HZQ-F160恒温摇床:上海天呈科技有限公司;GSP-9050MBE隔水式恒温培养箱:上海博迅实业有限公司医疗设备厂;YXQ-LS100SII全自动数显式高压汽灭菌器:上海申安医疗器械厂;PHS3C型数显酸度计:上海仪电科学仪器股份有限公司;7200型分光光度计:上海合利仪器有限公司;UV756CRT紫外分光光度计:上海佑科仪器仪表有限公司;GL-21M冷冻高速离心机:上海沪粤明科学仪器有限公司;HH-4型电热恒温水浴锅:北京科伟永兴仪器有限公司;PB203-N型分析天平:德国Metler-Toledo公司;CN69M/JJ-4六联电动搅拌器:北京中西远大科技有限公司;BK3300电光数码显微镜:上海光学仪器厂。
1.3 试验方法
1.3.1 菌种的分离纯化
采样→富集培养→平板分离→初筛→复筛→菌种构建→菌种鉴定→菌种保藏
(1)样品的预处理及富集培养
将样品用搅拌器快速搅拌10 min,静置后用滤纸过滤,收集滤液。取一定量的收集滤液,分别接种到上述3种灭菌后的液体培养基内,在30℃、150 r/min的条件下振荡培养48 h[14]。
(2)平板分离纯化
将富集培养后的样品进行梯度稀释,分别涂布于相对应的3种培养基平板上,于28℃下培养72~96 h,之后挑取各培养基平板上的典型菌落,采用划线或是梯度稀释法纯化,得到不同的纯种菌株。
(3)初筛和复筛
将纯化的各菌株分别挑取一环,接种于50 mL相应的液体培养基中,于150 mL三角瓶,30℃150 r/min培养48 h,取1 mL发酵液、3 mL 1%CaCl2溶液、0.5 g高岭土,定容至100 mL,于300 r/min搅拌0.5 min,140 r/min搅拌5 min,以絮凝矾花出现的快慢和沉降速度来进行初筛;再测定初筛菌体的发酵液对高岭土悬浊液的絮凝率,以进行复筛,最终确定出絮凝活性较高的絮凝剂产生菌。
于蒸馏水中加入1 mL菌发酵液、3 mL 1%CaCl2溶液、0.5 g高岭土定容至100 mL,300 r/min搅拌0.5 min,140 r/min搅拌5 min,静置10 min,以不加絮凝剂的高岭土悬浊液为对照,注射器吸取上清液液面下1 cm处液体测其吸光度值OD550nm[15-16]。絮凝率表示投加絮凝剂前后水样中悬浮物去除率,其计算公式如下:
式中:A为对照品的吸光度值;B加入絮凝剂样品的吸光度值。
1.3.2 复合菌种的确定
选取絮凝活性在60%以上的6株细菌,于相应的液体培养基中培养24 h,取1 mL各菌悬液按等体积进行复配,于30℃、150 r/min液体发酵培养48 h,并测定复合菌体发酵液对高岭土悬浊液的絮凝率,选取最优组合[17]。
1.3.3 菌种初步鉴定与保藏
运用PCR-16S rDNA序列分析对最佳混合菌的各菌株进行分子学鉴定(上海生工生物工程公司完成测序工作)。
(1)鉴定方法
基因组DNA提取:按UNIQ-10柱式细菌基因组DNA抽提试剂盒操作提取。以提取的DNA为模板,采用通用引物序7F(5′-CAGAGTTTGATCCTGGCT-3′)和1540R(5′-AGGAGGTGATCCAGCCGCA-3′)扩增菌株的16SrDNA基因。
PCR反应体系:模板基因Template(基因组DNA 20~50 ng/μL)0.5μL、5×扩增缓冲液Buffer(with Mg2+)2.5μL、脱氧核苷三磷酸(deoxyribonucleoside triphosphate,dNTP)(各2.5 mmol/L)1μL、上游引物F(10μmol/L)0.5μL、下游引物R(10μmol/L)0.5μL,加双蒸水至25μL。
PCR循环条件:98℃预变性3 min,30个循环,98℃变性35 s,55℃退火25 s,72℃延伸1 min。最终72℃修复延伸10 min,冷却至4℃终止反应。
PCR扩增产物检测:取5μL PCR扩增产物,与一定比例的上样缓冲液混合后进行琼脂糖凝胶电泳(1%琼脂糖凝胶,100 mA 20 min电泳观察),电泳图结果PCR产物为1.5 kbp的电泳条带。
DNA测序:以7F为测序引物,采用测序试剂盒,在ABI 3730XI型全自动测序仪(Applied Biosystems)上测定菌株16S rDNA部分基因序列。获得菌株部分长度16S rDNA(约800~1 000 bp)序列,将该序列通过核糖数据库项目RDPⅡ(ribosomal database projectⅡ,RDPⅡ)进行对比分析(http://rdp.cme.msu.edu/index.jsp),获得11条相似性较高的序列。
(2)菌种保藏
将筛选得到的各菌株接种于培养基琼脂斜面,置于28℃恒温箱中培养72~96 h后于4℃冰箱中备用。
2.1 目标菌的分离纯化
2.1.1 一次平板分离
将样品液富集培养后,按照梯度稀释分别涂抹于各分离琼脂培养基平板,1、2、3分别为牛肉膏蛋白胨琼脂平板、麦芽汁琼脂平板和马铃薯葡萄糖琼脂(potato dextrose agar,PDA)平板,第一次分离部分结果见图1。
由图1可知,富集培养后的样品液在牛肉膏蛋白胨琼脂平板和麦芽汁琼脂平板上生长状况较好,菌落形态较为清晰,在马铃薯葡萄糖琼脂(PDA)平板上生长状况较差;同时,随着样品稀释梯度的增大,菌落数减少。
2.1.2 二次平板分离
选择第一次平板分离生长状况良好的菌株作为二次培养基平板分离的原菌株,第二次培养基平板划线或梯度稀释法分离部分结果见图2。
由图2可知,二次培养基平板划线或梯度稀释法培养的菌株生长状况良好,菌落形态清晰可见。
2.1.3 分离纯化
经过多次的培养和纯化,从马铃薯废水和污泥中共纯化分离出300株菌株,其中牛肉膏蛋白胨琼脂平板分离出223株,PDA分离出28株,麦芽汁琼脂平板分离出49株,纯化分离的部分结果见图3。
由图3可知,分离纯化所得菌株菌落除少数外,大多生长状况良好,菌落形态清晰,基本为圆形。
2.1.4 筛选结果
经过初筛和复筛,选出具有絮凝效果的菌株7株,且均由牛肉膏蛋白胨培养基分离筛选;选取絮凝率在60%以上的6株,筛选结果见表1,菌落形态见图4。
由表1可知,筛选的6株菌株絮凝率都较高,其中,N1菌株絮凝率最高,达到94.17%,N6次之,达到84.60%,N3絮凝率第三,达到81.56%,N4絮凝率在选取的6株菌株里絮凝率最低,为65.84%。
由图4可知,选取的6株菌株菌落形态均为圆形,其中:N1、N5、N6色泽为白色或暗白色,N2为浅黄色,N3为橙色,N4为灰色;N1菌落表面有褶皱,N2、N5菌落表面突起,N3、N4、N6菌落表面光滑;N1、N2、N5、N6边缘不整齐,N3、N4边缘整齐;N1菌落无光泽,其余5个菌株菌落有光泽。
2.2 菌种的构建
将复筛的6株细菌菌悬液按照等体积的比例进行复配,菌种构建结果如图5所示。
由图5可知,絮凝率最高的混合菌为N1和N2,达到96.41%,其余依次是N2和N3,N2和N5,N2和N4,絮凝率分别为87.68%、86.20%、80.90%;之后则依次分别为N2、N4和N6,N1、N2和N4,N1、N4和N6,N1和N4,N1、N4和N5,絮凝率分别为70.47%、54.96%、52.02%、49.74%、48.45%。
2.3 菌种鉴定
选取絮凝率80%以上的4组构建菌中的5株细菌,对其进行16S rDNA的PCR扩增,结果如图6所示。
由图6可知,构建的5株细菌均通过16S rDNA的PCR扩增电泳图谱,能得到重复性好,稳定、清晰的特异条带(图谱中最亮的片段即为片段标识),片段大小约1 500 bp。5株菌株的16S rDNA测序结果如下:
N1:
TTAATACATGCAGTCGAGCGAATCGATGGGAG CTTGCTCCCTGAGATTAGCGGCGGACGGGTGAGTA ACACGTGGGCAACCTGCCTATAAGACTGGGATAAC TTCGGGAAACCGGAGCTAATACCGGATACGTTCTTT TCTCGCATGAGAGAAGATGGAAAGACGGTTTACGC TGTCACTTATAGATGGGCCCGCGGCGCATTAGCTAG TTGGTGAGGTAATGGCTCACCAAGGCGACGATGCG TAGCCGACCTGAGAGGGTGATCGGCCACACTGGGA CTGAGACACGGCCCAGACTCCTACGGGAGGCAGCA GTAGGGAATCTTCCGCAATGGACGAAAGTCTGACG GAGCAACGCCGCGTGAACGAAGAAGGCCTTCGGGT CGTAAAGTTCTGTTGTTAGGGAAGAACAAGTACCA GAGTAACTGCTGGTACCTTGACGGTACCTAACCAGA AAGCCACGGCTAACTACGTGCCAGCAGCCGCGGTA ATACGTAGGTGGCAAGCGTTGTCCGGAATTATTGG GCGTAAAGCGCGCGCAGGTGGTTCCTTAAGTCTGAT GTGAAAGCCCACGGCTCAACCGTGGAGGGTCATTG GAAACTGGGGAACTTGAGTGCAGAAGAGGAAAGTG GAATTCCAAGTGTAGCGGTGAAATGCGTAGAGATT TGGAGGAACACCAGTGGCGAAGGCGACTTTCTGGT CTGTAACTGACACTGAGGCGCGAAAGCGTGGGGAG CAAACAGGATTAGATACCCTGGTAGTCCACGCCGT AAACGATGAGTGCTAAGTGTTAGAGGGTT
N2:
GCAAGTCGAGCGGACAGAAGGGAGCTTGCTCC CGGATGTTAGCGGCGGACGGGTGAGTAACACGTGG GTAACCTGCCTGTAAGACTGGGATAACTCCGGGAA ACCGGAGCTAATACCGGATAGTTCCTTGAACCGCA TGGTTCAAGGATGAAAGACGGTTTCGGCTGTCACTT ACAGATGGACCCGCGGCGCATTAGCTAGTTGGTGG GGTAATGGCTCACCAAGGCGACGATGCGTAGCCGA CCTGAGAGGGTGATCGGCCACACTGGGACTGAGAC ACGGCCCAGACTCCTACGGGAGGCAGCAGTAGGGA ATCTTCCGCAATGGACGAAAGTCTGACGGAGCAAC GCCGCGTGAGTGATGAAGGTTTTCGGATCGTAAAG CTCTGTTGTTAGGGAAGAACAAGTGCGAGAGTAAC TGCTCGCACCTTGACGGTACCTAACCAGAAAGCCAC GGCTAACTACGTGCCAGCAGCCGCGGTAATACGTA GGTGGCAAGCGTTGTCCGGAATTATTGGGCGTAAA GGGCTCGCAGGCGGTTTCTTAAGTCTGATGTGAAA GCCCCCGGCTCAACCGGGGAGGGTCATTGGAAACT GGGAAACTTGAGTGCAGAAGAGGAGAGTGGAATTCCACGTGTAGCGGTGAAATGCGTAGAGATGTGGAGG AACACCAGTGGCGAAGGCGACTCTCTGGTCTGTAA CTGACGCTGAGGAGCGAAAGCGTGGGGAGCGAAC AGGATTAGATACCCTGGTAGTCCACGCCGTAAACG ATGAGTGCTAAGTGTTAGGGGGTTTCCGCCCC
N3:
ATGCAGTCGAGCGGCAGCACAAGGGAGTTTAC TTATGAGGTGGCGAGCGGCGGCCGGGTGAGTAATG CCTAGGGATCTGCCCAGTCGAGGGGGATAACAGTT GGAAACGACTGCTAATACCGCATACGCCCTACGGG GGAAAGAGGGGGACCTTCGGGCCTCTCGCGATTGG ATGAACCTAGGTGGGATTAGCTAGTTGGTGAGGTA ATGGCTCACCAAGGCGACGATCCCTAGCTGTTCTGA GAGGATGATCAGCCACACTGGGACTGAGACACGGC CCAGACTCCTACGGGAGGCAGCAGTGGGGAATATT GCACAATGGGGGAAACCCTGATGCAGCCATGCCGC GTGTGTGAAGAAGGCCTTCGGGTTGTAAAGCACTTT CAGTAGGGAGGAAAGGGTGAGTCTTAATACGGCTC ATCTGTGACGTTACCTACAGAAGAAGGACCGGCTA ACTCCGTGCCAGCAGCCGCGGTAATACGGAGGGTC CGAGCGTTAATCGGAATTACTGGGCGTAAAGCGTG CGCAGGCGGTTTGTTAAGCGAGATGTGAAAGCCCT GGGCTCAACCTAGGAATAGCATTTCGAACTGGCGA ACTAGAGTCTTGTAGAGGGGGGTAGAATTCCAGGT GTAGCGGTGAAATGCGTAGAGATCTGGAGGAATAC CGGTGGCGAAGGCGGCCCCCTGGACAAAGACTGAC GCTCATGCACGAAAGCGTGGGGAGCAAACAGGATT AGATACCCTGGTAGTCCACGCCGTAAACGATGTCTA CTCGGAGTTTGGTGTCTTGAACACTGGGCT
N4:
CTAATACATGCAAGTCGAGCGAACAGAGAAGG AGCTTGCTCCTTCGACGTTAGCGGCGGACGGGTGAG TAACACGTGGGCAACCTACCTTATAGTTTGGGATAA CTCCGGGAAACCGGGGCTAATACCGAATAATCTGTT TCACCTCATGGTGAAACACTGAAAGACGGTTTCGGC TGTCGCTATAGGATGGGCCCGCGGCGCATTAGCTAG TTGGTGAGGTAACGGCTCACCAAGGCGACGATGCG TAGCCGACCTGAGAGGGTGATCGGCCACACTGGGA CTGAGACACGGCCCAGACTCCTACGGGAGGCAGCA GTAGGGAATCTTCCACAATGGGCGAAAGCCTGATG GAGCAACGCCGCGTGAGTGAAGAAGGATTTCGGTT CGTAAAACTCTGTTGTAAGGGAAGAACAAGTACAG TAGTAACTGGCTGTACCTTGACGGTACCTTATTAGA AAGCCACGGCTAACTACGTGCCAGCAGCCGCGGTA ATACGTAGGTGGCAAGCGTTGTCCGGAATTATTGG GCGTAAAGCGCGCGCAGGTGGTTTCTTAAGTCTGAT GTGAAAGCCCACGGCTCAACCGTGGAGGGTCATTG GAAACTGGGAGACTTGAGTGCAGAAGAGGATAGTG GAATTCCAAGTGTAGCGGTGAAATGCGTAGAGATT TGGAGGAACACCAGTGGCGAAGGCGACTATCTGGT CTGTAACTGACACTGAGGCGCGAAAGCGTGGGGAG CAAACAGGATTAGATACCCTGGTAGTCCACGCCGT AAACGATGAGTGCTAAGTGTTAGGGG
N5:
GTGAGTAATGTCTGGGAAACTGCCTGATGGAGG GGGATAACTACTGGAAACGGTAGCTAATACCGCAT AACGTCGCAAGACCAAAGTGGGGGACCTTCGGGCC TCATGCCATCAGATGTGCCCAGATGGGATTAGCTAG TAGGTGGGGTAATGGCTCACCTAGGCGACGATCCCT AGCTGGTCTGAGAGGATGACCAGCCACACTGGAAC TGAGACACGGTCCAGACTCCTACGGGAGGCAGCAG TGGGGAATATTGCACAATGGGCGCAAGCCTGATGC AGCCATGCCGCGTGTATGAAGAAGGCCTTCGGGTT GTAAAGTACTTTCAGCGAGGAGGAAGGCATTAAGG TTAATAACCTTAGTGATTGACGTTACTCGCAGAAGA AGCACCGGCTAACTCCGTGCCAGCAGCCGCGGTAA TACGGAGGGTGCAAGCGTTAATCGGAATTACTGGG CGTAAAGCGCACGCAGGCGGTCTGTTAAGTCAGAT GTGAAATCCCCGGGCTCAACCTGGGAACTGCATTTG AAACTGGCAGGCTTGAGTCTTGTAGAGGGGGGTAG AATTCCAGGTGTAGCGGTGAAATGCGTAGAGATCTG GAGGAATACCGGTGGCGAAGGCGGCCCCCTGGACA AAGACTGACGCTCAGGTGCGAAAGCGTGGGGAGCA AACAGGATTAGATACCCTGGTAGTCCACGCTGTAAA CGATGTCGACTTGGAGGTTGTTCCCTTGAGGAGTGG
将5株菌株的测序结果与核糖体数据库(ribosomal database project,RDP)进行对比,结果如表2所示。由表2可知,N1、N2、N3、N4和N5的16S rDNA序列分别与短杆菌属(Brevibacterium sp.)、短小芽孢杆菌(Bacillus pumilus)、希瓦氏菌属(Shewanella sp.)、赖氨酸芽孢杆茵(Lysinibacillus fusiformis)、解鸟氨酸拉乌尔菌(Raoultella ornithinolytica)最为相似,匹配度分别达到99.6%、100%、97.9%、100%、100%。
从马铃薯淀粉废水、污泥中共纯化分离出300株菌株,其中牛肉膏蛋白胨琼脂平板分离出223株,PDA分离出28株,麦芽汁琼脂平板分离出49株;经过初筛和复筛,选出具有絮凝效果的菌株7株,且均由牛肉膏蛋白胨培养基分离筛选,选取絮凝率>60%的6株,絮凝率最高达到94.17%。
将复筛的6株细菌进行复配,其中4组构建混合菌的絮凝率>80%,絮凝活性最高一组达96.41%;选取构成此4组混合菌的5株细菌,对其进行16S rDNA的初步菌种鉴定。鉴定结果为N1短杆菌属(Brevibacterium sp.)、N2短小芽孢杆菌(Bacillus pumilus)、N3希瓦氏菌属(Shewanella sp.)、N4赖氨酸芽孢杆茵(Lysinibacillus fusiformis)、N5解鸟氨酸拉乌尔菌(Raoultella ornithinolytica)。
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Isolation and identification of high-activity flocculation bacteria in potato starch wastewater
ZHAOQizheng,LU Hongke,PENG Tao*,MA Wenjin,CHEN Xingye,YINXin,ZHANGXiaoyan,YANG Xuxing,JIN Hong
(Gansu Research Institute of Light Industry,Lanzhou 730000,China)
Three hundred strains were isolated from potato starch wastewater and sludge in the discharge of nearby Yellow River sewage.The isolated strains were separated and purified,preliminary screened and secondary screened.6 strains were attained,and their flocculating activity was more than 60%.On the morphologicalcharacter analysis of the 6 strains,compound suspension ofrescreening 6 strains was mixed according to the same volume ratio.The flocculation rate of mixed strain N1 and N2 was the highest,reaching 96.41%.5 strains of flocculation rate of more than 80% from the 4 groups were selected to conduct16S rDNA sequence analysis.The identification results showed thatstrain N1,N2,N3,N4 and N5 were Brevibacterium sp.,Bacillus pumilus,Shewanella sp.,Lysinibacillus fusiformis and Raoultella ornithinolytica,respectively.
potato starch water;flocculation;isolation;identification
TS255.44
A
0254-5071(2015)02-0076-06
10.11882/j.issn.0254-5071.2015.02.018
2014-12-04
甘肃省应用技术研究与开发计划(1004TCYA018)
赵起政(1960-),男,高级工程师,本科,研究方向为工程技术。
*通讯作者:彭 涛(1970-),男,高级工程师,硕士,研究方向为食品工程。