CN104560817A - 一株产植酸酶的嗜热地衣芽孢杆菌utm102 及其应用 - Google Patents

一株产植酸酶的嗜热地衣芽孢杆菌utm102 及其应用 Download PDF

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CN104560817A CN201410842678.4A CN201410842678A CN104560817A CN 104560817 A CN104560817 A CN 104560817A CN 201410842678 A CN201410842678 A CN 201410842678A CN 104560817 A CN104560817 A CN 104560817A
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Abstract

本发明提供了一株产植酸酶的嗜热地衣芽孢杆菌(Bacillus?licheniformis)UTM102菌株及其应用。该菌生物保藏编号为CGMCC?No.9508。UTM102菌株可在下水污泥、生活垃圾、动物尸体、畜禽粪便、农作物秸秆等有机固体废物中进行好氧堆肥发酵,能够适应高温的环境,并能在有机固体废弃物中大量增殖,堆体升温速度快、温度高,腐熟快,并能加速降解有机物,减量化、无害化更为彻底,可将有机固体废弃物转化成生物肥料,此肥料中含有的大量地衣芽孢杆菌可抑制植物病原菌,对植物生长能够起到促进作用,可以提高作物的产量。本发明菌株性能优良,经济效益显著。

Description

一株产植酸酶的嗜热地衣芽孢杆菌UTM102 及其应用
技术领域
本发明涉及发酵领域,具体地,涉及一种携带有植酸酶基因的嗜热地衣芽孢杆菌菌株UTM102及其降解有机固体废弃物以及制备生物肥料的用途。
背景技术
在城乡生活和生产的过程中会产生大量的有机固体废弃物。如在城镇生活污水处理过程中产生大量的污泥,其含大量有害病菌,加之有机物含量丰富,容易腐化发臭造成严重的二次污染。而农业畜牧业生产过程中的废弃物,如桔杆、畜禽粪便及动物尸体等已成为严重的污染源,在某些地区已成为第一污染源。
城乡有机固体废弃物主要的成分为木质纤维质物质。木质纤维素是由纤维素、半纤维素与木质素组成的晶体状结构,利用高温堆肥好氧发酵以降解木质纤维素是高效利用有机固体废弃物的有效方法。利用多种微生物的协同作用,使各种复杂的有机态养分,转化为可溶性、易吸收的养分和腐殖质。同时堆肥所产生的高温(80~100℃)杀灭物料中的病菌、虫卵。通过微生物发酵有机固体废弃物制备生物肥料在发展生态农业中具有重要地位,不仅解决了废弃物难以处理的问题,同时变害为宝。将具有植酸酶活性,并具有多种耐高温的生物质水解酶的地衣芽孢杆菌运用于有机固废物料的处理,并制备促生性功能生物肥料未见报导。
发明内容
本发明的目的在于提供一种产植酸酶的嗜热地衣芽孢杆菌UTM102菌株及其应用。
本发明从采自自然界温泉底泥,利用驯化培养基(葡萄糖10g、牛肉膏3g、酵母提取物5g、蛋白胨10g、氯化钠5g、蒸馏水1000ml)在40℃,经多代富集驯化,定向筛选后得UTM102菌株,它具有降解有机固体废弃物特性。该菌株已于2014年8月13日在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,邮编100101)保藏,分类命名为地衣芽孢杆菌Bacillus licheniformis,保藏号为CGMCC No.9508。
本发明提供的UTM102为革兰氏阳性、细胞0.8×(2.0~3.5)、直杆状、单生、产生近中生椭圆芽孢,孢囊膨大;在含葡萄糖蛋白胨的培养基上(葡萄糖10g、蛋白胨10g、酵母膏5g、氯化钠5g、琼脂15g、蒸馏水1000ml,pH7.0)菌落光滑正园、稍突、蛋壳黄色、生长迅速,30~40℃培养24小时后菌落直径约2~3mm,最适生长温度40~60℃。接触酶阳性、氧化酶阳性、VP实验阳性。
利用引物为(27f):5′-AGA GTT TGA TCC TGG CTC AG-3′和(1492r):5′-GGT TAC CTT GTT ACG ACT T-3′经PCR扩增该菌株的16S rRNA基因,测序后获得的序列见序列表SEQ ID No:1。将获得序列提交到EzTaxon数据库进行比对,结果显示UTM102菌株的该基因与Bacillus licheniformis的相似性最高,为99.3%,此序列是鉴定该菌株的主要特征依据。
利用通用引物UP-1S:5’-GAA GTC ATC ATG ACC GTT CTG CA-3’和UP-2Sr:5’-AGC AGG GTA CGG ATG TGC GAG CC-3’经PCR扩增该菌株的gyrB基因,测序后的基因序列见序列表SEQ ID No:2。获得的序列提交到NCBI GeneBank数据库运用Blast程序进行序列比对,结果显示UTM102菌株的gyrB基因序列与Bacillus licheniformis相似性最高,结合所述菌株的生理生化特性为鉴别该菌株的次要特征。确定该菌株为地衣芽孢杆菌Bacillus licheniformis。
本发明提供了一种地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)菌株UTM102,其保藏编号为CGMCC No.9508。
本发明提供的地衣芽孢杆菌UTM102具有β-葡聚糖内切酶、纤维二糖酶、木聚糖酶及植酸酶活性,其编码基因见序列表SEQ IDNo:3~SEQ ID No:6。
本发明提供了含有地衣芽孢杆菌UTM102的菌剂。
本发明提供了地衣芽孢杆菌UTM102或其菌剂在有机固体废弃物的生物降解过程中的应用。
本发明提供了一种制备含地衣芽孢杆菌UTM102的堆肥接种剂的方法,包括以下步骤:
(1)制备发酵液:将地衣芽孢杆菌菌株UTM102活化菌种接种于葡萄糖蛋白胨的液体培养基中,进行发酵生产;
(2)发酵液分装成为液体菌剂,经脱水干燥得到菌粉剂。
上述方法中,步骤(1)从4℃保存的本发明菌株UTM102斜面上取少量菌苔接种至装有40ml含葡萄糖蛋白胨的培养基(葡萄糖10g、蛋白胨10g、酵母膏5g、氯化钠5g、蒸馏水1000ml,pH7.0)的250ml三角瓶。培养温度35~40℃,摇床转速160-220转/分钟,培养1~2天,OD600大于1.8时停止培养,此为摇瓶种子液。
将摇瓶种子液接种至含葡萄糖蛋白胨的培养基(葡萄糖10g、蛋白胨10g、酵母膏5g、氯化钠5g、蒸馏水1000ml,pH7.0)的种子罐中进行培养。培养温度35~40℃,通气量为1:0.1~0.5(v/v),搅拌速度为100~400转/分钟,培养时间30~48小时。当OD600为大于1.8停止培养,此为种子罐种子液。
将种子罐种子液按0.1~5%接种量,接种含上述培养基的发酵罐中进行发酵培养。培养温度35~40℃,通气量为1:0.2~0.6(v/v),搅拌速度为60~200转/分钟,培养时间20~40小时。当OD600为大于1.8时停止培养,此为菌株的发酵液。
本发明提供了地衣芽孢杆菌菌株UTM102或含有其的菌剂在有机固体废弃物堆肥发酵中的应用。
所述有机固体废弃物为下水污泥、生活垃圾、作物秸秆、动物尸体或畜禽粪便中的一种或多种。
用地衣芽孢杆菌菌株UTM102或含有其的菌剂对有机固体废弃物进行堆肥的方法,包括以下步骤:
(1)将相当于总物料湿重0.1%~0.5%的UTM102或其菌剂接种于有机固体废弃物中,混合拌匀后进行好氧堆肥发酵;
(2)用水分调理剂将物料的水分调至含水率为45%~65%,此物料的碳氮比为10~60:1,堆体保持氧气含量约为8%~15%;
(3)堆体发酵12-20天,发酵终止;剩余物料或填埋或焚烧或过筛分装得到生物肥料。
上述堆肥方法中,步骤(2)的发酵进程中最高温达到103~105℃;步骤(3)经12-20天的好氧发酵物料水分降至30~35%,废弃物中的大部分有机物被分解,终止发酵。
本发明提供了地衣芽孢杆菌菌株UTM102或含有其的菌剂在制备有机肥料中的应用。
本发明提供了地衣芽孢杆菌菌株UTM102或含有其的菌剂在促进植物生长中的应用。
本发明从温泉底泥中分离到一株具有植酸酶、纤维二糖酶、β-葡聚糖内切酶、木聚糖酶等活性的菌株,为利用有机固体废弃物制备生物肥料提供了一种兼具农作物促生效果及降解有机固体废弃物使其减量化无害化特性的微生物。UTM102含有植酸酶,其分泌的植酸酶能够将植酸(盐)降解为肌醇和无机磷,同时释放出与植酸(盐)结合的其它物质参与到植物的能量代谢与物质代谢过程中,从而促进植物生长。UTM102菌株可在下水污泥、生活垃圾、动物尸体、畜禽粪便、农作物秸秆等有机固体废物中进行好氧堆肥发酵,在有机物料中形成稳定的菌落生态***,大量快速繁殖,有效地降解有机固体废弃物中的有机物,使其快速达到减量化、无害化;同时应用本发明所制备的微生物菌剂可将有机固体废弃物转化成生物肥料,此肥料中含有的大量地衣芽孢杆菌可抑制植物病原菌,对植物生长能够起到促进作用,可以提高作物的产量。
附图说明
图1为本发明菌株UTM102***进化树。
图2为本发明菌株UTM102的显微镜照片。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明,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,均属于本发明的范围。
若未特别指明,实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1地衣芽孢杆菌UTM102的分离与鉴定
采取1克温泉底泥样品置于装有多粒小玻璃珠及50ml无菌水的250ml三角瓶中,40℃恒温摇床上震荡1小时,静置30分钟。在无菌条件下吸取上清液1ml,接入装有50ml已灭菌的驯化培养基(葡萄糖10g、牛肉膏3g、酵母提取物5g、蛋白胨10g、氯化钠5g、1000ml蒸馏水)的250ml三角瓶中,40℃培养3天(转速160转/分钟)。用同样方法,再次吸取1ml富集液,传代培养3代。
取培养3代后的菌悬液1ml,加入到9ml无菌水中,按10倍稀释法配制成10-1,10-2,10-3,10-4,10-5,10-6,10-7的稀释度。每个稀释度各取0.1ml涂布于3个含有植酸钙的鉴定培养基的平板上。取0.1ml的无菌水按同法操作,作对照。40℃培养3天。选择菌落分散较好的平板,从上挑取降解圈大的单菌落。并在鉴定培养基上,反复划线分离纯化3次,接种在含葡萄糖蛋白胨琼脂的培养基上(葡萄糖10g、蛋白胨10g、酵母膏5g、氯化钠5g、琼脂15g、蒸馏水1000ml,pH7.0)斜面培养至丰厚,在4℃下保存,备用。
上述鉴定培养基的配方为:植酸钙0.1%~0.5%、葡萄糖3~5%、NH4NO3 0.5~0.8%、MnSO4·4H2O 0.002~0.005%、FeSO4·7H2O0.003~0.005%、MgSO4·7H2O 0.03~0.06%、KC1 0.03~0.07%、0.04%溴甲酚绿溶液1.5~2.0%(v/v)、琼脂1.5~2%,pH5.0~6.0。
以本发明菌株的DNA为模板,PCR扩增其16S rRNA基因序列,引物为(27f):5′-AGA GTT TGA TCC TGG CTC AG-3′和(1492r):5′-GGT TAC CTT GTT ACG ACT T-3′。PCR反应程序为:95℃预变性5分钟,95℃变性30秒,53℃退火45秒,72℃延伸90秒,30个循环,72℃延伸10分钟。扩增产物经电泳检测其纯度后测序,测序结果见序列表SEQ ID No:1所示。获得的16S rRNA基因序列通过EzTaxon数据库(http://www.ezbiocloud.net/)进行比对,与菌株Bacilluslicheniformis的相似性最高,同源性为99.3%。图1为基于UTM102菌株及其相近菌株16S rRNA基因序列,利用Mega5.0***进化软件构建的***进化树(最大似然法),说明其***进化关系与地衣芽孢杆菌最近。
利用通用引物UP-1S:5’-GAA GTC ATC ATG ACC GTT CTG CA-3’和UP-2Sr:5’-AGC AGG GTA CGG ATG TGC GAG CC-3’经PCR扩增该菌株的gyrB基因,测序结果见序列表SEQ ID No:2获得的序列提交到NCBI GeneBank数据库运用Blast程序进行序列比对,结果显示UTM102菌株的gyrB基因序列与Bacillus licheniformis相似性最高。
结合菌株形态特征(图2)和生理生化特征,把该菌株鉴定为Bacillus licheniformis,命名为UTM102,并于2014年8月13日在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(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,邮编100101)保藏,分类命名为地衣芽孢杆菌Bacillus licheniformis,保藏号为CGMCC No.9508。
实施例2菌株UTM102纤维素酶活性检测及其相关基因序列
将芽胞杆菌UTM102点种法点种在羧甲基纤维素钠培养基(羧甲基纤维素钠5g、KH2PO4 lg、琼脂17g、NaNO3 3g、KCL 0.5g、MgSO4 0.5g、FeSO4 0.01g、蒸馏水1000ml,pH 5.5~6.0)上,40℃培养48小时。采用0.2%刚果红染色30分钟,用蒸馏水洗去染液,再用浓度为1mol/L的NaC1浸泡1小时,最后用5%的醋酸液固定颜色。在菌落周围形成无色透明圈表明此菌分泌纤维素酶。纤维素酶为多酶混合物,其由纤维二糖酶、β-葡聚糖内切酶等组成。
根据β-葡聚糖内切酶基因设计引物betaglu-f:5’-CGA TGT TGTTCA TGC CGG CT-3’与betaglu-r:5’-TTG CCA GCG TGT GTG ACAGC-3’,以本发明菌株UTM102 DNA为模板进行PCR反应,PCR反应条件为95℃预变性5分钟,95℃变性30秒,55℃退火45秒,72℃延伸90秒,30个循环,72℃延伸10分钟,获得约2.0kb的片段,测序并将在NCBI GeneBank数据库运用Blast程序进行序列比对,该基因片段编码β-葡聚糖内切酶,其基因序列见序列表SEQ ID No:3。
根据纤维二糖酶基因设计的简并引物Cellobiase-f:5’-GAA GGCATT CCT TAT CAT TC-3’和Cellobiase-r:5’-ACG GTC ATA CTC AGCGTA AG-3’,并以本发明菌株UTM102 DNA为模板,进行PCR扩增反应,PCR反应程序为:95℃预变性5分钟,95℃变性30秒,53℃退火45秒,72℃延伸90秒,35个循环,72℃延伸10分钟,通过电泳检测得到约2kb大小的核苷酸片段,测序并将在NCBI GenBank数据库运用Blast程序进行序列比对,该序列片段编码纤维二糖酶基因,其基因序列见序列表SEQ ID No:4。
实施例3菌株UTM102木聚糖酶活性检测及其基因序列
准确称取榉木木聚糖(Sigma)(精确到0.001克),用50mmol/LNaAc-HAc(pH 5.0)缓冲液配成1%的榉木木聚糖溶液(最好现用现配,聚糖在酸性条件下易分解);另外取1ml UTM102培养物的上清液(发酵培养基:葡萄糖5g、蛋白胨15g、酵母膏5g、氯化钠5g、蒸馏水1000ml,pH7.0),用50mmol/L NaAc-HAc(pH 5.0)缓冲液配制成适当浓度的酶液,保证光吸收在0.2~0.6之间。然后取0.9ml 1%榉木木聚糖溶液,加入0.1ml UTM102所配制的酶液,于55℃水浴锅中保温30分钟后,加1ml蒸馏水及2ml DNS试剂。混匀后沸水浴5分钟,冷却至室温,加蒸馏水定容到25ml。混匀后用分光光度计在波长540nm处测定其OD值。同时用已灭活酶的上清液(100℃煮沸10分钟)所配制的酶液作空白对照。经测定UTM102菌株能够水解榉木木聚糖,说明其具有木聚糖酶的活性。
根据木聚糖酶基因设计的简并引物Xylanase-f:5’-GCG CTG ACCTAT AAC G-3’和Xylanase-r:5’-CGC TCA CAG TGG ATT C-3’,并以本发明菌株UTM102DNA为模板,进行PCR扩增反应,PCR反应程序为:95℃预变性5分钟,95℃变性30秒,56℃退火45秒,72℃延伸90秒,35个循环,72℃延伸10分钟,通过电泳检测得到约1.3kb大小的核苷酸片段,测序并将在NCBI GeneBank数据库运用Blast程序进行序列比对,获得该序列片段编码木聚糖酶基因,其基因序列见序列表SEQ ID No:5。
实施例4菌株UTM102植酸酶活性检测及其基因序列
将UTM102菌株划线接种于植酸钙培养基固体平板上,配方为:植酸钙0.5%、葡萄糖5%、NH4NO3 0.8%、MnSO4·4H2O 0.005%、FeSO4·7H2O 0.005%、MgSO4·7H2O 0.06%、KC1 0.07%、0.04%溴甲酚绿溶液2.0%(v/v)、琼脂1.5~2%,pH5.0~6.0。UTM102产生的植酸酶将植酸钙降解产生透明的水解圈。
根据植酸酶基因设计的简并引物Phytase-f:5’-CGC AGC ATCCTT ATG G-3’和Phytase-r:5’-TCT GAT TGG CTG GTT G-3’,并以本发明菌株UTM102DNA为模板,进行PCR扩增反应,PCR反应程序为:95℃预变性5分钟,95℃变性30秒,55℃退火45秒,72℃延伸90秒,30个循环,72℃延伸10分钟,通过电泳检测得到约1kb大小的核苷酸片段,测序并将在NCBI GenBank数据库运用Blast程序进行序列比对,获得该序列片段编码植酸酶基因,其基因序列见序列表SEQ ID No:6。
实施例5菌株UTM102液体菌剂及菌粉剂的制备
从4℃保存的本发明菌株UTM102斜面上取少量菌苔接种至装有40ml含葡萄糖蛋白胨的培养基(葡萄糖10g、蛋白胨10g、酵母膏5g、氯化钠5g、蒸馏水1000ml,pH7.0)的250ml三角瓶。培养温度37℃,摇床转速180转/分钟,培养2天,OD600大于1.8时停止培养,此为摇瓶种子液。
将摇瓶种子液接种至含葡萄糖蛋白胨的培养基(葡萄糖10g、蛋白胨10g、酵母膏5g、氯化钠5g、蒸馏水1000ml,pH7.0)的种子罐中进行培养。培养温度37℃,通气量为1:0.3(v/v),搅拌速度为200转/分钟,培养时间38小时。当OD600为大于1.8停止培养,此为种子罐种子液。
将种子罐种子液按0.1~5%接种量,接种含上述培养基的发酵罐中进行发酵培养。培养温度37℃,通气量为1:0.4(v/v),搅拌速度为100转/分钟,培养时间30小时。当OD600为大于1.8时停止培养,此为菌株的发酵液。
发酵液分装成为液体菌剂,发酵液经脱水干燥得到菌粉剂。
实施例6利用菌株UTM102制备的菌剂堆肥发酵处理生活污泥
按生活污泥∶水分调理剂(1∶0.8)配制物料(体量比),设不添加和添加1%实施例5制得的UTM102菌剂2个实验组。堆肥初始条件为水分63.1%,C/N值为35:1,采用好氧堆肥发酵方法。堆肥发酵时间为20天,期间每天在堆体不同点计录温度。堆肥在0天、5天、10天、15天以倒槽的方式翻堆并取样测定样品含水率。两者的温度和水分变化结果见表1。
表1 堆肥温度和水分变化情况
堆肥发酵15天时加菌液组水分已低于40%,已达到国家污泥填埋标准,而不加菌液组要20天才能达到填埋标准;前者减重约60%,后者减重约50%。
实施例7利用UTM102菌剂堆肥发酵制备生物肥料
以畜禽粪便及粉碎后的玉米秸秆为主要物料,400kg猪粪便与600kg玉米秸秆及1kg实施例5制得的UTM102菌剂粉剂混合拌匀,调节水分至含水率约为55%,置于发酵槽中进行好氧堆肥发酵。同时以不添加本发明菌剂的试验为对照。期间每隔3~5天以倒槽方式翻堆一次。当物料的水分含量低于30%,并堆体温度不再上升时终止发酵。此物料经过筛得生物肥料。对所制备的生物肥料的碳氮比及发芽指数分析见表2。
表2 接种UTM102菌剂对堆肥腐熟度的影响
以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)菌株UTM102,其保藏编号为CGMCC No.9508。
2.如权利要求1所述的地衣芽孢杆菌菌株UTM102,其特征在于,其能够产生β-葡聚糖内切酶、纤维二糖酶、木聚糖酶、植酸酶。
3.如权利要求2所述的地衣芽孢杆菌菌株UTM102,其特征在于,所述β-葡聚糖内切酶编码核苷酸序列含有SEQ ID NO:3所述的核苷酸序列或其互补核苷酸序列;纤维二糖酶编码核苷酸序列含有SEQ ID NO:4所述的核苷酸序列或其互补核苷酸序列;木聚糖酶编码核苷酸序列含有SEQ ID NO:5所述的核苷酸序列或其互补核苷酸序列;植酸酶编码核苷酸序列含有SEQ ID NO:6所述的核苷酸序列或其互补核苷酸序列。
4.含有权利要求1所述地衣芽孢杆菌菌株UTM102的菌剂。
5.一种制备含地衣芽孢杆菌UTM102的堆肥接种剂的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)制备发酵液:将地衣芽孢杆菌菌株UTM102活化菌种接种于葡萄糖蛋白胨的液体培养基中,进行发酵生产;
(2)发酵液分装成为液体菌剂或经脱水干燥得到粉剂。
6.权利要求1-3任一所述的地衣芽孢杆菌菌株UTM102或权利要求4所述的菌剂在有机固体废弃物堆肥发酵中的应用。
7.如权利要求6所述的应用,其特征在于,所述有机固体废弃物为下水污泥、生活垃圾、作物秸秆、动物尸体或畜禽粪便中的一种或多种。
8.如权利要求6所述的应用,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将相当于总物料湿重0.1%~0.5%的UTM102或其菌剂接种于有机固体废弃物中,混合拌匀后进行好氧堆肥发酵;
(2)用水分调理剂将物料的水分调至含水率为45%~65%,此物料的碳氮比为10~60:1,堆体保持氧气含量约为8%~15%;
(3)堆体发酵12-20天,发酵终止;剩余物料或填埋或焚烧或过筛分装得到生物肥料。
9.权利要求1-3任一所述的地衣芽孢杆菌菌株UTM102或权利要求4所述的菌剂在制备有机肥料中的应用。
10.权利要求1-3任一所述的地衣芽孢杆菌菌株UTM102或权利要求4所述的菌剂在促进植物生长中的应用。
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