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1株木质素降解菌的筛选、鉴定及液态发酵条件优化

李雅琳 李素艳 孙向阳 郝丹 蔡琳琳 常晓彤

李文杰, 崔露露, 麻芸娇, 等. 4种柳树抗虫性和代谢组分析[J]. 浙江农林大学学报, 2022, 39(1): 153-158. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20210166
引用本文: 李雅琳, 李素艳, 孙向阳, 等. 1株木质素降解菌的筛选、鉴定及液态发酵条件优化[J]. 浙江农林大学学报, 2021, 38(6): 1297-1304. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20200814
LI Wenjie, CUI Lulu, MA Yunjiao, et al. Insect resistance and metabolome of four willow species[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2022, 39(1): 153-158. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20210166
Citation: LI Yalin, LI Suyan, SUN Xiangyang, et al. Screening and identification of a lignin degrading strain and its optimized liquid fermentation conditions[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2021, 38(6): 1297-1304. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20200814

1株木质素降解菌的筛选、鉴定及液态发酵条件优化

DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20200814
基金项目: 北京市自然科学基金资助项目(6202021)
详细信息
    作者简介: 李雅琳(ORCID: 0000-0002-5228-7926),从事农林废弃物处理与资源化利用研究。E-mail: 294792182@qq.com
    通信作者: 李素艳(ORCID: 0000-0002-4391-8263),教授,博士,从事农林废弃物处理与资源化利用研究。E-mail: lisuyan@bjfu.edu.cn
  • 中图分类号: S718.8

Screening and identification of a lignin degrading strain and its optimized liquid fermentation conditions

  • 摘要:   目的  制作应用于园林绿化废弃物的以木质素降解菌为原材料的高效液体菌剂。  方法  通过苯胺蓝平板褪色圈法和愈创木酚平板变色圈法从分离纯化得到的22株菌中筛选目标菌株,并用内转录间隔区(ITS)测序法对目标菌株进行鉴定,然后通过单因素试验对目标菌株的培养时间、接种量和培养基配方(碳源和氮源)进行优化,最后根据单因素试验结果,采用均匀实验结合人工神经网络算法寻找目标菌株的最佳发酵条件。  结果  根据平板褪色和显色结果,选定菌株Q01为目标菌株。经鉴定,菌株Q01为栓菌属Trametes真菌。根据单因素试验和均匀试验结果,确定菌株Q01的最优发酵条件为培养时间5 d,接种菌液体积分数为12.5%;培养基配方为木质素磺酸钠14.00 g·L−1、蛋白胨12.30 g·L−1、酵母粉5.00 g·L−1、豆饼粉3.00 g·L−1、五水合硫酸铜0.12 g·L−1、氯化钠0.53 g·L−1、pH自然。优化条件后菌株Q01的生物量提高1.27倍,锰过氧化物酶活性提高31.71倍,木质素过氧化物酶活性提高19.12倍,漆酶活性略有降低,但3种木质素酶的总酶活性提高了4.38倍。  结论  菌株Q01在优化后的发酵条件下制得的液体菌剂具有高酶活性和高生物量的特点,在降解园林绿化废弃物木质素方面具有一定应用潜力。图6表3参29
  • 杨柳科Salicaceae柳属Salix植物种类繁多,有450~520种;分布广泛,主要分布在北半球[1],在中国属于原生树种;适应性强,耐湿,抗旱,耐低温,抗风性好,又具有很高的观赏价值。柳蓝叶甲Plagiodera versicolora又名柳圆叶甲,属鞘翅目Coleoptera叶甲科Chrysomelidae,是柳树主要食叶害虫,易在柳树较多或集中的地方大量发生。目前柳蓝叶甲仍以化学防治为主,因此对环境污染较大[2]。如何安全有效地预防和控制柳蓝叶甲的危害成为亟待解决的问题。植物抗虫性是植物与昆虫共同进化过程中形成的遗传性状,具有专一性、累积性、持续性、与环境的协调性、与其他防治措施的兼容性等特点,提高植物抗性是害虫综合防治策略中的一项重要措施[3-5]。在促使植物具有抗虫性的诸多因素中,化学因素起着重要作用[6]。穆丹等[7]研究证明:植物的气味能够有效调节和诱导柳蓝叶甲的行为。MATSUDA等[8]研究发现:绿原酸对某些柳树甲虫具有拮抗作用。IKONEN等[9]研究表明:叶甲拒食的柳叶中有高含量的绿原酸和水杨酸。由于技术的限制,植物次生代谢物基因转录和调控机制仍然没有得到解决。代谢组学技术在理解代谢网络和转录基因功能方面起着关键作用[10-14]。随着质谱、核磁共振等相关技术的迅速发展,代谢组学与其他组学技术的结合成为代谢组学研究的热点[12-14]。本研究选取旱柳S. matsudana、 黄花柳S. caprea、 垂柳S. babylonica以及三蕊柳S. triandra的3个无性系进行抗虫性测定,根据结果将柳树分成抗虫组与非抗虫组,再通过代谢组学技术分析抗虫组与非抗虫组之间的差异次生代谢物,为选育抗虫性强的柳树品种提供依据。

    选取三蕊柳的3个无性系W10、W4、W21,对照包括旱柳K24,黄花柳HHL,垂柳BD3,共6个材料。

    1.2.1   抗虫性指标测定

    在养虫盒底部放入湿润的滤纸,在每个供试材料上摘取完整嫩叶,用浸湿的棉球包裹叶柄以防止叶片失水,把嫩叶放于湿润的滤纸上,接入相同龄期的30只柳蓝叶甲幼虫,每个材料均设3组重复,每组5片叶,7 d后观察幼虫存活数量并计算存活率。

    1.2.2   代谢组学分析

    植物代谢组学是一种高通量、无偏倚的综合分析[15]。将供试样品根据抗虫性指标测定的结果分为非抗虫组和抗虫组,采集新鲜叶片,液氮速冻用箔纸包好,−80 ℃冰箱保存备用。基于UPLC-Q-TOF-MS和GC-MS的代谢组学分析方法,对不同样品的代谢谱进行分析[16]。OPLS-DA是代谢组学数据分析中常用的分析方法,是PLS-DA的扩展[17],通过去除与分组无关的系统自身差异筛选代谢差异物,使分离达到最大化[18],再通过差异聚类热图分析[19]对样品和指标进行分类。

    使用Excel 2010对数据进行整理;使用SPSS 20.0对数据进行独立样本t检验以及相关性分析;使用Origin 8.0作图。用OPLS-DA、单维分析(t检验)和差异倍数筛选组间差异代谢物。筛选获得的差异代谢物用http://www.hmdb.ca/https://metlin.scripps.edu/数据库进行定性。

    图1可见:喂食黄花柳、旱柳、垂柳的幼虫平均存活率分别为90%、98%、93%,其中,喂食旱柳的幼虫存活率最高。喂食三蕊柳3个无性系的幼虫存活率均为0,在接虫后的第4天全部死亡。因此,把柳树分类非抗虫组(旱柳K24、黄花柳HHL和垂柳BD3)以及抗虫组(三蕊柳的3个无性系W10、W4和W21)。

    图 1  室内幼虫存活率
    Figure 1  Survival rate of indoor larvae

    由OPLS-DA得分图(图2)显示:不同抗性组合模型参数中R2X=0.615,说明该模型对自变量X的解释程度为61.5%;R2Y=0.997,表示对分类变量Y的解释程度为99.7%;Q2=0.844,表示该模型对样本变量的预测程度为84.4%,说明OPLS-DA模型稳定性良好且预测能力较强。OPLS-DA的得分图显示非抗虫组与抗虫组的数据点在OPLS1上完全区分,表明两者存在明显化学差异。

    图 2  非抗虫组与抗虫组OPLS-DA得分图
    Figure 2  OPLS-DA score chart of non-insect resistant group and insect resistant group

    图3可以看出:在指定阈值P<0.01时,共筛选出23种显著差异代谢物。结果显示:抗虫组与非抗虫组比较,其中上调的差异代谢物数目为15种,下调的代谢物数目为8种。

    图 3  差异代谢物火山图
    Figure 3  Volcano map of differential metabolites

    不同柳树样本中共检测到651个物质信号,经过标准样品数据库和参考文献比对,对有生物学重复的,采取将差异倍数,t检验的P值和OPLS-DA模型的变量投影重要度(VIP)相结合的方法来筛选差异代谢物,筛选的标准为差异倍数FC>1,t检验P<0.01和VIP>1。由表1可见:经筛选后,非抗虫组与抗虫组共筛选出23种主要的差异代谢产物。其中阿魏酰胍丁胺、抗坏血酸、没食子酸、绿茶儿茶酚、没食子儿茶素、杨梅苷、葡萄酸铜、D-(−)-阿拉伯糖、4-羟基-3-甲氧基肉桂酸乙酯、N-阿魏酰胍丁胺、葡糖酸、2′, 4′, 5, 7-四羟基异黄酮、N-乙酰-DL-色氨酸、异泽兰黄素-3-葡萄糖苷、十六聚甲烷基鞘氨醇等15种产物表现为上调,而槲皮素-3-O-(6″-O-乙酰基)-β-D-吡喃半乳糖苷、橙皮甙、芦丁、聚半乳糖醛酸、2, 5-二羟基苯甲酸、槲皮素O-乙酰己烯苷、3-羟基-5-甲基苯酚-1-氧化基-β-D-葡萄糖、槲皮素等8种产物表现为下调。并且其中异泽兰黄素-3-葡萄糖苷在非抗虫组中并未检测到,但其在抗虫组的含量较高。

    表 1  差异代谢物筛选
    Table 1  Differential metabolite screening
    化合物CAS编号非抗虫组
    代谢物丰度
    抗虫组
    代谢物丰度
    FCPVIP调节变化
    阿魏酰胍丁胺 N/A 360 000 1 923 333 5.343 0.001 1.708 上调
    抗坏血酸 50-81-7 4 197 336 37 266 667 8.879 0.004 1.647 上调
    槲皮素-3-O-(6″-O-乙酰基)-β-D-吡喃半乳糖苷 N/A 59 033 333 16 443 333 0.279 0.005 1.643 下调
    没食子酸 149-91-7 74 367 501 333 6.741 0.002 1.697 上调
    橙皮甙 520-26-3 20 766 667 1 596 673 0.077 0.001 1.695 下调
    绿茶儿茶酚 970-74-1 1 613 333 17 633 333 10.930 0.007 1.708 上调
    没食子儿茶素 4233-96-9 10 050 000 32 900 000 3.274 0 1.707 上调
    杨梅苷 17912-87-7 2 901 667 39 633 333 13.659 0 1.708 上调
    芦丁 153-18-4 48 933 333 6 833 339 0.140 0.010 1.618 下调
    葡萄酸铜 815-82-7 122 700 521 000 4.246 0.003 1.661 上调
    聚半乳糖醛酸 25990-10-7 58 167 30 233 0.520 0.009 1.608 下调
    D-(−)-阿拉伯糖 10323-20-3 674 333 1 220 000 1.809 0.010 1.603 上调
    4-羟基-3-甲氧基肉桂酸乙酯 N/A 70 100 221 667 3.162 0.008 1.594 上调
    N-阿魏酰胍丁胺 N/A 265 000 1 373 333 5.182 0 1.721 上调
    2, 5−二羟基苯甲酸 490-79-9 34 966 667 12 733 333 0.364 0 1.692 下调
    槲皮素O-乙酰己烯苷 N/A 53 433 333 10 726 667 0.201 0.005 1.627 下调
    葡糖酸 133-42-6 526 333 2 393 333 4.547 0.001 1.689 上调
    2′, 4′ , 5, 7-四羟基异黄酮 1156-78-1 2 000 003 12 063 333 6.032 0.009 1.594 上调
    3-羟基-5-甲基苯酚-1-氧化基-β-D-葡萄糖 N/A 2 373 333 158 433 0.067 0.002 1.682 下调
    槲皮素 20364-84-5 52 666 667 6 833 339 0.130 0.007 1.626 下调
    N-乙酰-DL-色氨酸 87-32-1 24 970 264 333 10.586 0.007 1.617 上调
    异泽兰黄素 3-葡萄糖苷 N/A 9 31 866 667 3 540 740.740 0.007 1.694 上调
    十六聚甲烷基鞘氨醇 N/A 4 260 000 6 223 333 1.461 0.009 1.675 上调
      说明:CAS编号是美国化学文摘服务社(chemical abstracts service, CAS)为化学物质编制的登记号;N/A表示该物质并未查询到
         CAS编号
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    筛选具有显著差异(P<0.05)的代谢物进行聚类热图分析,进一步挖掘特征,并对筛选后的差异代谢物归一化处理。由图4显示:抗虫组样本丰度明显区别于非抗虫组样本,抗虫组样本组内也有差异但不明显,非抗虫组中黄花柳的样本成分分布丰度与垂柳和旱柳存在差异。可以看出:能明显划分成4个区域冷暖色差分异,在非抗虫组丰度高而在抗虫组中丰度低的代谢物,为8种下调代谢产物;在抗虫组中丰度高而在非抗虫组中丰度低的代谢物为15种上调代谢物。

    图 4  差异代谢聚类热图
    Figure 4  Differential metabolism clustering heat map

    本研究对4种不同柳树无性系进行了室内饲虫,结果显示三蕊柳对柳蓝叶甲表现出了高抗性;通过应用代谢组学方法对非抗虫组与抗虫组的次生代谢产物进行测定,筛选并最终鉴定出23种主要的差异代谢产物。上调次生代谢物包括阿魏酰胍丁胺、抗坏血酸、没食子酸、绿茶儿茶酚、没食子儿茶素、杨梅苷、葡萄酸铜、D-(−)-阿拉伯糖、4-羟基-3-甲氧基肉桂酸乙酯、N-阿魏酰胍丁胺、葡糖酸、2′, 4′, 5, 7-四羟基异黄酮、N-乙酰-DL-色氨酸、异泽兰黄素-3-葡萄糖苷、十六聚甲烷基鞘氨醇等15种。下调次生代谢物包括槲皮素-3-O-(6″-O-乙酰基)-β-D-吡喃半乳糖苷、橙皮甙、芦丁、聚半乳糖醛酸、2, 5-二羟基苯甲酸、槲皮素O-乙酰己烯苷、3-羟基-5-甲基苯酚-1-氧化基-β-D-葡萄糖、槲皮素等8种。这些差异特定代谢物影响的机制尚待进一步研究。

    凌嘉昊[20]通过调查野外虫害等级和室内取食率来对比簸箕柳S. suchowensis和三蕊柳的抗虫性,发现三蕊柳表现出了高抗性,与本研究结果一致;该研究还发现三蕊柳的挥发物会使柳蓝叶甲产生趋避反应,并且鉴定分析显示22种挥发物组分在释放量方面有显著差异。而本研究发现:柳蓝叶甲的幼虫对三蕊柳存在取食行为,在接虫后的第4天全部死亡,表明三蕊柳除挥发物会对柳蓝叶甲产生趋避反应外,其次生代谢产物可能会对柳蓝叶甲幼虫产生毒害作用,或缺乏幼虫生长发育所必需的营养物质而导致其死亡。黄酮类物质是植物中一类重要的次生代谢物质,可以影响昆虫的行为和代谢,使之产生忌避、拒食等行为,破坏昆虫的正常代谢,严重时导致昆虫中毒甚至死亡,是对昆虫有毒的一类次生代谢产物[21]。生物碱是一大类含氮的碱性物质,对昆虫的防御作用主要表现在阻碍昆虫的取食以及引起昆虫中毒2个方面[22]。有研究表明:树木中的酚酸类物质含量越高,对天牛Cerambycidae的抗性就越强,但不同酚酸在不同无性系间的变化规律随其种类的不同而不同[23]。本研究可为培育抗虫性强、性状优良的柳树品种提供理论基础,三蕊柳的具体抗虫机制还有待进一步研究。

  • 图  1  菌株Q01在选择培养基中显色和褪色表现及显微镜观察

    Figure  1  Color development and fading performance of strain Q01 in selective medium and microscopic observation

    图  2  基于ITS 序列构建的菌株Q01系统发育树

    Figure  2  Phylogenetic tree of strain Q01 constructed based on ITS sequence

    图  3  培养时间对菌株产生木质素降解相关酶及生物量的影响

    Figure  3  Changes in culture time to the enzymes and biomass related to lignin degradation produced by the strain

    图  4  接种量对菌株产生木质素降解相关酶及生物量的影响

    Figure  4  Changes in the amount of inoculum to produce lignin degradation related enzymes and biomass

    图  5  碳源对菌株产生木质素降解相关酶及生物量的影响

    Figure  5  Effect of carbon source on lignin degradation related enzymes and biomass produced by the strain

    图  6  氮源对菌株产生木质素降解相关酶及生物量的影响

    Figure  6  Effect of nitrogen source on lignin degradation related enzymes produced by the strain and biomass

    表  1  不同菌株选择培养基的显色和褪色结果

    Table  1.   Coloring and decoloring results of different strains on selective mediums

    菌株
    苯胺蓝褪色结果愈创木酚显色结果
    12243648721224364872 h
    Q01+++++++++++++++++
    Q02++++
    Q06+
    Q09++
    Q11+++++++++
    Q12+++++++++
    Q14++++++
    Q17++++
    Q19++++
    Q22++++++
      说明:−表示不褪色(或不显色);+、+ +、+ + +、+ + + +表示     褪色(或显色)圈逐渐增大
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    表  2  均匀试验设计及结果

    Table  2.   Uniform test design and results

    试验号木质素
    磺酸钠/
    (g·L−1)
    蛋白胨/
    (g·L−1)
    酵母粉/
    (g·L−1)
    豆饼粉/
    (g·L−1)
    五水合
    硫酸铜/
    (g·L−1)
    氯化钠/
    (g·L−1)
    锰过氧化
    物酶活性/
    (×16.67 nkat·L−1)
    木质素过氧
    化物酶活性/
    (×16.67 nkat·L−1)
    漆酶活性/
    (×16.67 nkat·L−1)
    总酶活性/
    (×16.67 nkat·L−1)
    生物量/
    g
    实测值16.005.003.0011.000.201.504 296.201 520.43219.196 035.830.037
    仿真值16.005.003.0011.000.201.503 186.762 888.58218.406 293.730.037
    实测值28.0010.001.0011.000.251.254 200.353 790.22252.628 243.180.055
    仿真值28.0010.001.0011.000.251.254 190.013 799.79288.918 278.710.049
    实测值310.002.504.009.000.351.004 095.773 605.59318.608 019.960.048
    仿真值310.002.504.009.000.351.004 094.323 712.88282.198 089.380.048
    实测值412.007.501.009.000.150.754 601.215 278.06313.2910 192.560.014
    仿真值412.007.501.009.000.150.754 607.234 178.73318.249 104.200.024
    实测值514.0012.504.007.000.200.505 263.505 028.28399.4410 691.230.059
    仿真值514.0012.504.007.000.200.505 290.884 799.66366.2910 456.830.062
    实测值66.002.502.007.000.301.504 453.063 746.77178.828 378.660.123
    仿真值66.002.502.007.000.301.504 446.864 033.08306.978 786.910.092
    实测值78.007.505.005.000.351.253 999.914 387.53186.138 573.570.042
    仿真值78.007.505.005.000.351.254 018.983 644.46276.897 940.330.047
    实测值810.0012.502.005.000.151.003 215.624 322.37363.367 901.340.050
    仿真值810.0012.502.005.000.151.004 289.803 890.43295.938 476.160.050
    实测值912.005.005.003.000.250.755 411.653 822.80432.669 667.110.063
    仿真值912.005.005.003.000.250.755 287.094 905.21374.4610 566.760.063
    实测值1014.0010.003.003.000.300.505 120.374 356.31385.329 862.000.060
    仿真值1014.0010.003.003.000.300.505 241.274 754.60362.8110 358.680.061
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    表  3  人工神经网络寻优结果

    Table  3.   Optimization results of artificial neural network

    试验号木质素磺酸钠/
    (g·L−1)
    蛋白胨/
    (g·L−1)
    酵母粉/
    (g·L−1)
    豆饼粉/
    (g·L−1)
    五水合硫酸铜/
    (g·L−1)
    氯化钠/
    (g·L−1)
    锰过氧化物酶活性/
    (×16.67 nkat·L−1)
    木质素过氧化物酶活性/
    (×16.67 nkat·L−1)
    漆酶活性/
    (×16.67 nkat·L−1)
    总酶活性/
    (×16.67 nkat·L−1)
    生物量/
    g
    预测值14.0012.305.003.000.120.5311 727.398 795.36505.5621 028.310.093 7
    实测值14.0012.305.003.000.120.5311 328.738 514.41484.7320 327.870.090 0
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-01-07
  • 修回日期:  2021-07-09
  • 网络出版日期:  2021-12-08
  • 刊出日期:  2021-12-08

1株木质素降解菌的筛选、鉴定及液态发酵条件优化

doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20200814
    基金项目:  北京市自然科学基金资助项目(6202021)
    作者简介:

    李雅琳(ORCID: 0000-0002-5228-7926),从事农林废弃物处理与资源化利用研究。E-mail: 294792182@qq.com

    通信作者: 李素艳(ORCID: 0000-0002-4391-8263),教授,博士,从事农林废弃物处理与资源化利用研究。E-mail: lisuyan@bjfu.edu.cn
  • 中图分类号: S718.8

摘要:   目的  制作应用于园林绿化废弃物的以木质素降解菌为原材料的高效液体菌剂。  方法  通过苯胺蓝平板褪色圈法和愈创木酚平板变色圈法从分离纯化得到的22株菌中筛选目标菌株,并用内转录间隔区(ITS)测序法对目标菌株进行鉴定,然后通过单因素试验对目标菌株的培养时间、接种量和培养基配方(碳源和氮源)进行优化,最后根据单因素试验结果,采用均匀实验结合人工神经网络算法寻找目标菌株的最佳发酵条件。  结果  根据平板褪色和显色结果,选定菌株Q01为目标菌株。经鉴定,菌株Q01为栓菌属Trametes真菌。根据单因素试验和均匀试验结果,确定菌株Q01的最优发酵条件为培养时间5 d,接种菌液体积分数为12.5%;培养基配方为木质素磺酸钠14.00 g·L−1、蛋白胨12.30 g·L−1、酵母粉5.00 g·L−1、豆饼粉3.00 g·L−1、五水合硫酸铜0.12 g·L−1、氯化钠0.53 g·L−1、pH自然。优化条件后菌株Q01的生物量提高1.27倍,锰过氧化物酶活性提高31.71倍,木质素过氧化物酶活性提高19.12倍,漆酶活性略有降低,但3种木质素酶的总酶活性提高了4.38倍。  结论  菌株Q01在优化后的发酵条件下制得的液体菌剂具有高酶活性和高生物量的特点,在降解园林绿化废弃物木质素方面具有一定应用潜力。图6表3参29

English Abstract

李文杰, 崔露露, 麻芸娇, 等. 4种柳树抗虫性和代谢组分析[J]. 浙江农林大学学报, 2022, 39(1): 153-158. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20210166
引用本文: 李雅琳, 李素艳, 孙向阳, 等. 1株木质素降解菌的筛选、鉴定及液态发酵条件优化[J]. 浙江农林大学学报, 2021, 38(6): 1297-1304. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20200814
LI Wenjie, CUI Lulu, MA Yunjiao, et al. Insect resistance and metabolome of four willow species[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2022, 39(1): 153-158. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20210166
Citation: LI Yalin, LI Suyan, SUN Xiangyang, et al. Screening and identification of a lignin degrading strain and its optimized liquid fermentation conditions[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2021, 38(6): 1297-1304. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20200814
  • 园林绿化废弃物包括树木、花草等植物在生长过程中的自然凋落物或者人为修剪的植物残体[1],主要成分有木质素、纤维素和多糖等[2]。其中,木质素由于组分种类多样,结构复杂且无规则,降解比较困难[3-5]。堆肥是一种较好的降解园林绿化废弃物的方式[6],堆肥过程中多个微生物群体共同作用,分泌木质素降解相关酶系而使园林绿化废弃物中的木质素降解[7]。因此,通过研制微生物菌剂,使分泌木质素降解酶酶系的菌株迅速构建优势群落,能有针对性地加快园林绿化废弃物中木质素的降解,提高堆肥效率和质量[8-9]。但是,新菌剂的制备需要在选定目标菌株的条件下,对菌剂制作涉及的培养基配方和发酵条件进行优化。优化过程主要包括试验设计、数学建模和优化设计3个部分[10]。合理的试验设计能用较少的试验数据进行建模,从而获取各因素范围内的最优解。用于发酵条件优化的方法多为响应面法[11-12],但胡欣颖等[13]研究发现:人工神经网络算法比响应面法在预测实验结果方面更准确,误差更小。目前,运用人工神经网络算法对木质素降解菌发酵条件进行优化的研究鲜有报道。因此,本研究拟从北京市植物园的腐叶土和朽木中筛选木质素降解菌,对其进行鉴定,并通过单因素试验对菌株的培养时间、接种量和培养基配方(碳源和氮源)进行优化;采用均匀试验结合Python实现人工神经网络建模与优化,寻找菌株最佳发酵条件,为园林绿化废弃物中木质素的降解提供高效菌剂。

    • 腐叶土和朽木采集于北京市植物园。PDA培养基:称取200.00 g土豆,去皮去芽切成小块后加蒸馏水微沸30 min,保留滤液并用蒸馏水补足1 L,制成马铃薯浸汁;葡萄糖 20.00 g,蛋白胨15.00 g,琼脂 20.00 g,pH自然[14]。PDA-苯胺蓝培养基:称取0.10 g苯胺蓝溶于1 L PDA培养基中,pH自然。PDA-愈创木酚培养基:量取0.1 mL愈创木酚溶于1 L PDA培养基中,pH自然。PDB液体培养基:马铃薯浸汁(同PDA培养基),葡萄糖 20.00 g,蛋白胨15.00 g,pH自然。基本发酵培养基:葡萄糖10.00 g·L−1、蛋白胨5.00 g·L−1,酵母粉3.00 g·L−1、酒石酸铵10.00 g·L−1、五水合硫酸铜0.25 g·L−1、氯化钠1.00 g·L−1、pH自然[15]。所有培养基均121 ℃高压蒸汽灭菌 20 min。

    • 将采集的样品捣碎[16],称取10.00 g加入装有90 mL无菌水的三角瓶中,在28 ℃、200 r·min−1下震荡摇匀后静置1 h。取上清液1.0 mL稀释成不同质量浓度梯度(10−3~10−7 g·L−1)的溶液,取不同质量浓度稀释液0.1 mL,加入PDA培养基中涂布均匀,28 ℃下培养5~7 d,观察菌落形态,用平板划线分离法纯化菌株。将得到的纯菌株以点接法接到PDA-苯胺蓝平板和PDA-愈创木酚平板中,用苯胺蓝平板褪色圈法和愈创木酚平板变色圈法确定该菌株是否具有降解木质素的能力。

    • 观察PDA-苯胺蓝平板上菌体形态特征,并挑取少量菌丝于显微镜下拍照记录。菌株送往北京睿博兴科生物技术有限公司进行内转录间隔区(ITS)测序,测序结果与Genebank数据库中已知的真菌序列BLAST检索对比,采用 Mega 5.0 软件与相近种菌株构建系统发育树[17]

    • 将菌株接种至装有100.0 mL PDB液体培养基的三角瓶中,在IS-RDD3台式恒温振荡器中以30 ℃、200 r·min−1培养3 d,制得种子液。

    • 木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶活性的测定参照田林双[18]的方法。3种木质素降解相关酶酶活性总和标记为总酶活。生物量的测定用称干质量法[19]

    • 试验数据采用Excel 2007和SPSS 22.0进行处理。发酵条件优化用单因素方差分析法,平均值多重比较用LSD最小显著性差异法(P<0.05)。均匀试验利用人工神经网络[20]建模与优化(基于深度学习框架Pytorch[21])。将本实验目标建模为回归任务,并采用SmoothL1损失函数[22]以平滑训练过程。训练过程中,采用k-折交叉验证(k-fold cross-validation)和自适应矩估计(Adam)算法[23]优化神经网络。

    • PDA-苯胺蓝平板上褪色圈的出现表示该菌株具有分泌锰过氧化物酶和木质素过氧化物酶的能力,PDA-愈创木酚平板上显色圈的出现表示该菌株具有分泌漆酶的能力[24]。由表1可知:筛选得到的22株菌(分别命名为Q01~Q22)中,共有10株菌出现褪色圈或/和显色圈。其中:Q01、Q02、Q09和Q11既能出现褪色圈又能出现显色圈,说明这些菌株具备分泌3种木质素降解酶的能力。根据褪色圈和显色圈的出现时间及直径可知(表1),Q01于48 h时在PDA-苯胺蓝平板上出现褪色圈,12 h时在PDA-愈创木酚培养基上出现显色圈,在72 h时显色圈最大,因此,选定菌株Q01为目标菌株。

      表 1  不同菌株选择培养基的显色和褪色结果

      Table 1.  Coloring and decoloring results of different strains on selective mediums

      菌株
      苯胺蓝褪色结果愈创木酚显色结果
      12243648721224364872 h
      Q01+++++++++++++++++
      Q02++++
      Q06+
      Q09++
      Q11+++++++++
      Q12+++++++++
      Q14++++++
      Q17++++
      Q19++++
      Q22++++++
        说明:−表示不褪色(或不显色);+、+ +、+ + +、+ + + +表示     褪色(或显色)圈逐渐增大
    • 菌株Q01在PDA-苯胺蓝平板上的菌落形态为白色圆形,菌丝为致密的短绒状,向四周扩展,紧贴平板生长(图1A图1B);前期生长较慢,1~2 d有菌丝长出,此后生长较快,3~5 d铺满整个平板。显微形态可见,菌丝较细长,有分支(图1C),孢子呈球状或柱状(图1D),菌丝可观察到隔膜和锁状联合(图1E,如箭头所示)。

      图  1  菌株Q01在选择培养基中显色和褪色表现及显微镜观察

      Figure 1.  Color development and fading performance of strain Q01 in selective medium and microscopic observation

    • 构建菌株Q01系统发育树(图2)可知:菌株Q01与栓菌属Trametes真菌的同源性相似度最高,达到100%。结合形态特征可确定菌株Q01为栓菌属真菌。

      图  2  基于ITS 序列构建的菌株Q01系统发育树

      Figure 2.  Phylogenetic tree of strain Q01 constructed based on ITS sequence

    • 分别在12瓶100 mL基本发酵培养基中接种体积分数为12.5%的菌株Q01种子液,于30 ℃、200 r·min−1下培养,每24 h取出1瓶,测量菌株木质素降解相关酶活性和1 mL菌液中生物量的干质量。由图3可知:3种木质素降解相关酶的酶活性达到最高值时间不同,其中漆酶活性在培养5 d时达最高(3 835.25×16.67 nkat·L−1),锰过氧化物酶活性在培养2 d时达最高(1 690.60×16.67 nkat·L−1),木质素过氧化物酶活性在培养8 d时达到最高(1 096.88×16.67 nkat·L−1)。3种木质素降解相关酶在木质素降解中具有同样重要的作用[25],但不同木质素降解酶活性最高值时间不同,因此以3种木质素降解相关酶的总酶活性作为确定培养时间的依据。随着木质素降解,真菌生物量逐渐增多[26]图3可知:菌株Q01的总酶活性与生物量均在培养5 d时最高,因此选择培养时间为5 d进行后续研究。

      图  3  培养时间对菌株产生木质素降解相关酶及生物量的影响

      Figure 3.  Changes in culture time to the enzymes and biomass related to lignin degradation produced by the strain

    • 分别在100 mL 基本发酵培养基中接种体积分数为5.0%、7.5%、10.0%、12.5%和 15.0%的种子液,于30 ℃、200 r·min−1下培养5 d,测定菌株木质素降解相关酶活性和菌株生物量。由图4可知:总酶活性在菌液体积分数为12.5%时最高,达到5 129.80×16.67 nkat·L−1。随菌液体积分数增加,菌株生物量呈先上升后下降趋势,体积分数为12.5%时达到最高。与缪晓磊[19]对竹林毛栓菌Trametes sp. 接种量优化的结果一致。可见菌株的繁殖速度受接种量影响,当接种量较少时,菌株需要更多时间适应环境后繁殖生长;而接种量较多时,大量菌株接触新环境,迅速繁殖,使液体培养基黏稠不透气,溶解氧下降,影响菌株的后续生长[19]。因此,综合总酶活性和生物量的变化,选取体积分数12.5%为最适接种量。

      图  4  接种量对菌株产生木质素降解相关酶及生物量的影响

      Figure 4.  Changes in the amount of inoculum to produce lignin degradation related enzymes and biomass

    • 以基本发酵培养基为对照,分别用 10.00 g·L−1蔗糖、麦芽糖、木质素磺酸钠和可溶性淀粉替代对照中10.00 g·L−1的葡萄糖,接种体积分数为12.5%,于30 ℃、200 r·min−1下培养5 d。由图5可知:以葡萄糖为碳源时,菌株Q01漆酶活性达3 675.23×16.67 nkat·L−1,显著高于其他碳源(P<0.05);认为简单的糖有利于菌体生长[27],可以缩短漆酶的生产时间,与刘宇等[15]结果相似。但就总酶活性和生物量而言,以木质素磺酸钠为碳源对菌株Q01生长和木质素降解相关酶分泌效果最好,最显著(P<0.05),其中总酶活性为6 474.16×16.67 nkat·L−1,总生物量为0.065 g。可能原因是来源于木质素的木质素磺酸钠能刺激菌株Q01分泌木质素过氧化物酶和锰过氧化物酶,并促进细胞快速生长,使生物量最高,与熊乙[28]研究结果相似。综合考虑各碳源生产成本及对菌株Q01生长的促进效果,选择木质素磺酸钠为菌株Q01的液体培养基碳源。

      图  5  碳源对菌株产生木质素降解相关酶及生物量的影响

      Figure 5.  Effect of carbon source on lignin degradation related enzymes and biomass produced by the strain

    • 以基本发酵培养基为对照,有效含氮量按1.52 g·L−1进行换算,分别用7.00 g·L−1的豆饼粉、6.50 g·L−1尿素、14.30 g·L−1硫酸铵、11.00 g·L−1硝酸钾替代对照组中的酒石酸铵,发酵培养条件为30 ℃、200 r·min−1,培养5 d。由图6可知:以豆饼粉为有机氮源发酵时,菌株Q01总酶活性最高、生物量最大,与其他无机氮源差异显著(P<0.05)。豆饼粉营养丰富,含大量碳水化合物、蛋白质及少量异黄酮类物质和可溶性多糖,可作为发酵氮源及生长因子。有研究表明[29]:在培养某些真菌时,培养基中添加豆饼粉有利于生物量的积累。综合考虑各氮源生产成本及对菌株Q01生长的促进效果,选择豆饼粉作为菌株Q01的液体培养基氮源。

      图  6  氮源对菌株产生木质素降解相关酶及生物量的影响

      Figure 6.  Effect of nitrogen source on lignin degradation related enzymes produced by the strain and biomass

    • 均匀试验设计6因素5水平的10组试验,获取实测值,再通过基于SmoothL1损失函数的人工神经网络模型的训练及自适应矩估计(Adam)算法寻优,得到仿真值。对比实测值和仿真值(表2)可知:3种酶活性误差均小于10.0%,生物量的仿真值基本与观察值相同,可知该模型预测值可信赖。

      表 2  均匀试验设计及结果

      Table 2.  Uniform test design and results

      试验号木质素
      磺酸钠/
      (g·L−1)
      蛋白胨/
      (g·L−1)
      酵母粉/
      (g·L−1)
      豆饼粉/
      (g·L−1)
      五水合
      硫酸铜/
      (g·L−1)
      氯化钠/
      (g·L−1)
      锰过氧化
      物酶活性/
      (×16.67 nkat·L−1)
      木质素过氧
      化物酶活性/
      (×16.67 nkat·L−1)
      漆酶活性/
      (×16.67 nkat·L−1)
      总酶活性/
      (×16.67 nkat·L−1)
      生物量/
      g
      实测值16.005.003.0011.000.201.504 296.201 520.43219.196 035.830.037
      仿真值16.005.003.0011.000.201.503 186.762 888.58218.406 293.730.037
      实测值28.0010.001.0011.000.251.254 200.353 790.22252.628 243.180.055
      仿真值28.0010.001.0011.000.251.254 190.013 799.79288.918 278.710.049
      实测值310.002.504.009.000.351.004 095.773 605.59318.608 019.960.048
      仿真值310.002.504.009.000.351.004 094.323 712.88282.198 089.380.048
      实测值412.007.501.009.000.150.754 601.215 278.06313.2910 192.560.014
      仿真值412.007.501.009.000.150.754 607.234 178.73318.249 104.200.024
      实测值514.0012.504.007.000.200.505 263.505 028.28399.4410 691.230.059
      仿真值514.0012.504.007.000.200.505 290.884 799.66366.2910 456.830.062
      实测值66.002.502.007.000.301.504 453.063 746.77178.828 378.660.123
      仿真值66.002.502.007.000.301.504 446.864 033.08306.978 786.910.092
      实测值78.007.505.005.000.351.253 999.914 387.53186.138 573.570.042
      仿真值78.007.505.005.000.351.254 018.983 644.46276.897 940.330.047
      实测值810.0012.502.005.000.151.003 215.624 322.37363.367 901.340.050
      仿真值810.0012.502.005.000.151.004 289.803 890.43295.938 476.160.050
      实测值912.005.005.003.000.250.755 411.653 822.80432.669 667.110.063
      仿真值912.005.005.003.000.250.755 287.094 905.21374.4610 566.760.063
      实测值1014.0010.003.003.000.300.505 120.374 356.31385.329 862.000.060
      仿真值1014.0010.003.003.000.300.505 241.274 754.60362.8110 358.680.061
    • 根据模型预测得到最优发酵培养基组成并进行实验验证。由表3可知:优化后的发酵培养基酶活性和生物量,实测值与预测值误差约为3.0%;结合图3可知:优化前锰过氧化物酶活性为357.29×16.67 nkat·L−1、木质素过氧化物酶活性为445.27×16.67 nkat·L−1、总酶活性为4 637.81×16.67 nkat·L−1、生物量为0.071 g;即在优化培养基上生长的菌株Q01,其生物量比优化前提高1.27倍,锰过氧化物酶活性提高31.71倍,木质素过氧化物酶活性提高19.12倍,总木质素酶酶活性提高4.38倍。

      表 3  人工神经网络寻优结果

      Table 3.  Optimization results of artificial neural network

      试验号木质素磺酸钠/
      (g·L−1)
      蛋白胨/
      (g·L−1)
      酵母粉/
      (g·L−1)
      豆饼粉/
      (g·L−1)
      五水合硫酸铜/
      (g·L−1)
      氯化钠/
      (g·L−1)
      锰过氧化物酶活性/
      (×16.67 nkat·L−1)
      木质素过氧化物酶活性/
      (×16.67 nkat·L−1)
      漆酶活性/
      (×16.67 nkat·L−1)
      总酶活性/
      (×16.67 nkat·L−1)
      生物量/
      g
      预测值14.0012.305.003.000.120.5311 727.398 795.36505.5621 028.310.093 7
      实测值14.0012.305.003.000.120.5311 328.738 514.41484.7320 327.870.090 0
    • 通过苯胺蓝平板褪色圈法和愈创木酚平板变色圈法筛选出目标菌株Q01。经鉴定,菌株Q01为栓菌属Trametes真菌。实验证明人工神经网络模型预测结果可值得信赖。根据单因素试验和人工神经网络算法结果,确定菌株Q01的最优发酵条件:培养时间5 d,温度30 ℃,转速200 r·min−1,接种菌液体积分数为12.5%,培养基配方为木质素磺酸钠14.00 g·L−1、蛋白胨12.30 g·L−1、酵母粉5.00 g·L−1、豆饼粉3.00 g·L−1、五水合硫酸铜0.12 g·L−1、氯化钠0.53 g·L−1、pH自然。

      菌株Q01在优化后的发酵条件下制得的液体菌剂具有高酶活性和高生物量的特点,可促进园林绿化废弃物堆体初始微生物的数量增长,提高木质素降解相关酶的酶活性,加快木质素的降解。

参考文献 (29)

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