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《全国土壤污染状况调查公报》显示,中国耕地土壤污染点位超标率高达19.4%,重金属污染点位超标率为15.5%,其中镉的点位超标率为7.0%,居首位[1]。镉是一种毒性很强的人体非必需元素,极易被作物吸收进入食物链,从而危害人体健康[2]。如何阻遏环境中的镉进入食物链,已成为当前土壤及生态环境领域的研究热点之一[3]。目前,微生物修复技术成为镉污染治理的研究方向之一[4]。蒋成斌[5]筛选到2种耐镉细菌:腐败希瓦菌Shewanella putrefaciens和假单胞菌Pseudomonas sp.,在LB(Luria-Bertani)固体和液体培养上耐受重金属镉离子(Cd2+)浓度分别达到150和40 mmol·L−1。张欣等[6]在模拟镉轻度污染(1 mg·kg−1)试验中通过施入微生物菌剂(枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis、光合细菌和乳酸菌)后使菠菜Spinacia oleracea镉含量平均下降14.5%。王微等[7]和何小三等[8]利用硅藻土制备的铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa菌剂能够显著促进镉胁迫苗期水稻Oryza sativa的生长,抑制镉在根、茎鞘、叶片中的迁移与积累。汪敦飞等[9]研究指出:耐镉铜绿假单胞菌及其菌剂能显著提高镉胁迫水稻苗期的根系活力,增强水稻叶片抗氧化酶系统的活力,提高水稻叶片抗氧化物的含量,从而有效缓解水稻镉胁迫效应。假单胞菌为革兰氏阴性菌,环境适应能力强,世代周期短,具有根际促生能力,已被广泛用作生防菌[10-11]。本课题组前期从水稻根际土壤筛选了1株耐镉的假单胞菌TCd-1,能在高达900 mg·L−1 Cd2+下生长,在100 mg·L−1镉处理下,菌株体内吸收的镉质量分数为9.04 mg·g−1,镉富集系数达到90.4,具有较强镉富集能力,因此有应用于镉污染的修复潜力[12]。但该菌株的培养条件有待优化。响应面分析法是一种综合试验设计和数学建模的方法,既能有效减少试验次数又能考察各个因素之间的交互作用[13-14],在优化试验设计中,被人们广泛使用[15]。胡瑞萍等[16]利用响应面法优化了枯草芽孢杆菌 Bacillus subtilis NHS1菌株培养基组分,使芽孢含量比优化前提高1.5倍。印杨等[17]利用响应面法优化了生防菌株(巨大芽孢杆菌Megaterium bacillus RB10)的发酵培养条件参数,证实了Box-Behnken设计的有效性和模型的准确可靠[17]。袁辉林[18]以植物促生菌SZ7-1为研究对象,在5 L自动发酵罐中采用单因素试验设计及响应曲面法进行扩大培养,结果表明:优化后的培养条件更利于菌株的生长,且活菌数是优化前的1.62倍。刘江红等[19]通过响应面法优化了芽孢杆菌Bacillus S2的培养条件,使最优乳化指数(E24)提高为81.20%。巩志金等[20]利用响应面法优化了铜绿假单胞菌产鼠李糖脂的发酵培养基,结果使其产量提高了14.43%。本研究基于响应面法通过单因素筛选试验、Plackett-Burman试验、Box-Behnken 试验和响应面分析法,对TCd-1菌株培养条件进行优化,以期为菌株潜在价值的开发利用和菌剂制备提供技术支持。
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供试菌株为耐镉的假单胞菌Pseudomonas sp. TCd-1(专利号CN 103952333A)[21],甘油保存于−80 ℃冰箱。菌株活化时取出塑料冻存管,立即置于30~40 ℃恒温水浴锅中匀速摇动进行快速复苏,待冻存管内结冰全部溶解后,开启冻存管,将内容物转移至种子液培养基内培养。
种子液培养条件:采用牛肉膏蛋白胨培养基(牛肉膏3.0 g,蛋白胨10.0 g,氯化钠 5.0 g,琼脂 15.0~20.0 g,1.0 L蒸馏水,pH 7.2~7.4)。菌株长出后选取直径约为3 mm的菌落进行平板划线法过夜培养,再从2次培养的固体培养基上挑取1环菌落至100 mL的三角瓶,150 r·min−1,37 ℃,恒温培养18 h,制成菌株种子液。发酵培养条件:牛肉膏蛋白胨液体培养基100 mL,质量分数为0.5%氯化钠,1.0%种子液,150 r·min−1,37 ℃恒温培养24 h。
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在发酵培养条件下,选择不同氮源:N1为酵母粉,N2为硫酸铵[(NH4)2SO4],N3为硝酸铵(NH4NO3),N4为蛋白胨,N5为硝酸钾(KNO3),N6为氯化铵(NH4Cl),N7为硝酸纳(NaNO3),设置质量分数为0.5%、1.0%、1.5% 3个水平;不同碳源:C1为牛肉膏,C2为可溶性淀粉,C3为葡萄糖,C4为蔗糖,设置质量分数为0.1%、0.3%、0.5% 3个水平;不同无机盐:W1为氯化钙(CaCl2),W2为氯化镁(MgCl2),W3为氯化钠(NaCl),W4为氯化钾(KCl),W5为磷酸氢二钠(Na2HPO4),W6为硫酸钠(Na2SO4),W7为磷酸二氢钠(NaH2PO4),设置质量分数为0.2%、0.5%、0.8% 3个水平。以菌株最大吸收波长660 nm下的吸光度D(660)作为评价指标,筛选最适的碳源、氮源、无机盐及其质量分数。
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根据单因素试验得到的最适碳源(牛肉膏)、氮源(酵母粉)、无机盐(MgCl2),进行Plackett-Burman试验。试验设计如表1。试验次数 n=12,各因素水平设置为高低2个水平,高水平(1)取值为低水平(−1)的1.25倍,其中 D、H、K为空白试验,用于误差估计。考察牛肉膏(A)、酵母粉(B)、MgCl2(C)、培养温度(E)、初始pH(F)、接菌量(G)、培养时间(I)和转速(J) 8个因素对菌株生长的影响,确定影响菌株生长的关键因素。
因素 水平 因素 水平 因素 水平 −1 1 −1 1 −1 1 A 牛肉膏/% 4.0 5.0 E 温度/% 30.0 37.50 I 培养时间/h 20 24 B 酵母粉/% 0.8 1.0 F 初始pH 6.0 7.50 J 转速/(r·min−1) 160 200 C MgCl2/% 4.0 5.0 G 接菌量/% 1.0 1.250 K 空白3 D 空白1 H 空白2 Table 1. Factors and levels of Plackett-Burman design
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根据Plackett-Burman试验筛选得到的显著影响菌株生长的关键因素(酵母粉、温度、初始pH),确定最陡爬坡试验的步长和方向,获得最佳的响应区域。
以最陡爬坡试验得到最佳响应区域(2号试验)作为Box-Behnken试验设计的中心点,各因素取3个水平,以(−1,0,1)表示,设计包括了5个中心点(0,0,0),即酵母粉0.9%、温度35 ℃、pH 7,共17个组合的响应面试验。各处理3次重复。
试验
号B 酵
母粉/%E 温
度/℃F 初
始pH编码 吸光度 1 0.8 40 8.0 (−1,1,1) 1.079±0.058 c 2 0.9 35 7.0 (0,0,0) 1.720±0.006 a 3 1.0 30 6.0 (1,−1,−1) 1.681±0.015 b 说明:不同小写字母表示差异显著(P<0.05) Table 4. Factors and levels of steepest ascent design
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根据Box-Behnken试验结果,进行方差分析,并拟合线性回归方程,检验拟合防方程的符合程度;利用拟合方程获得最佳培养条件,并在最佳培养条件下进行验证试验。
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数据处理和作图使用Excel 2016进行,统计分析使用Design Experts 10和IBM SPSS 22。试验结果以平均值±标准差表示,采用Duncan法进行数据差异显著性检验(P=0.05)。
1.1. 菌种及其活化培养
1.2. 试验设计
1.2.1. 单因素试验
1.2.2. Plackett-Burman试验
1.2.3. 最陡爬坡及Box-Behnken试验
1.2.4. 响应面分析
1.3. 数据处理
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结果表明:碳源种类及其质量分数显著影响菌株的生长(图1A),菌液吸光度随牛肉膏、可溶性淀粉质量分数的提高而增大,而葡萄糖和蔗糖质量分数对菌液吸光度的影响较小。各处理中以0.5%牛肉膏培养的吸光度(1.257)最高,显著高于其他各处理(P<0.05),比可溶性淀粉的最大值高10.8%,比葡萄糖和蔗糖的最大值分别提高了17.7%和23.6% (图1A)。不同氮源及其质量分数显著(P<0.05)影响菌株的生长(图1B),有机氮源(酵母粉、蛋白胨)更利于菌株生长,各处理中以1.0%酵母粉处理的吸光度(1.266)最高,比1.0%蛋白胨高14.2%,比硫酸铵、硝酸铵、硝酸钾、氯化铵和硝酸钠处理的最大吸光度分别高出62.7%、79.8%、76.8%、52.7%、87.0%。不同无机盐显著(P<0.05)影响菌株的生长(图1C)。培养基含0.5%镁离子时的菌液吸光度(1.197)最高,而钙离子最不利于菌株生长;培养基含0.5%的氯化钠、氯化钾、磷酸氢二钠、硫酸钠、磷酸二氢钠与含0.8%的氯化镁、氯化钾、磷酸二氢钠间无显著性差异。可见,选择0.5%牛肉膏、1.0%酵母粉及0.5% MgCl2作为基础培养基是最合适的。
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Plackett-Burman试验结果显示:菌株生长在不同处理间存在显著差异(表2),以8号、9号、10号吸光度高,且之间无显著性差异。9号吸光度 (1.802)最高,比最低5号(0.981)的值高83.7%。
试验号 A 牛肉膏 B 酵母粉 C 氯化镁 D 空白1 E 温度 F pH G 接菌量 H 空白2 I 时间 J 转速 K 空白3 吸光度 1 1 1 −1 1 1 1 −1 −1 −1 1 −1 1.235±0.078 f 2 −1 1 1 −1 1 1 1 −1 1 −1 −1 1.358±0.030 e 3 1 −1 1 1 −1 1 1 1 −1 −1 −1 1.563±0.058 b 4 −1 1 −1 1 1 −1 1 1 −1 −1 1 1.397±0.021 de 5 −1 −1 1 −1 1 1 −1 1 −1 1 1 0.981±0.042 h 6 −1 −1 −1 1 −1 1 1 −1 1 1 1 1.440±0.028 cd 7 1 −1 −1 −1 1 −1 1 1 1 1 −1 1.121±0.026 g 8 1 1 −1 −1 −1 1 −1 1 1 −1 1 1.756±0.010 a 9 1 1 1 −1 −1 −1 1 −1 −1 1 1 1.802±0.003 a 10 −1 1 1 1 −1 −1 −1 1 1 1 −1 1.783±0.012 a 11 1 −1 1 1 1 −1 −1 −1 1 −1 1 1.195±0.096 fg 12 −1 −1 −1 −1 −1 −1 −1 −1 −1 −1 −1 1.492±0.041 bc 说明:不同小写字母表示差异显著(P<0.05) Table 2. Results of Plackett-Burman design
进一步的因子分析(表3)结果表明:在设定的试验条件下,显著影响菌株生长的因子为酵母粉(B)、温度(E)和pH (F),显著性程度从大到小依次为温度、酵母粉、pH。确定这3个因素为影响菌株生长的关键因素,进行最陡爬坡试验。
来源 均方和 自由度 均方 F P 显著性 效应系数 显著性排序 效应正负 模型 0.780 00 8 0.098 00 70.01 0.002 5 ** 1.430 A 牛肉膏 0.004 07 1 0.004 07 2.91 0.186 5 0.018 7 + B 酵母粉 0.200 00 1 0.200 00 141.15 0.001 3 ** 0.130 2 + C 氯化镁 0.004 84 1 0.004 84 3.46 0.159 8 0.020 5 + E 温度 0.540 00 1 0.540 00 387.22 0.000 3 ** −0.210 1 − F pH 0.017 00 1 0.017 00 12.45 0.038 7 * −0.038 3 − G 接菌量 0.004 76 1 0.004 76 3.40 0.162 2 −0.020 6 + I 时间 0.000 03 1 0.000 03 0.022 0.892 7 0.002 8 + J 转速 0.013 00 1 0.013 00 9.49 0.054 1 −0.033 4 − 说明:*表示差异显著(P<0.05),**表示差异极显著(P<0.01) Table 3. Results of Plackett-Burman design
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参照表3因子的正负效应可知:因素B、因素E、因素F各具有不同正、负效应系数,即酵母粉(B)具有正效应(+),依次增大;温度(E)具有负效应(−),依次减小;pH (F)具有负效应(−),依次减小。
最陡爬坡试验结果(表4)显示:随着酵母粉质量分数逐渐增大,温度和pH逐渐减小,菌株吸光度呈现先升高后下降的变化趋势。2号的吸光度达到最高水平(1.720),比1号和3号分别高出2.3%和59.4%,以此确定为因子的最大相应值响应区域,即酵母粉质量分数为0.9%,温度为35 ℃,pH 7的组合可作为Box-Behnken试验设计的中心点(0,0,0)。
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Box-Behnken试验结果表明:不同试验组合间存在显著差异(表5)。14 号吸光度(1.785)最高,比2号(0.922)高93.6%,即14号(0,0,0):酵母粉质量分数为0.9%,温度为35 ℃,pH 7条件下的吸光度高于2号(0,1,1):酵母粉质量分数为0.8%,温度为40 ℃,pH=7条件下的吸光度。
试验序号 B 酵母粉/% E 温度/℃ F 初始pH 吸光度 试验序号 B 酵母粉/% E 温度/℃ F 初始pH 吸光度 1 0 0 0 1.505±0.007 g 10 1 −1 0 1.770±0.023 ab 2 0 1 1 0.922±0.014 j 11 −1 0 −1 1.634±0.021 f 3 1 0 1 1.655±0.035 ef 12 1 0 −1 1.670±0.007 ef 4 −1 −1 0 1.056±0.027 h 13 0 0 0 1.749±0.024 ef 5 0 0 0 1.661±0.018 ef 14 0 0 0 1.785±0.007 a 6 0 −1 −1 0.941±0.042 ig 15 −1 1 0 1.754±0.010 abc 7 −1 0 1 1.524±0.013 g 16 0 0 0 1.733±0.003 bc 8 0 1 −1 0.967±0.060 i 17 0 −1 1 1.727±0.009 cd 9 1 1 0 1.690±0.010 de 说明:不同小写字母表示差异显著(P<0.05) Table 5. Results of Box-Behnken design
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回归模型的方差分析结果表明:模型多元相关性系数为0.9958 (表6),表明仅有0.042 0%的变异不能由此模型解释;回归模型P<0.01,表明模型是极显著的。模型失拟项的显著性水平P=0.146>0.05,表明模型失拟不显著。方差分析结果显示,Box-Behnken设计的模型显著性水平P<0.000 1,表明所采用的拟合模型达到极显著水平,具有统计学意义。由表6可知,3个因素的影响程度从大到小次序为温度(E)、酵母粉(B)、pH(F);B、E、F、E2 对响应值Y(吸光度)的影响达到极显著水平,EF显著影响Y值。此外,回归方程的相关系数R2=0.9958,变异系数为2.08%,说明该回归方程拟合度高,变异几率低,适用于该菌株试验条件下各影响因素的统计分析。该响应面拟合方程为:Y=1.750 0+0.050 0B−0.307 0E−0.033 3F−4.000 0E−0.030 0BE−0.011 0BF−0.040 7EF−0.023 6B2−0.441 0E2−0.034 9F2。依据单因素和Plackett-Burman试验的结果选择设定的酵母粉(B)、温度(E)和pH(F)的取值范围,利用响应面拟合方程得到3个关键因素的拟合值:酵母粉为1.0%,pH为6.3,温度为33 ℃。该拟合值条件下模型的预测吸光度最大,为1.856。
来源 均方和 自由度 均方 F 显著性 来源 均方和 自由度 均方 F 显著性 模型 1.638 00 9 0.182 00 182.747 ** B2 0.002 36 1 0.002 36 2.371 B 0.020 00 1 0.020 00 20.091 ** E2 0.820 50 1 0.820 00 824.161 ** E 0.756 00 1 0.756 00 759.257 ** F2 0.005 14 1 0.005 14 5.159 F 0.008 90 1 0.008 91 8.951 ** 残差 0.006 97 7 0.001 00 BE 0. 000 06 1 0.000 06 0.064 失拟项 0.004 91 3 0.001 64 3.179 不显著 BF 0.000 48 1 0.000 48 0.486 纯误差 0.002 06 4 0.000 52 EF 0.006 64 1 0.006 64 6.672 * 总和 1.644 00 16 说明:变异系数为2.08%,相关系数为0.995 8,校正决定系数为0.9903,预测系数为0.950 3。*表示显著差异(P<0.05),**表示极显 著差异(P<0.01) Table 6. Variance analysis of regression model of Box-Behnken test
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综合单因素筛选试验、Plackett-Burman及 Box-Behnken试验模型的拟合值,得到菌株最佳培养条件为:牛肉膏质量分数为0.5%,酵母粉1.0%,氯化镁 0.5%,pH 6.3,温度33 ℃,接菌量1.25%,转速160 r·min−1,培养时间24 h。利用最佳培养条件,进行重复试验验证,得到菌液的吸光度为1.801±0.015,与模型预测的最大值(1.856)相接近,接近程度97.03%,表明模型准确可信,能真实评价各因素及其交互作用对菌株生长的不同影响。同时,与未优化前培养条件下菌株吸光度(1.078±0.021)相比,优化后该值提高了67.07%,达到预期目的。