大豆疫霉拮抗菌B048固體發酵培養基的篩選和發酵條件的優化

王子迎， 周 濤

（合肥師范學院 生命科學系，安徽 合肥230601）

1 引言

大豆疫霉（Phytophthora sojae）侵染大豆引起的疫霉根腐病是大豆生產上的毀滅性病害［1］，最早于1948年發生在美國，此后不斷蔓延，現已廣泛分布亞、非、歐、南北美洲的近二十個國家的大豆主要產區，每年給大豆生產帶來的直接經濟損失高達幾十億美元，成為大豆生產上最嚴重的病害［2，3］。該病菌于80年代后期首次在我國的東北地區發現，隨后該病在我國北方的大豆主產區逐步擴展，目前已經成為黑龍江省大豆生產上的頭號病害，每年造成巨大的經濟損失［4］。90年代后期，在我國的局部大豆產區，也發現了大豆疫霉的傳入，在條件適宜的年份，其造成的大豆產量損失高達50%以上［5－8］。

目前，大豆疫霉根腐病的防治方法主要是化學防治，其中使用最多的藥劑是甲霜靈（Metalaxy，商品名Ridomil）。甲霜靈為內吸性殺菌劑，生物活性強，且效期持久［9］。但由于甲霜靈對病菌的作用位點單一，病原菌容易對其產生抗性突變，因此，開發新的替代防治方法在控制大豆疫霉根腐病上尤顯重要［10］。在大豆疫霉根腐病的防治中，未見從土壤中篩選拮抗菌作為病害生防因子的報道。為可持續地控制大豆疫病，避免大豆疫病因單一的化學防治而過快地產生抗藥性，生物防治已成為大豆疫病防治的重要研究領域。

為此本實驗室從大豆疫霉生存的土壤中篩選具有高拮抗活性和易定殖的生物防治菌株，分離到一株拮抗效果好的細菌，命名為B048。為實現該生防菌株的產業化，本文對該菌株的固體發酵培養基的篩選和發酵條件進行了優化研究，以期為該菌株的工業生產并獲得高產抗菌物質提供參考依據。

2 材料和方法

2.1 材料

2.1.1 菌種

大豆疫霉生防菌B048菌是由本實驗室在試驗過程中分離并保存的一株對大豆疫霉有很好拮抗作用的菌株。

2.1.2 培養基

斜面種子培養基：肉湯固體培養基（蛋白胨10.0g／L、氯化鈉5.0g／L、葡萄糖5.0g／L、牛肉浸出粉3.0g／L，瓊脂粉：20.0g／L）。搖床種子培養基：肉湯液體培養基（蛋白胨10.0g／L、氯化鈉5.0 g／L、葡萄糖5.0g／L、牛肉浸出粉3.0g／L）。基礎發酵培養基：麩皮固體100%，料水比1：0.75，250 mL錐形瓶中裝料20g，自然pH。平板菌落計數培養基：肉湯固體培養基（蛋白胨10.0g／L、氯化鈉5.0g／L、葡萄糖5.0g／L、牛肉浸出粉3.0g／L）。

2.2 方法

2.2.1 液體菌種的制備

無菌條件下向100mL的液體肉湯培養基中接種一環B048菌菌種，36℃，180r／min，培養26h，作為液體菌種。

2.2.2 固體發酵培養

液體菌種以5%的接種量接入基礎發酵培養基中37℃修改后，稱量，稀釋，進行平板菌落計數測其在不同培養基中的生長狀況。

2.2.3 固體發酵培養基的優化篩選

（1）碳源對菌株發酵的影響：分別在基礎培養基中添加不同的碳源進行發酵試驗：100%麩皮作為對照組，100%麩皮＋2%葡萄糖，100%麩皮＋2%蔗糖，100%麩皮＋2%麥芽糖，90%麩皮＋10%可溶性淀粉，90%麩皮＋10%玉米面粉，以100%麩皮基礎培養基為對照，根據發酵后活菌數確定其最佳碳源。

（2）氮源對發酵菌株的影響：在已確定最佳碳源的培養基中，分別添加不同的氮源，100%麩皮作為對照組，90%麩皮＋10%豆粕，100%麩皮＋5%尿素，100%麩皮＋5%（NH4）2SO4，100%麩皮＋5%NH4Cl，100%麩皮＋5%蛋白胨，100%麩皮＋5%NH4NO3，以對照組為對照，根據發酵的活菌數確定其最佳氮源。

（3）無機鹽對發酵菌株的影響：在已確定最佳碳源，氮源的培養基里分別添加不同的無機鹽，添加量均為1%。90%麩皮＋10%豆粕為對照組，90%麩皮＋10%豆粕＋1%NaCl，90%麩皮＋10%豆粕＋1%Mg－SO4，90%麩皮＋10%豆粕＋1%CaCO3，90%麩皮＋10%豆粕＋1%KNO3，90%麩皮＋10%豆粕＋1%K2HPO3，根據發酵的活菌數確定其最佳無機鹽。

（4）培養基正交試驗：培養基篩選采用3因素3水平L9（33）正交試驗，共設9個處理，每個處理重復3次，各參數的水平值根據單因子實驗的結果。選擇碳源，氮源，無機鹽做正交實驗，測得各試驗的水平值，最后篩選出優化組合。

2.2.4 培養條件的篩選

（1）最佳培養時間的篩選：在已確定培養基配方的基礎上，在250mL的錐形瓶里分別加入18g麩皮，4g豆粕，0.2g氯化鈉，培養時間的梯度分別為：24h，38h，48h，60h，72h。每個處理重復3次。

（2）最適培養溫度的篩選：在已確定培養基配方和最佳培養時間的基礎上，在250mL的錐形瓶里分別加入18g麩皮，4g豆粕，0.2g氯化鈉，培養時間為48h，培養溫度分別設置為：24－26℃，31－33℃，35－38℃，39－41℃，43－45℃。每個處理重復3次。

（3）最佳初始含水量（初始含水量＝水的體積／培養基的克數）的篩選：在已確定培養基配方，最佳培養時間和最適培養溫度的基礎上，在250mL的錐形瓶里分別加入18g麩皮，4g豆粕，0.2g氯化鈉，培養時間為48h，溫度設置為37℃，初始含水量分別設置為50%，60%，65%，70%，80%。每個處理重復3次。

（4）最佳接種量（初始接種量＝液體種子液的體積／培養基的克數）的篩選：在已確定培養基配方，最佳培養時間，最適培養溫度和最佳初始含水量的基礎上，在250mL的錐形瓶里分別加入18g麩皮，4 g豆粕，0.2g氯化鈉，培養時間為48h，溫度設置為37℃，初始含水量設置為65%后，接種量的梯度分別設置為：1%，5%，10%，15%，20%，25%。每個處理重復3次。

3 結果與分析

3.1 碳源對發酵的影響

選擇5種碳源進行B048菌的發酵試驗，結果見圖1，與對照組菌數5.56×109cfu／g相比，添加葡萄糖、蔗糖和可溶性淀粉的培養基中菌數略有下降，添加麥芽糖的培養基中菌落數變化不大，其中菌數最高的是90%麩皮＋10%玉米面粉，其菌數可達19.6×109cfu／g，但添加玉米面粉的固體培養基通氣情況較差，不利于生產上的大規模培養，且成本會增加，因此，綜合成本因素及發酵效果，麩皮可以滿足B048菌對碳源生長的需要。

圖1 不同碳源對菌數的影響

3.2 氮源對菌株發酵的影響

選擇6種氮源進行B048菌的發酵試驗，結果見圖2，與對照組菌數5.56×109cfu／g相比，添加尿素，（NH4）2SO4，蛋白胨的培養基中細菌數略有下降，添加NH4Cl對細菌數影響不大，而加入豆粕，NH4NO3，的培養基中細菌數顯著增加，活菌數可分別達到達18.8×109cfu／g和15.4×109cfu／g，且豆粕為豆油加工的下腳料，成本低，故以豆粕為B048菌發酵的氮源。

圖2 不同氮源對菌數的影響

3.3 無機鹽對菌株發酵的影響

由圖3可以看出，90%麩皮＋10%豆粕＋1%NaCl的固體培養基對B048菌的生長最為有利，活菌數可達2.0×1010cfu／g，添加 MgSO4、CaCO3、KNO3、K2HPO3的培養基抑制B048菌的生長，而添加1%MgSO4的抑制作用最強，菌數僅為1.8×109cfu／g。因此選擇NaCl為最佳無機鹽。

圖3 不同無機鹽對菌數的影響

3.4 培養基配方的正交實驗

3.4.1 正交試驗設計

培養基篩選采用3因素3水平L9（33）正交試驗，共設9個處理，每個處理重復3次，各參數的水平值根據單因子實驗的結果。選擇碳源，氮源，無機鹽做正交實驗，在250mL的錐形瓶里試驗，具體水平值設置見表1。

表1 正交試驗因素水平表

3.4.2 正交實驗結果及極差分析

由表2的結果分析可知：麩皮是影響大豆疫霉生防菌B048菌生長最重要的因素，麩皮濃度的變化對菌數的影響最大，在250mL的錐形瓶里最適的麩皮裝瓶量為18g，氯化鈉對大豆疫霉生防菌B048菌生長的影響僅次于麩皮，在250mL的錐形瓶里最適的麩皮裝瓶量為0.2g，豆粕對大豆疫霉生防菌B048菌生長的影響最小，在250mL的錐形瓶里最適的豆粕裝瓶量4g。通過正交試驗的優化組合，得到大豆疫霉生防菌B048菌的最佳培養基配方為：麩皮為72g／L，豆粕為16g／L，氯化鈉為0.8 g／L。

表2 正交試驗結果和極差分析

3.5 最佳培養時間的確定

由圖4可以看出在24－38h內菌落數變化不大，到48h時活菌數達到最大值，之后活菌數開始下降因此最佳培養時間應該設置為48h。

圖4 不同培養時間對菌落數的影響

3.6 最適培養溫度的篩選

培養溫度對細菌的生長至關重要，溫度過高過低都不利于細菌的生長，由圖5可以看出大豆疫霉生防菌B048菌在35－37℃是生長的最好。故大豆疫霉生防菌B048菌的最適生長溫度應該在37℃左右。

圖5 不同培養溫度下菌落生長狀況

3.7 最佳初始含水量的篩選

固體發酵過程中，培養基中水分是重要的因素之一，適宜的初始含水量，有助于菌體吸收培養基中的營養物質和氧的傳遞，從而促進生長繁殖。含水量過高過低都不利于細菌的生長，由圖6可以看出在含水量為65%時大豆疫霉生防菌B048菌生長的最好。

圖6 不同的初始含水量對細菌生長的影響

3.8 最佳接種量的確定

接種量是與培養基的利用率直接相關的量。接種量太大菌種吸收不到足夠多的營養，菌數不高又造成浪費；接種量太小，對營養利用不充分且細菌發酵周期延長，增加染菌機率。由圖7可以看出接種量在20%時，大豆疫霉生防菌B048菌的生長狀況最好。

圖7 不同的接種量對細菌生長的影響

4 討論

在用生物防治控制大豆疫霉根腐病方面，從土壤中篩選拮抗菌作為病害生防因子的方法，是非常有潛力的，自然環境是個巨大的微生物菌種庫，而土壤則是微生物生活的大本營，是尋找和發現有重要應用潛力的拮抗菌種的主要來源。況福元等［11］從土壤中分離篩選獲得2株解淀粉芽抱桿菌（Bacillus amyloliquefaciens）對菜心炭疽病菌希金斯炭疽菌（Colletotrichum higginsianum）具有強烈抑制作用；麥明曉等［12］從土壤中篩選出一株對香蕉的尖孢鐮刀菌具有較強抑制作用的師崗鏈霉菌（Streptomyces morookaense）；本實驗室從大豆疫霉生存的土壤中篩選具有高拮抗活性和易定殖的生物防治菌株，分離到的一株拮抗效果相對最好細菌，命名為B048菌株。

通過單因子實驗和正交實驗，初步得到了在實驗室條件下的B048菌的固體發酵的培養基配方：麩皮為72g／L，豆粕為16g／L，氯化鈉為0.8g／L，篩選后的培養基可使菌落數提高6－7倍，其活菌數可達3.8×1010cfu／g。最適的培養條件為培養時間為48h，培養溫度為37℃，初始水量為65%，最佳接種量為20%時為該菌株的最佳培養條件。以期為該菌株的工業生產并獲得高產抗菌物質提供參考依據。

本試驗只是在實驗室條件下對發酵培養基的組成及其培養條件進行了優化，而拮抗菌制劑的生防作用的發揮與制備工藝、使用方法和菌劑使用時溫度、濕度、pH值等環境因素密切相關，所以，在拮抗菌制劑商業化過程中，一方面要繼續加大對拮抗菌活性物質發酵工藝、提取與純化方法等的研究，另一方面加大拮抗菌制劑發揮最佳作用條件的研究，今后尚需在發酵罐中和田間實驗里進行驗證，在實際生產中對發酵條件的控制方面也尚需進一步研究［13］；其次，本實驗中對最佳碳源、氮源、無機鹽離子和正交實驗法優化培養基配比研究，僅僅以固體發酵培養基中的活菌數含量作為指標，并沒有其他的與之相對應的篩選模型作為依據，例如，對峙法、牛津杯法、離體植物組織平皿法、活體植株篩選法等，因此，可能會對實驗結果造成一定的誤差，在以后的實驗中，可以設計類似的實驗方案［13］，如測定大豆疫霉拮抗細菌B048對大豆疫霉的抑菌圈大小，來進一步驗證實驗的準確性和完整性；最后，在今后的研究中，可以對該拮抗菌株B048的活性物質進行研究，利用活性物質分離純化技術，確定其活性物質的組成、性質和合成途徑，也可以進一步研究基因遺傳工程等手段，提高拮抗菌的活性及抑菌譜，這些可能為提高發酵培養基中活性成分含量的關鍵條件。

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