浮游球衣菌S9產鐵氧化酶發酵條件優化及酶學特性研究

鄭 虹，張曉榕，吳曉梅，鄧加聰*

（1.福建師范大學福清分校海洋與生化工程學院，福建 福清 350300；2.近海流域環境測控治理福建省高校重點實驗室，福建 福清 350300）

鐵錳氧化鞘細菌是一類具有氧化鐵、錳能力的革蘭氏陰性菌，是活性污泥中的主要菌群[1]。除了可用于生產生物可降解材料——聚-β-羥丁酸（poly-β-hydroxybutyrate，PHB）外，在貴重金屬和有毒金屬的富集及生物監測和環境評價[2-6]等方面都有廣闊的應用前景。

鐵氧化酶和錳氧化酶是鐵錳氧化鞘細菌在污水治理中的重要酶類[7-8]，它們能夠降解污水中的有機物質和一些毒性物質；將可溶性的Fe2+、Mn2+氧化成Fe（OH）3和MnO2等不溶態的鐵錳化合物，之后經沉淀過濾，除去水中的鐵和錳，從而改善水體[9]。該方法簡便、有效、經濟，且不需投加藥物，避免造成二次污染。

由于鞘細菌鐵氧化酶產率較低，且活性不穩定，對鐵氧化酶的分離純化具有一定的難度，因此國內外對菌株所產鐵氧化酶[10-11]的研究較少，很多學者主要集中在對菌株的篩選鑒定[12-13]、菌株在環境治理方面[3，6，14]的應用。汪令翔等[12]從活性污泥中篩選到一株產鐵氧化酶菌株，對該菌株進行菌落形態、鏡檢、生理生化及16S rDNA基因的遺傳分析，并對該菌株的最適溫度、pH及金屬離子進行研究。研究結果表明，將該菌株命名為假單胞菌GS8，該菌株的最適溫度和pH范圍分別為30℃和6.5～7.5，K+與Mg2+對鐵氧化酶活性有一定的激活作用，Pb2+與Ag+對鐵氧化酶活性有一定的抑制作用，而以Zn2+對鐵氧化酶的抑制作用表現最強。本研究前期篩選到一株具有鐵氧化酶活性的菌株——浮游球衣菌S9[15]，通過改良后的鄰菲羅啉法[16-17]對菌株的產酶發酵條件及酶學特性進行研究，旨在為浮游球衣菌S9鐵氧化酶的生產與應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 材料

浮游球衣菌（Sphaerotilus natans）S9：福建師范大學福清分校海洋與生化工程學院微生物實驗室。

1.1.2 化學試劑

硫酸鎂、磷酸氫二鉀、尿素、葡萄糖、硫酸銨、硝酸鈉、檸檬酸鐵銨、鄰菲羅啉、蛋白胨、酵母膏、甘油（均為分析純）：國藥集團化學試劑有限公司。

1.1.3 培養基

CGY培養基斜面培養基：蛋白胨5 g/L，酵母膏1 g/L，甘油10 g/L，瓊脂20 g/L，pH 7.0。

尿素培養基：尿素0.5 g/L，葡萄糖 1 g/L，MgSO·47H2O 0.05 g/L，K2HPO40.1 g/L，自然pH。

基礎發酵培養基：（NH4）2SO40.5 g/L，NaNO30.5 g/L，K2HPO40.5 g/L，MgSO·47H2O 0.5 g/L，CaCl·26H2O 0.1 g/L，檸檬酸鐵銨10 g/L，pH 7.0。

以上培養基在121℃條件下濕熱滅菌20 min。

1.2 儀器與設備

LDZX-40B1型立式自動電熱壓力蒸汽滅菌器：上海申安醫療器械廠；BS224S電子天平：賽多利斯儀器系統有限公司；FA2204B型電子分析天平：上海越平科學儀器有限公司；H1850R臺式高速冷凍離心機：上海湘儀離心機有限公司；THZ-25大容量恒溫振蕩器：太倉市華美生化儀器廠；SPX-15OB-Z型生化培養箱：上海博訊實業有限公司醫療設備廠；WFJ-7200型分光光度計：尤尼柯（上海）儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 對菌株S9產鐵氧化酶影響的單因素試驗

（1）碳源種類：按3%的接種量將種子液接種于添加不同碳源（葡萄糖、蔗糖、甘油、可溶性淀粉、檸檬酸鈉）的發酵培養基，這些碳源代替基礎發酵培養基中的檸檬酸鐵銨，每種碳源的添加量為1%，30℃、150 r/min振蕩培養72 h，測定發酵液的鐵氧化酶活性。

（2）檸檬酸鐵銨添加量：按3%的接種量將種子液接種于添加不同濃度（0.2%、0.6%、1.0%、1.4%、1.8%）檸檬酸鐵銨的發酵培養基，30℃、150 r/min振蕩培養72 h，測定發酵液的鐵氧化酶活性。

（3）氮源種類：按3%的接種量將種子液接種于添加不同氮源（硝酸鈉、氯化銨、硫酸銨、尿素）的發酵培養基，這些氮源代替基礎發酵培養基中的硝酸鈉和硫酸銨，每種氮源的添加量為0.1%，30℃、150 r/min振蕩培養72 h，測定發酵液的鐵氧化酶活性。

（4）氯化銨添加量：按3%的接種量將種子液接種于不同氯化銨添加量（0.050%、0.075%、0.100%、0.125%、0.150%）的發酵培養基，30℃、150 r/min振蕩培養72 h，測定發酵液的鐵氧化酶活性。

（5）初始pH：按3%的接種量將種子液接種于不同初始pH（6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5）的發酵培養基，30 ℃、150 r/min振蕩培養72 h，測定發酵液的鐵氧化酶活性。

（6）培養時間：按3%的接種量將種子液接種于發酵培養基，30℃、150 r/min振蕩培養24 h后，每隔12 h取樣測定發酵液的鐵氧化酶活性，取樣時間為24 h、36 h、48 h、56 h、64 h、72 h、84 h、96 h。

（7）裝液量：按3%的接種量將種子液接種于不同裝液量（25mL/250mL、50mL/250mL、75mL/250mL、100mL/250mL、125mL/250mL）的發酵培養基，30℃、150r/min振蕩培養84h，測定發酵液的鐵氧化酶活性。

（8）培養溫度：按3%的接種量將種子液接種于發酵培養基，不同溫度（26℃、28℃、30℃、32℃、34℃）、150 r/min條件下振蕩培養84 h，測定發酵液的鐵氧化酶活性。

1.3.2 對菌株S9產鐵氧化酶影響的正交試驗

根據單因素試驗結果，以檸檬酸鐵銨、氯化銨、初始pH、培養時間、裝液量及培養溫度作為考察因素，鐵氧化酶活性作為考察指標，選用L18（36）正交表，進行產酶條件優化正交設計試驗，因素與水平見表1。

表1 產酶條件優化正交試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of orthogonal experiments for enzyme-producing conditions optimization

1.3.3 鐵氧化酶活性的酶學特性研究

發酵液4℃、8 000 r/min離心10 min，除去沉淀，上清液備用。

（1）溫度對酶活性的影響：取5mL上清液于不同溫度（20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃）條件下保溫30 min，測定樣品的鐵氧化酶酶活。

（2）pH對酶活性的影響：取5 mL上清液用0.5 mol/L的氫氧化鈉和0.5 mol/L的鹽酸將其pH分別調至（6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5），室溫下放置30min，測定樣品的鐵氧化酶酶活。

（3）金屬離子對酶活性的影響：5 mL上清液中分別添加不同金屬（MnCl2、NaCl、MgCl2、ZnCl2、KCl、PbNO3、CuCl2、AgNO3），使離子的終濃度達到5 mmol/L。30 min后測定樣品的鐵氧化酶酶活。

1.3.4 鐵氧化酶活力的測定方法[16-17]

鐵氧化酶活力的大小以該酶對二價鐵離子的氧化率來表示，氧化率越高表明酶的活性越高。具體操作方法如下：

將發酵液于4℃、8 000 r/min離心5 min，其上清液為粗酶液。按順序加入以下試液于試管中：1mL質量濃度為4.0g/L的FeSO4，1 mL 0.02 mol/L pH 6.5磷酸緩沖液，8 mL粗酶液。搖勻后放入30℃水浴鍋中保溫30 min。然后將反應液移入100 mL容量瓶中，再加10 mL 0.02 mol/L pH 5.0醋酸鈉緩沖液，搖勻后加10 mL 0.1%鄰啡啰啉溶液，靜置10 min后于8 000 r/min、4℃離心 5 min，以水為參比，測OD510nm值。鐵氧化率計算公式如下：

2 結果與分析

2.1 發酵產酶條件研究

2.1.1 不同碳源對菌株S9產鐵氧化酶的影響

圖1 不同的碳源對菌株S9產鐵氧化酶的影響Fig.1 Effect of different carbon sources on ferroxidase produced by strain S9

由圖1可知，菌株S9可利用一些簡單的化合物，如醇、糖類物質等，不同碳源對菌株S9鐵氧化酶具有一定的影響，添加有檸檬酸鐵銨＞可溶性淀粉＞甘油＞蔗糖＞檸檬酸鈉＞葡萄糖，當檸檬酸鐵銨為碳源時，該菌株的鐵氧化率可達53.92%?？赡芤驗闄幟仕徼F銨中含有一定的鐵離子，對于鞘細菌的生長具有促進的作用。因此，選擇檸檬酸鐵銨作為最佳碳源。

2.1.2 檸檬酸鐵銨添加量對菌株S9產鐵氧化酶的影響

由圖2可知，檸檬酸鐵銨的添加量對菌株鐵氧化酶的影響較大，菌株鐵氧化酶隨檸檬酸鐵銨添加量的增加呈先增后減的趨勢。當檸檬酸鐵銨添加量＜1.0%時，鐵氧化率和相對酶活隨著檸檬酸鐵銨的增加而增強；當檸檬酸鐵銨添加量為1.0%時，菌株的鐵氧化率和相對酶活均達到最大值，分別為58.32%和100%；當檸檬酸鐵銨添加量＞1.0%時，鐵氧化率和相對酶活隨著檸檬酸鐵銨的增加而減弱。檸檬酸鐵銨作為鞘細菌的最適碳源，低濃度或高濃度的檸檬酸鐵銨都不利于菌株的生長，進而影響菌株產鐵氧化酶的活性。因此，最佳檸檬酸鐵銨添加量為1.0%。檸檬酸鐵銨添加量的這個結果跟江令翔等[12]的研究結果一致。

圖2 檸檬酸鐵銨添加量對菌株S9產鐵氧化酶的影響Fig.2 Effect of ferric ammonium citrate adtion on ferroxidase produced by strain S9

2.1.3 不同氮源對菌株S9產鐵氧化酶的影響

圖3 不同的氮源對菌株S9產鐵氧化酶的影響Fig.3 Effect of different nitrogen sources on ferroxidase produced by strain S9

由圖3可知，不同氮源對菌株S9產鐵氧化酶的影響各不相同，氯化銨＞（硫酸銨0.05%+硝酸鈉0.05%）＞硝酸鈉＞硫酸銨＞尿素，當氮源為氯化銨時，菌株的鐵氧化率最強，其鐵氧化率為65.41%。因此，選擇氯化銨（NH4Cl）作為最適氮源。

2.1.4 氯化銨添加量對菌株S9產鐵氧化酶的影響

圖4 氯化銨添加量對菌株S9產鐵氧化酶的影響Fig.4 Effect of ammonium chloride addition on ferroxidase produced by strain S9

由圖4可知，菌株S9鐵氧化酶先隨著NH4Cl添加量的增加而增加，當NH4Cl添加量為0.10%時，其氧化率和相對酶活均達到最大，分別為60.44%和100%；之后發酵液的鐵氧化率隨著NH4Cl濃度的增加反而減少。低濃度的氯化銨對菌株鐵氧化酶的產量有促進作用，而高濃度的氯化銨有抑制作用。因此，最佳NH4Cl添加量為0.10%。

2.1.5 培養基初始pH對菌株S9產鐵氧化酶的影響

圖5 初始pH對菌株S9產鐵氧化酶的影響Fig.5 Effect of initial pH on ferroxidase produced by strain S9

由圖5可知，菌株S9的適宜生長的pH范圍為6.5～7.5，菌株S9在初始pH值為7.0時酶活力最高，其鐵氧化率可達到64.89%，而當初始pH＞7.5或初始pH＜6.5時，其相對酶活均已下降至80%以下。太高或太低的初始pH不利于菌株的生長，進而影響到菌株產鐵氧化酶的能力。因此，菌株S9的最適生長的初始pH值為7.0。

2.1.6 培養時間對菌株S9產鐵氧化酶的影響

據文獻報道[18]，浮游球衣菌的延遲生長期為1～2 d，對數生長期為3～5 d，穩定生長期為5～9 d，衰亡期為10 d之后。由圖6可知，菌株S9的鐵氧化酶隨培養時間的延長呈先增后減的趨勢；當培養時間為84 h時，此時菌株已進入生長對數期，菌株的鐵氧化酶活性達到最高，其氧化率為68.58%。因此，選擇培養84 h為最佳發酵培養時間。

圖6 培養時間對菌株S9產鐵氧化酶的影響Fig.6 Effect of culture time on ferroxidase produced by strain S9

2.1.7 培養基裝液量對菌株S9產鐵氧化酶的影響

圖7 不同裝液量對菌株S9產鐵氧化酶的影響Fig.7 Effect of liquid volume on ferroxidase produced by strain S9

由圖7可知，菌株S9的鐵氧化率隨著裝液量的增加呈先增后減的趨勢，當裝液量為50 mL/250 mL時，其鐵氧化率達到最高，為66.22%。裝液量太低，不能為菌體提供足夠的營養物質，對菌體的生長不利，進而不利于鐵氧化酶的合成和積累；而裝液量太高，發酵液中的溶氧量太低，不利于菌株的生長，也會影響菌株合成和積累鐵氧化酶。因此，最適裝液量為50 mL/250 mL。

2.1.8 培養溫度對菌株S9產鐵氧化酶的影響

圖8 培養溫度對菌株S9產鐵氧化酶的影響Fig.8 Effect of culture temperature on ferroxidase produced by strain S9

由圖8可知，不同培養溫度對菌株產酶有一定的影響，溫度對菌株S9產鐵氧化酶的影響呈先增后降的趨勢；當培養溫度為30℃時，發酵液的鐵氧化率達到最大值，為71.25%，培養溫度＜28℃或培養溫度＞32℃時，發酵液中鐵氧化酶的相對酶活都低于40%。因此選擇30℃為其最適發酵培養溫度。

2.2 產酶條件優化正交試驗結果

以檸檬酸鐵銨、氯化銨、初始pH、培養時間、裝液量及培養溫度作為考察因素，以鐵氧化率作為考察指標，選用L18（36）正交表，進行18個試驗分析這6個因素對酶活力的影響。結果與分析見表2。

表2 產酶條件優化正交試驗結果與分析Table 2 Results and analysis of orthogonal experiments for enzyme-producing conditions optimization

由表2可知，各因素對菌株產鐵氧化酶的影響主次順序為檸檬酸鐵銨添加量＞培養溫度＞初始pH＞培養時間＞裝液量＞氯化銨添加量，最佳發酵培養條件的組合為A2B2C2D2E3F2，即檸檬酸鐵銨添加量1.0%，氯化銨添加量0.1%，初始pH值為7.0，培養時間84h，瓶裝量75mL/250mL，培養溫度30℃。在此優化條件下進行3次驗證試驗，發酵液中鐵氧化率可達75.25%，與未優化前發酵液中鐵氧化率提高了42.28%。

2.3 鐵氧化酶的酶學性質研究

2.3.1 不同作用溫度對酶活性的影響

圖9 不同溫度對鐵氧化酶活性的影響Fig.9 Effects of different temperatures on ferroxidase activity

由圖9可知，菌株S9產鐵氧化酶的活性先是隨著作用溫度的升高而升高；當作用溫度達到30℃時，處理液中鐵氧化酶活性達到最高，其氧化率為53.62%；之后，鐵氧化酶活性隨著作用溫度的升高反而降低，當鐵氧化酶在50℃條件下保溫30 min后，其氧化率已降至15.64%。因此，鐵氧化酶的最適溫度為30℃。

2.3.2 不同pH對酶活性的影響

圖10 不同pH對鐵氧化酶活性的影響Fig.10 Effects of different pH on ferroxidase activity

由圖10可知，鐵氧化酶的酶活先是隨pH的升高而升高，之后又隨著pH的升高而降低；酶活的較適pH為7～8，當pH 7.5時，酶的氧化率仍可達65.26%。因此，鐵氧化酶的最適pH為7.5。

2.3.3 不同金屬離子對酶活性的影響

由圖11可知，不同金屬離子對菌株產鐵氧化酶的活性影響各不相同，各金屬離子對鐵氧化酶活性的影響如下：Mg2+＞Na+＞K+＞Cu2+＞Pb2+＞Ag+＞Zn2+＞Mn2+，其中Mg2+、K+、Na+對酶的活性具有增強作用，而Pb2+、Ag+會抑制酶的部分活性，Mn2+、Zn2+對酶具有很強的抑制作用。

圖11 不同金屬離子對鐵氧化酶活性的影響Fig.11 Effects of different metal ions on ferroxidase activity

3 結論

浮游球衣菌是一類絲狀細菌，是活性污泥中凈化水體的主要菌群。培養因素和培養條件對菌株S9產鐵氧化酶具有較大的影響。本研究對鞘細菌S9產鐵氧化酶的培養條件進行優化研究，通過單因素試驗和正交試驗設計，確定最適產酶發酵培養基：檸檬酸鐵銨1.0%，NH4Cl 0.1%，K2HPO40.05%，MgSO4·7H2O 0.05%，CaCl2·6H2O 0.01%；最佳發酵條件為：培養初始pH7.0，培養溫度30℃，裝液量50 mL/250 mL，轉速150 r/min，培養時間84 h。在此優化條件下，鞘細菌S9產生鐵氧化酶的氧化活性高達75.25%，與未優化前發酵液中鐵氧化率提高了42.28%。同時研究發現該菌株所產鐵氧化酶的最適溫度為30℃，最適pH值為7.5，Mg2+、K+、Na+對酶的活性具有增強作用，而Pb2+、Ag+會抑制酶的部分活性，Mn2+、Zn2+對酶具有很強的抑制作用。

[1]全桂靜，吳財富.鞘細菌處理生活污水效果的研究[J].遼寧化工，2009，38（5）：311-314.

[2]秦玉春，秦玉華.浮游球衣菌-納米Fe3O4生物吸附劑處理電鍍廢水中Cd（Ⅱ）和C（rⅥ）的研究[J].廣東化工，2014，41（8）：108，103.

[3]鄭 虹，樂增焜，鄧加聰.1株鞘細菌的分離篩選及對鉛離子吸附條件的研究[J].微生物學雜志，2014，34（2）：43-48.

[4]CHOI J D,KOTAY S M,GOEL R.Bacteriophage-based biocontrol of biological sludge bulking in waster[J].Bioengineered Bugs,2011,2(4):214-217.

[5]SEDER-COLOMINA M,MORIN G,BENZERARA K,et al.Sphaerotilus natans,a neutrophilic iron-related sheath-forming bacteriaum:perspectires for metal remediation stategies[J].Geomicrob J,2013,31(1):64-75.

[6]鄭 虹，崔偉斌，林廉晶，等.鞘細菌的生物包埋及固定化吸附條件的研究[J].福建師大福清分校學報，2016，135（2）：33-41.

[7]佘晨興，許旭萍，林躍鑫，等.鞘細菌FC9901氧化鐵生化機制的研究[J].環境污染治理技術與設備，2002，3（9）：35-37.

[8]郭 艷.富集重金屬鞘細菌的分離篩選、吸附條件及固定化研究[D].福州：福建師范大學，2008：1-63.

[9]KAMPFER P.Some chemotaxonomic and physiological properties of the genusSphaerotilus[J].Syst Appl Microbiol,1998,21(2):245-250.

[10]BOSSIS F,PALESE L.Molecular dynamics in cytochrome c-oxidase mossbauer spectra deconvolution[J].Biochem Biophy Res Comm,2011,404(17):438-442.

[11]許旭萍，楊冠彬，王 芳，等.假單胞菌產生鐵氧化酶條件的研究[J].微生物學雜志，2009，29（4）：16-19.

[12]江令翔，張翔宇，朱秀玲，等.活性污泥中氧化鐵細菌的分離鑒定及酶活的初步研究[J].安徽工程大學學報，2015，30（5）：13-18.

[13]鄧加聰，王詩瑤，蔣素素，等.高效產錳氧化酶鞘細菌的分離鑒定及酶學特性研究[J].中國釀造，2017，36（10）：97-103.

[14]JABORNING S,PODMIRSEG S M.A novel fixed fibre biofilm membrane process for on-site greywater reclamation requiring no fouling control[J].Biotechnol Bioeng,2015,112(3):484-493.

[15]鄭 虹，張曉榕，吳曉梅，等.高效鐵氧化鞘細菌的篩選與鑒定[J].微生物學報，2014，54（12）：1352-1358.

[16]國家環境保護總局，水和廢水監測分析方法編委會.水和廢水監測分析方法（第四版）[M].北京：中國環境科學出版社，2002：368-370.

[17]美國公共衛生協會，宋仁元，張亞杰，等譯.水和廢水標準檢驗法（第十五版）[M].北京：中國建筑工業出版社，1985：180-186.

[18]秦玉春，關曉輝，魏德洲，等.浮游球衣菌的分離及其對鉛離子的吸附性能[J].東北大學學報：自然科學版，2005，26（7）：687-690.