張妮,張紅巖,楊夢瑩,劉聰,楊立芳,申乃坤*,姜明國
1(廣西民族大學 海洋與生物技術學院,廣西多糖材料與改性重點實驗室,廣西高校微生物與植物資源利用重點實驗室,廣西 南寧, 530006)2(廣西民族大學 化學化工學院,廣西林產化學與工程重點實驗室,廣西 南寧, 530006)
Isolationandidentificationofahighlyefficientkeratinaseproducingstrainfrommarineenvironmentanditsenzymaticproperties
ZHANG Ni1,ZHANG Hongyan1,YANG Mengying1, LIU Cong2,YANG Lifang2,SHEN Naikun1*,JIANG Mingguo1
1(Guangxi Key Laboratory for Polysaccharide Materials and Modifications, Guangxi Key Laboratory of Microbial plant Resources and Utilization, School of Marine Sciences and Biotechnology, Guangxi University for Nationalities, Nanning 530006, China)2(Guangxi Key Laboratory of Chemistry and Engineering of Forest Products, School of Chemistry and Chemical En-gineering, Guangxi University for Nationalities, Nanning 530006)
ABSTRACTThis study aimed to obtain a highly efficient keratinase producing strain, improve its enzyme-producing ability and study the properties of keratinase. A strain Gxun-30 of highly efficient degradation ability for feather keratin was isolated from the soil of feather waste in the duck breeding base in Beibu gulf by enrichment, primary screening and re-screening process.It was identified asBacillusparamycoides, according to its morphology, physiological and biochemical characteristics, and 16S rDNA sequence alignment and phylogenetic trees analysis. The keratinase producing conditions and enzymatic properties were studied.The results showed that its optimum fermentation temperature was 35°C.After fermenting at 35°C for 48 h, the feather was almost completely degraded and the keratinase activity reached 434.54 U/mL. The keratinase had maximum activity at 75°C and optimum pH at 7.5.Ca2+and Na+could greatly enhance the activity of keratinase, but its activity was strongly inhibited by Mn2+and Cu2+. And it was inhibited by phenyl methyl sulfonyl fluoride (PMSF) and ethylene diamine tetra acetic acid (EDTA), indicating that it is a metallo-serine keratinase. The enzyme could remain stable in the presence of surfactants, including sodium dodecyl sulfate (SDS), isopropyl alcohol and Tween 40. Especially, isopropyl alcohol could substantially enhance the activity to 114%. The substrate specificity results showed that this keratinase exhibited high activity towards casein, keratin and feather, but only little degradation on hair and type I collagen. The results indicated thatB.paramycoidesGxun-30 and its protease was of potential application for feather degradation, casein peptide and collagen material preparation.
Keywordsmarine bacterium; feather-degrading; isolation and identification; keratinase; characteristics of proteinases
近年來,隨著我國家禽養殖產業迅猛發展,羽毛產量也逐年遞增,超過100萬t/年,大部分卻并未得到利用,通常被填埋或焚燒[1]。不僅造成資源的巨大浪費,而且嚴重污染環境,甚至傳播雞新城疫、氣囊炎和角膜結膜炎等疾病[2]。此外,焚燒還會釋放氨、惡臭硫化氫等有害氣體,引起頭痛、惡心、腹瀉等健康問題[3]。羽毛中粗蛋白含量可達85%以上,且氨基酸組成比較齊全,特別是半胱氨酸是常見天然飼料中含量最高的[4-5]。但羽毛以角蛋白為主,是一類富含二硫鍵、結構穩定的“不溶于水的硬性蛋白”,動物消化率極低,需要處理后才能應用。目前,常采用高溫高壓、強酸強堿和擠壓膨化等物理或化學方法進行處理,不僅工藝復雜、耗能多、污染環境,而且處理過程中會破壞氨基酸,造成營養流失[6]。利用微生物降解廢棄羽毛,不僅過程溫和、效果顯著,且對氨基酸破壞較小,可高效生產稀有氨基酸、肽等產品,應用于飼料、肥料、醫藥等行業[7-9],不僅利用廢棄蛋白資源,促進羽毛的深加工發展,對環境保護也具有積極意義。
目前已篩選出真菌、放線菌、細菌等30多種可降解羽毛的微生物[4, 10]。但大多數真菌為皮膚類真菌,具有致病性,應用價值較低[11];放線菌降解羽毛能力較強,但生長緩慢,多用于固體發酵及有關蛋白酶機制研究[12]??山到庥鹈毦酁榈匾卵挎邨U菌(Bacilluslicheniformis)[13]、嗜堿芽孢桿菌(Bacilluspseudofirmus)[14]、枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)[15]、蠟樣芽胞桿菌(Bacilluscereus)[16]、解淀粉芽孢桿菌(Bacillusamyloliquefaciens)[17]等芽孢桿菌類及耐熱桿菌類[18]等,具有生長快、產酶活性較高、工業應用安全等優點,近年來日漸受到關注,成為研究的熱點之一。但選育出的菌株存在降解效果不強、穩定性較差等問題,大都滿足不了工業化生產的要求。因此,迫切需要篩選降解效果好、抗逆性強、性能穩定的優良菌株。
目前從陸地環境挖掘新的微生物資源愈來愈困難,而海洋微生物資源是陸地的10倍,但開發程度遠低于陸地,具有非常大的開發潛力。此外,海洋微生物適應了高鹽、高壓、低溫、缺氧等環境特點,往往活性更高、抗逆性更強。本研究取樣廣西北部灣海鴨羽毛堆積處土壤,通過富集培養、初篩和復篩分離出1株高效降解羽毛角蛋白的菌株,并對菌體形態特征、生理生化特性和16S rDNA序列的系統進化分析,鑒定為擬蕈狀芽孢桿菌(Bacillusparamycoides),并對菌株所產角蛋白酶的酶學性質進行研究,為廢棄羽毛資源化利用提供新備選菌株和角蛋白酶來源。
1.1.1 土壤樣品
土壤樣品來自廣西北海養海鴨場內廢棄羽毛堆積處土樣,低溫保存帶回實驗室處理。
1.1.2 羽毛
家禽市場收集的雞、鴨羽毛,用水洗凈,烘干至衡重備用。
1.1.3 試劑
酵母抽提物、蛋白胨,OXOID(英國);瓊脂粉,西班牙進口分裝;DNA 抽提、PCR 擴增及膠回收試劑盒等分子試劑,天根(北京)生物技術有限公司;干酪素、福林酚、三氯乙酸等(均為國產分析純),生物工程(上海)股份有限公司。
1.1.4 儀器與設備
紫外可見光分光光度計,上海精科學儀器有限公司;CX31型顯微鏡,奧林巴斯;BIOFUGE STRATOS高速冷凍離心機,美國Themo;MQD-S3R三層小容量振蕩培養箱,上海旻泉儀器有限公司;GR85高壓蒸汽滅菌器,美國ZEALWAY;ABI2720型PCR擴增儀,美國ABI。
1.1.5 培養基
富集培養基(g/L):酵母粉5,NaCl 2,K2HPO41,MgSO40.1,羽毛5,pH 7.0。
初篩培養基(g/L):酪蛋白30,K2HPO41.4,KH2PO40.7,NaCl 5,MgSO40.1,瓊脂20,pH 7.0。
種子培養基(g/L):酵母粉5,蛋白胨10,NaCl 5,pH 7.2。
發酵培養基(g/L):羽毛15,K2HPO41.4,KH2PO40.7,NaCl 5,MgSO40.1,pH 7.0。
1.2.1 菌株富集
取10 g土樣加入90 mL的無菌水中,混勻后取上清液至富集培養基中振蕩培養48 h。
1.2.2 菌株初篩
無菌水梯度稀釋富集樣品后涂布于篩選平板,置于30 ℃恒溫培養48 h,挑選水圈較大而明顯的單菌落,純化后接種斜面培養基保存備用。
1.2.3 菌株復篩
挑取初篩單菌落至種子培養基,30 ℃,200 r/min培養15 h,按照1%(體積分數)的量接種至羽毛發酵培養基,發酵48 h后,取上清液測定角蛋白酶的酶活性,選取酶活性較高的菌株進行下一步研究。
1.2.4 菌種鑒定方法
(1)菌株形態學及生理生化特性
產酶菌株的形態觀察、革蘭氏染色及生理生化實驗參考細菌系統鑒定手冊[19]。
(2)產角蛋白酶菌株的分子鑒定
提取菌株基因組后,采用16S rDNA基因的通用引物27F和1492R進行PCR擴增,PCR產物測序結果提交至GenBank進行相似性比較,利用生物學軟件MEGA 7.0構建系統進化樹(Neighbor-Joining)[9]。
1.2.5 角蛋白酶活性測定
(1)粗酶液的制備
羽毛發酵液離心經12 000 r/min、10 min離心后,取上清液,即為粗酶液,置于4 ℃保存備用。
(2)角蛋白酶活性測定
酶活性測定:參照文獻[4, 20-21]的方法進行,略有改動。取上述適當稀釋后粗酶液200 μL,置于50 ℃水浴中預熱2 min,再加入經同樣預熱的300 μL 質量濃度為20 g/L酪蛋白溶液(pH 7.5)混勻,50 ℃水浴反應10 min,立即加入4 mol/L TCA溶液500 μL終止反應,離心取上清液200 μL,依次加入1 mL 0.5 mol/L Na2CO3溶液和200 μL福林酚,50 ℃反應10 min。對照為先用三氯乙酸對酶滅活的酶液。反應結束后于波長660 nm處檢測吸光值。1個酶活性單位的定義為:50 ℃反應溫度下,1 min水解酪蛋白產生1 μg酪氨酸所需要的酶量。每個實驗重復3次,結果取平均值。
1.2.6 發酵溫度對菌株產角蛋白酶的影響
發酵培養基接種后置于不同溫度(30、32.5、35、37.5、40 ℃)的搖床培養48 h,然后測定不同溫度下角蛋白酶活性,確定菌株的最適產酶溫度。
1.2.7 酶學性質
(1)溫度對角蛋白酶活性的影響
將反應溫度設為10、20、30、40、50、60、70、80、90 ℃,考察不同溫度對角蛋白酶活性的影響,確定酶活性的最適反應溫度。
(2)pH值對角蛋白酶活性的影響
在最適酶活性溫度下,配制pH值為6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0 的Tris-HCl緩沖液,檢測pH值對角蛋白酶活性的影響,確定酶活性的最適反應pH值。
(3)角蛋白酶的熱穩定性[22]
將粗酶液分別置于不同的溫度(4、25、37、50、70、90 ℃)下保溫不同時間(15、30、60、90、120 min)后,測定殘余酶活性。未經初始酶液為對照組,活性設為100%。不同溫度及保溫時間下所測得的酶活性與其相比,并計算相對酶活性,并繪制酶的熱穩定性曲線,考察不同溫度及保溫時間對酶活性的影響。
(4)金屬離子對角蛋白酶活性的影響
在酶活性測定反應體系中分別添加不同濃度的(0.5、5.0、50.0、500.0 mmol/L)不同金屬離子(Ca2+、Mg2+、Na+、Mn2+、K+、Cu2+、Co2+),室溫下放置60 min后測定殘余酶活性。以未添加金屬離子反應管為對照,酶活性設為100%。添加不同濃度金屬離子所測得的酶活性與其相比,并計算出相對酶活性,考察不同濃度金屬離子對酶活性影響。
(5)蛋白酶抑制劑和表面活性劑等化學試劑對角蛋白酶活力的影響[23]
向酶液中分別加入蛋白酶抑制劑苯甲基磺酰氟(phenyl methyl sulfonyl fluoride,PMSF)(5 mmol/L)、乙二胺四乙酸(ethylene diaminetetraceticaid,EDTA)(5 mmol/L),還原劑β-巰基乙醇(5 mmol/L),表面活性劑十二烷基硫酸鈉(sodium dodecyl sulfate,SDS)(1%,體積分數)、吐溫-40(1%,體積分數),有機溶劑二甲基亞砜(dimethyl sulfoxide,DMSO)(1%,體積分數),常溫下保持60 min,測定殘余酶活性。以去離子水代替化學試劑反應管為對照,酶活性設為100%。添加化學試劑所測得的酶活性與其相比,并計算出相對酶活性,考察不同化學試劑對酶活性的影響。
(6)角蛋白酶底物特異性
使用不同的蛋白底物包括I型膠原蛋白、羽毛、人發、可溶性角蛋白、酪蛋白、牛血清蛋白作為底物,不溶性底物做粉碎處理,測定不同底物的酶活性大小,考察角蛋白酶對不同底物降解的特異性。
根據水解圈直徑及徑圈比值(R1/R2)的大小,初篩獲得13株效果較好菌株,進一步進行羽毛發酵復篩,并進行酶活性測定,復篩共篩選獲得5株降解羽毛較好菌株,酶活性大小及透明圈結果如表1、圖1所示。
由表1可知,30號菌株羽毛降解效果最好、生長速度較快,且酶活性最高,可達186.38 U/mL。但30號菌株的透明圈及徑圈比并不是最大,這說明平板初篩的結果還有一定的局限性。因此,選用30號菌株作為后續研究菌株,命名為Gxun-30。

表1 五株菌株復篩結果Table 1 Screening results of 5 strains

圖1 不同菌落產生的水解圈Fig.1 The hydrolysate circle produced by different colony
2.2.1 形態學、生理生化特征
菌株Gxun-30在酪蛋白平板上30 ℃培養48 h后,菌落呈白色不透明,邊緣呈鋸齒狀,不易挑取。革蘭氏染色為陽性,菌體呈球桿狀,長度為1~2 μm,室溫放置4 d后可觀察到大量游離芽孢(圖2)。菌株生理生化結果為:V-P實驗為陽性;甲基紅試驗呈弱陽性;硝酸鹽還原作用呈陽性;亞硝酸鹽還原作用呈陽性;脲酶、吲哚試驗均為陰性;能利用葡萄糖、麥芽糖、蔗糖、甘露醇等碳源,但不產氣;能水解酪蛋白、淀粉、明膠,但不能利用山梨醇、纖維二糖、半乳糖;反硝化作用呈陰性。由形態觀察及生理生化特征結果可以初步確定該菌株為芽孢桿菌屬(Bacillussp.)。

a-菌落形態;b-革蘭氏染色(100×)圖2 Gxun-30菌株的菌落形態及革蘭氏染色Fig.2 Colony morphology and gram stain of strain Gxun-30
2.2.2 16S rDNA 基因序列及系統發育分析
對該菌的16S rDNA序列進行測序,所獲得的序列長度為1 457 bp,使用美國國立生物技術信息中心的BLAST進行16S rDNA的相似性比對,發現Gxun-30與擬蕈狀芽孢桿菌屬的16S rDNA基因序列自然聚類,相似度為99.25%,與12條相似性較高的序列構建系統發育樹如圖3所示,Gxun-30與BacillusparamycodedsNH24A2(MAOI0I000012)菌株聚為一群,表明Gxun-30與B.paramycodeds的菌株親緣關系最近。

圖3 Gxun-30菌株基于16S rDNA序列的系統發育樹Fig.3 Phylogenetic tree of strain Gxun-30 based on 16S rDNA sequence
根據Gxun-30的形態學及生理生化特征,結合16S rDNA基因序列及系統發育樹結果,將Gxun-30命名為擬蕈狀芽孢桿菌Gxun-30(B.paramycoidesGxun-30),現保藏于廣東省微生物菌種保藏中心,保藏編號為GDMCC 60687。
2.3.1 酪氨酸標準曲線
根據制作標準曲線的方法,得出酪氨酸標準曲線線性回歸方程為y=205.23x-9.097 4,線性相關系數R2=0.999 6,表明線性關系較好,可用來計算角蛋白酶活性。
2.3.2 溫度對菌株產角蛋白酶活性的影響
發酵溫度是微生物生長代謝的重要因素之一。由圖4可知,發酵溫度對菌株Gxun-30產角蛋白酶影響大,當發酵溫度低于35 ℃時,所產角蛋白酶隨發酵溫度升高而增加;溫度為35 ℃時,角蛋白酶活性達到最高386.78 U/mL,發酵48 h幾乎可將整根羽毛完全降解(圖5);溫度為37.5 ℃時酶活性略有下降,但與最高值沒有顯著差異(P>0.05);但當溫度為40 ℃時,酶活性下降迅速,且差異顯著(P<0.05)。這與多數文獻報道芽孢類菌株產酶的最適溫度相類似[2,4,16]。故擬蕈狀芽孢桿菌Gxun-30最適發酵溫度為35~37.5 ℃。

圖4 發酵溫度對擬蕈狀芽孢桿菌Gxun-30產角蛋白酶活性的影響Fig.4 The effect of fermentation temperature on keratinase production of B. paramycoides Gxun-30

a-接種0 h;b-接種24 h;c-接種48 h圖5 擬蕈狀芽孢桿菌Gxun-30 35 ℃培養條件下搖瓶發酵對羽毛的降解效果Fig.5 Degradation of feathers by B. paramycoides of flask culture at 35 ℃
2.4.1 溫度對酶活性的影響
按照1.2.6所述試驗方法,在不同溫度下測定角蛋白酶活性,以反應溫度為橫坐標,酶活性為縱坐標的溫度-酶活關系曲線如圖6所示。反應溫度為10 ℃時,角蛋白酶仍具有活性,但活性較低,僅為25.36 U/mL,這說明低溫能抑制酶的活性,但不能使酶活性失活[22];當溫度低于70 ℃時,酶活性隨著溫度升高逐漸增加,且70 ℃時,酶活性達到最大值434.54 U/mL;但當高于70 ℃時,酶活性隨溫度升高反而迅速降低。這表明該角蛋白酶的最適反應溫度為70 ℃,高于報道的一些其他角蛋白酶最適溫度,如B.amyloliquefaciens50 ℃[17]、B.subtilis55 ℃[15]、B.licheniformis60 ℃[13]。

圖6 溫度對擬蕈狀芽孢桿菌Gxun-30角蛋白酶活性的影響Fig.6 Effect of temperature on the activity of B. paramycoides Gxun-30 keratinase
2.4.2 pH對酶活性的影響
由圖7可知,當反應體系pH值低于7.5時,酶活性隨pH增加而增加,pH為7.5時,酶活性最大為469.68 U/mL;當pH值高于7.5時,酶活性隨pH增加而降低,過高或過低的pH值環境影響了酶與底物的結合,或破壞了蛋白酶的結構和穩定性[8]。因此,該酶反應最適pH值為7.5,這與文獻報道芽孢桿菌類角蛋白酶如B.cereus(pH 8.0)[15]、B.subtilus(pH 7.5)[16]和B.amyloliquefaciens(pH 8.0)[17]最適pH為堿性是一致的。

圖7 pH對擬蕈狀芽孢桿菌Gxun-30角蛋白酶活性的影響Fig.7 Effects of pH on the keratinase activity of B. paramycoides Gxun-30
2.4.3 角蛋白酶的熱穩定性
如圖8所示,當處理溫度低于70 ℃時,對酶活性破壞較弱,70 ℃處理60 min,酶活性喪失<50%,高于一些常見角蛋白65 ℃處理30 min酶活性喪失70%以上的報道[4, 17];但90 ℃條件下處理30 min,酶活性喪失達80%。這可能是因為維持蛋白質高級結構的化學鍵被高溫破壞,進而起催化作用的活性中心遭到破壞[24]。因此,擬蕈狀芽孢桿菌Gxun-30所產角蛋白酶在70 ℃以下具較好熱穩定性,屬于耐熱性蛋白酶類。可廣泛應用于羽毛等角蛋白廢棄物處理的高溫環境中,減少酶量投入,降低生產成本。

圖8 擬蕈狀芽孢桿菌Gxun-30角蛋白酶的熱穩定性Fig.8 Thermostability of B. paramycoides Gxun-30 keratinase
2.4.4 金屬離子對酶活性的影響
由圖9可知,當金屬離子濃度為0.5 mmol/L時,Cu2+和Mn2+對角蛋白酶有較強的抑制效果,而Ca2+和Na+有一定的激活作用,其他金屬離子對酶活性影響較??;當濃度為5 mmol/L時,Ca2+和Na+對酶活性有明顯激活作用,相對酶活性分別達到178%和147%,可能是由于Ca2+或Na+與酶分子氨基酸側鏈的氧原子形成穩定的鍵作用力,酶活性區域的構象結構穩定性增強,或者增加“角蛋白酶-底物”復合體的穩定性進而促進酶的活性[25],具體激活機制有待進一步研究;而Cu2+和Mn2+的殘余酶活性分別僅有9.62%和22.89%;當金屬離子濃度為50 mmol/L時,Cu2+和Mn2+使酶的活性幾乎完全喪失,Co2+對酶活性抑制超過80%,可能是由于Cu2+、Mn2+或Co2+進入細胞后與酶氨基酸分子—SH結合,而酶分子失活或變性,從而影響酶的活性[26];不同濃度K+和Mg2+對角蛋白酶活性影響均較小。
2.4.4 不同化學試劑對酶活性的影響
化學物質對酶活性影響結果如圖10所示,蛋白質抑制劑PMSF完全抑制酶活性,說明該角蛋白酶屬于絲氨酸蛋白酶類;EDTA可顯著抑制酶的活性,這說明酶的活性中心可能含有Ca2+或Na+[27],與之前Ca2+、Na+促進酶活性結果相吻合;該酶在SDS、吐溫-40和異丙醇存在下具有良好的穩定性,尤其異丙醇對酶活性有促進作用,可使酶活性提高至114%。

a-金屬離子Ca2+、Na+、Mg2+、K+;b-金屬離子CO+2、Cu2+、Mn2+圖9 金屬離子對擬蕈狀芽孢桿菌Gxun-30角蛋白酶活性的影響Fig.9 Effects of metal ions on the keratinase activity of B. paramycoides Gxun-30

圖10 化學物質對擬蕈狀芽孢桿菌Gxun-30角蛋白酶活性的影響Fig.10 Effect of chemicals on activity of B. paramycoides Gxun-30 keratinase
2.4.5 角蛋白酶的底物特異性
底物特異性是酶的重要特性之一。該角蛋白酶對不同底物的降解特異性較強(圖11),對酪蛋白、角蛋白和羽毛的降解作用最為明顯;而對I型膠原蛋白和人發幾乎無降解作用;對牛血清蛋白的降解也較差。這與許多研究如地衣芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌所產角蛋白酶能夠特異性降解膠原和彈性蛋白的報道不同[28]。由于不存在膠原蛋白活性,該角蛋白酶不會造成膠原蛋白的損失,或開發成不傷手的洗滌劑[26],具有良好的工業應用價值。

圖11 擬蕈狀芽孢桿菌Gxun-30角蛋白酶的底物特異性Fig.11 Substrate specificity of B. paramycoides Gxun-30 keratinase
本研究從廣西北海海邊養鴨場內廢棄羽毛堆積處采取土壤,經過富集、初篩和復篩過程,得到5株具有高效降解羽毛角蛋白的細菌,其中,降解效果最優的30號菌株角蛋白酶活性可達到434.54 U/mL,發酵48 h后,整根羽毛幾乎完全降解。經過形態學、生理生化特性和16S rDNA序列比對結果分析,鑒定為擬蕈狀芽孢桿菌,命名為B.paramycoidesGxun-30。該菌株耐高溫性較好,菌株最適產酶溫度為35 ℃,酶活性可達434.54 U/mL;在40 ℃發酵條件下仍能產酶。所產角蛋白酶最適溫度為75 ℃,最適反應pH為6.5。該酶在70 ℃以下能保持良好的熱穩定性。金屬離子對酶活性研究結果表明,Ca2+、Na+有促進作用,而Mn2+、Cu2+有顯著抑制作用。蛋白抑制劑PMSF可完全抑制酶活性,因此該角蛋白酶為絲氨酸蛋白酶類,EDTA可顯著抑制酶的活性,因此活性中心可能含有金屬離子;異丙醇對酶活性有促進作用,可提高至114%;該酶在常見表面活性劑SDS、吐溫-40溶液中具有良好的穩定性。底物特異性分析表明,該對酪蛋白、角蛋白及羽毛有良好降解能力,而對人發、I型膠原及牛血清蛋白降解較差。以上結果表明,B.paramycoidesGxun-30菌株及其產生的角蛋白酶的作用溫度和pH寬泛、穩定性好,具有良好的開發價值和應用前景。本研究可為廢棄羽毛降解及角蛋白酶發酵工業提供新型菌種和蛋白酶資源。