石佳佳,齊天翊,2,張萌,陳淋霞,張笛,包智華*
1(內(nèi)蒙古大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特,010021) 2(呼和浩特市回民區(qū)環(huán)境衛(wèi)生管理所,內(nèi)蒙古 呼和浩特,010021)
隨著工業(yè)的發(fā)展,重金屬污染日趨嚴(yán)重。由于環(huán)境中的重金屬可以通過(guò)生物富集作用進(jìn)入農(nóng)產(chǎn)品中,危害人體健康,所以解決食品中重金屬污染問(wèn)題十分重要。鉛(Pb)、鎘(Cd)作為被聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(Food and Agriculture Organization,F(xiàn)AO)和世界衛(wèi)生組織(World Health Organization,WHO)確認(rèn)的對(duì)人體毒性最強(qiáng)的2種重金屬,廣泛分布于自然界中,其污染可通過(guò)食物鏈傳播[1]。如何有效去除食品中的Pb、Cd污染已經(jīng)引起廣泛關(guān)注。對(duì)比傳統(tǒng)的物理化學(xué)方法,用微生物去除食品中的重金屬更加經(jīng)濟(jì)高效,且前景廣闊[2]。
在各類(lèi)食品中,尤以谷物類(lèi)和蔬菜類(lèi)食品中Pb、Cd的健康風(fēng)險(xiǎn)值最高[3]。殺蟲(chóng)劑等農(nóng)藥的使用及土壤中該類(lèi)重金屬含量超標(biāo)都會(huì)提高蔬菜、水果中的Pb含量,對(duì)人體產(chǎn)生潛在危害。酵素是以新鮮蔬果、植物等為原料,經(jīng)乳酸菌、酵母菌等有益菌發(fā)酵而成的功能性產(chǎn)品,富含酶、維生素、礦物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)成分[4]。酵素中的微生物是酵素發(fā)揮一系列功能的主要原因,能夠抑制有害菌、改良土壤結(jié)構(gòu)、增加作物產(chǎn)量,從而生產(chǎn)對(duì)環(huán)境無(wú)害的產(chǎn)品[5]。韋文芳等[6]通過(guò)將自制酵素噴灑在農(nóng)作物上明顯提高了氧化樂(lè)果、毒死蜱等5種農(nóng)藥的降解作用。部分乳酸菌可以吸附積累食品中的重金屬[7-8],而酵素中含有大量的乳酸菌,因此酵素在去除食品重金屬污染方面也有很大應(yīng)用潛力。傅亞平等[7]利用植物乳桿菌(Lactobaciliusplantarum)和戊糖片球菌(Pediococcuspentosaceus)復(fù)合發(fā)酵有效去除了大米中85.73%的Cd。從中國(guó)傳統(tǒng)泡菜中分離出的L.plantarum70810 EPS具有較好的鉛吸附效果[8]。利用酵素中存在的乳酸菌等復(fù)合微生物不但可以去除果蔬、土壤中的重金屬,這些有益菌也可以避免微生物修復(fù)后的殘留污染,對(duì)人體無(wú)害,安全性高。水果酵素是由較常見(jiàn)的、價(jià)格低廉且原材料容易獲取的水果發(fā)酵而成,農(nóng)戶可以自行制作,直接將酵素噴灑到種植蔬菜、農(nóng)作物的土壤中達(dá)到去除部分重金屬污染的目的。但是,目前對(duì)于水果酵素發(fā)酵過(guò)程中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu),尤其是乳酸菌群動(dòng)態(tài)變化的研究較少。為此,本文將水果、蔬菜及植物進(jìn)行搭配發(fā)酵,以2種自制酵素為研究對(duì)象,利用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)不同發(fā)酵時(shí)段酵素樣品中微生物群落結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析和比較;對(duì)酵素樣品中優(yōu)勢(shì)乳酸菌進(jìn)行分離,并測(cè)定代表性菌株的Pb2+和Cd2+耐受性以及吸附和積累量。以期實(shí)現(xiàn)利用酵素中微生物去除食品中的重金屬污染。
自制酵素樣品AA以m(蘋(píng)果)∶m(橘子)∶m(米糠)=4∶4∶1為原料,按m(水)∶m(糖)∶m(原料)=10∶1∶3配制;AB以m(蘋(píng)果)∶m(橘子)∶m(圓蔥)∶m(艾草)∶m(米糠)=3∶3∶1∶1∶1為原料,按m(水)∶m(糖)∶m(原料)=10∶1∶3配制。原料搗碎與糖、水混合均勻,室溫自然發(fā)酵,每天攪拌1次。在發(fā)酵4個(gè)時(shí)段(10、20、40和120 d)取樣進(jìn)行測(cè)序。
利用細(xì)菌基因組DNA提取試劑盒(TIANamp Bacteria DNA Kit)提取各時(shí)段酵素樣品中菌體DNA,通過(guò)高通量測(cè)序Hiseq-PE250平臺(tái)進(jìn)行細(xì)菌16S rRNA V3-V4區(qū)域擴(kuò)增子測(cè)序分析。基于Illumina HiSeq測(cè)序平臺(tái),利用雙末端測(cè)序(Paired-End)方法,構(gòu)建小片段文庫(kù)進(jìn)行測(cè)序。通過(guò)對(duì)Reads拼接過(guò)濾,操作分類(lèi)單位(operational taxonomic unit,OTU)聚類(lèi),進(jìn)行物種注釋及豐度分析。
用于分離乳酸菌的乳酸菌培養(yǎng)基(MRS,g/L):蛋白胨10,牛肉膏10,酵母膏5,檸檬酸氫二胺2,葡萄糖20,吐溫80 1 mL,乙酸鈉5,K2HPO42,MgSO40.58,MnSO40.25,瓊脂18,定容至1 L,pH 6.2~6.6。121 ℃滅菌20 min。
用TIANamp Bacteria DNA Kit提取純菌株總DNA。用引物27F和1492R[9]擴(kuò)增16S rRNA基因,擴(kuò)增體系:25 μL體系,DNTP Mix(2.5 mmol/L)2 μL,10×TaqBuffer 2.5 μL,ddH2O 17.3 μL,引物27F和1492R各1 μL,Taq(5 U/μL,TaKaRa ExTaqTM) 0.2 μL,模板DNA 1 μL;擴(kuò)增反應(yīng)條件:94 ℃預(yù)變性5 min;94 ℃變性30 s,55 ℃退火30 s,72 ℃延伸90 s,26~30個(gè)循環(huán);72 ℃后延伸10 min,擴(kuò)增片段約1 500 bp。PCR產(chǎn)物用10 g/L瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)后送至美吉桑格生物醫(yī)藥科技有限公司測(cè)序,測(cè)序結(jié)果與GenBank上已知序列進(jìn)行比對(duì),利用MEGA7軟件中的鄰接法(neighbor-joining analysis)構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)。
在重金屬Pb2+、Cd2+脅迫條件下測(cè)定分離菌株的生長(zhǎng)曲線及最小抑菌濃度(minimal inhibitory concentration,MIC)[10],判斷菌株對(duì)Pb2+、Cd2+耐受性。
(1)重金屬原液配制:將CdCl2·2/3H2O、Pb(NO3)2分別溶于超純水中配制成Pb2+、Cd2+金屬原液。121 ℃滅菌20 min,4 ℃保存。
(2)設(shè)置Pb2+和Cd2+金屬培養(yǎng)液梯度為50、100、200和300 mg/L,同時(shí)設(shè)置一組不加重金屬的空白對(duì)照。每個(gè)質(zhì)量濃度設(shè)3個(gè)平行。將MRS液體培養(yǎng)基分裝到試管中,121 ℃滅菌20 min。冷卻至室溫后加入相應(yīng)濃度重金屬原液。
(3)分別移取3種菌株原液加入到液體培養(yǎng)基中,接種量1%(體積分?jǐn)?shù)),30 ℃搖床恒溫培養(yǎng)。
(4)培養(yǎng)一定時(shí)間后分別取樣,測(cè)定菌液樣品OD600值。
通過(guò)用EDTA洗脫細(xì)菌細(xì)胞表面吸附的重金屬,初步分析重金屬吸附率[11];洗脫后用HNO3溶液消解分析菌體內(nèi)重金屬積累量。
(1)配制100 mg/L Pb2+金屬培養(yǎng)液,設(shè)3個(gè)平行,測(cè)定初始質(zhì)量濃度ρ0。加入體積分?jǐn)?shù)1%菌體原液,30 ℃培養(yǎng)。
(2)將培養(yǎng)后的菌液混勻離心,取上清液到新離心管中,測(cè)定其質(zhì)量濃度(ρ)。
(3)向菌體沉淀樣品中加入5 mL EDTA洗脫液(0.5 mol/L,pH 8),混勻使充分洗脫后離心,移取洗脫液至新離心管中待測(cè)。重復(fù)此步驟4~5次,直至菌株表面金屬離子徹底洗脫。
(4)將洗脫后菌體沉淀放于80 ℃烘箱烘干至恒定質(zhì)量,稱(chēng)量菌體干質(zhì)量m干。向干燥菌體中加入4 mL 體積分?jǐn)?shù)60% HNO3溶液進(jìn)行消解,80 ℃水浴3 h;冷卻至室溫后加入500 μL H2O2,90 ℃水浴1 h。將消解液轉(zhuǎn)移到新離心管中,用1% HNO3溶液補(bǔ)足至5 mL[6]。測(cè)定其質(zhì)量濃度(ρ2)。
(5)將所有待測(cè)樣品用0.22 μm濾膜過(guò)濾后用原子吸收光譜儀(iCETM3300 AAS,美國(guó)Thermo Fisher)測(cè)定金屬離子質(zhì)量濃度。
(1)
(2)
式中:β,金屬離子去除率,%;ρ0,溶液初始金屬離子質(zhì)量濃度,mg/L;ρ,加菌培養(yǎng)后金屬離子質(zhì)量濃度,mg/L;ω,菌體內(nèi)金屬離子積累量,mg/g;ρ2,消解樣品金屬離子質(zhì)量濃度,mg/L;V,待測(cè)消解液體積,L;m干,菌體干質(zhì)量,g。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 24.0軟件進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA),對(duì)各菌株間去除率或積累量進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。
2.1.1 Alpha多樣性分析
高通量測(cè)序共獲得230 940條有效序列,其中10、20 d有效序列共87 374條,共劃分923個(gè)OTU;40 d為67 517條,共劃分624個(gè)OTU;120 d為76 049條,共劃分2 775個(gè)OTU。8個(gè)樣品Coverage都在0.995以上,說(shuō)明本次測(cè)序結(jié)果能較真實(shí)地反映微生物群落情況(表1)。2個(gè)發(fā)酵樣品120 d時(shí)Observed species、Shannon、Simpson和Chao1指數(shù)最高,而20 d時(shí)最低。表現(xiàn)出發(fā)酵時(shí)間越長(zhǎng)細(xì)菌群落多樣性越高的趨勢(shì),但是2種發(fā)酵樣品同一時(shí)段多樣性指數(shù)有所差異,說(shuō)明酵素樣品原料配比差異性會(huì)誘導(dǎo)細(xì)菌群落多樣性的不同。
2.1.2 酵素樣品細(xì)菌群落多樣性相對(duì)豐度分析
門(mén)水平細(xì)菌群落相對(duì)豐度分析結(jié)果如圖1-a。以厚壁菌門(mén)(Firmicutes)為主(豐度>57%),其次是變形菌門(mén)(Proteobacteria)(豐度<16.8%)。與其他時(shí)段相比,發(fā)酵20 d時(shí)厚壁菌門(mén)相對(duì)豐度最大為97.7%。發(fā)酵120 d時(shí)厚壁菌門(mén)相對(duì)豐度降至4個(gè)時(shí)段最低,為58.1%;此時(shí)變形菌門(mén)(16.6%~16.8%)、放線菌門(mén)(Actinobacteria)(4.9%~5.7%)等其他菌門(mén)相對(duì)豐度最大,細(xì)菌群落多樣性最高(表1)。

表1 酵素中細(xì)菌群落Alpha多樣性指數(shù)Table 1 The bacterial community Alpha diversity index of the Jiaosu samples
屬水平細(xì)菌群落相對(duì)豐度分析結(jié)果如圖1-b。2個(gè)樣品中菌群變化大致相同,其中乳酸桿菌屬(Lactocacillus)在4個(gè)發(fā)酵階段相對(duì)豐度均占優(yōu)勢(shì)(25.8%~70.9%),發(fā)酵20 d時(shí)豐度最高達(dá)70.9%。此外,發(fā)酵10~40 d時(shí)相對(duì)豐度較高的有魏斯氏菌屬(Weissella)(4%~36.2%)、片球菌屬(Pediococcus)(8.4%~25.4%)和明串珠菌屬(Leuconostoc)(1%~23.2%),120 d后3種菌屬相對(duì)豐度明顯下降。

a-門(mén)水平;b-屬水平圖1 細(xì)菌群落相對(duì)豐度分析Fig.1 Analysis of relative abundance of bacterial community
2.1.3 酵素樣品部分乳酸菌及致病菌不同時(shí)段相對(duì)豐度分析
為了解不同發(fā)酵時(shí)段種水平乳酸菌和大腸桿菌等的變化,進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)分析。酵素中部分乳酸菌和致病菌菌群相對(duì)豐度變化如圖2所示。2組樣品在發(fā)酵10 d時(shí)戊糖乳桿菌(Lactobacilluspentosus)和戊糖片球菌(P.pentosaceus)相對(duì)豐度分別為23%和18%,是優(yōu)勢(shì)乳酸菌。發(fā)酵20 d時(shí)戊糖乳桿菌豐度急劇上升至65.5%,而大腸桿菌(Escherichiacoli)豐度較初期(2.1%)急劇下降至0.14%。發(fā)酵40 d時(shí)戊糖乳桿菌和戊糖片球菌豐度急劇下降,而假腸膜明串珠菌(Leuconostocpseudomesenteroides)、棒狀乳桿菌(Lactobacilluscoryniformis)、干酪乳桿菌(Lactobacilluscasei)成為優(yōu)勢(shì)乳酸菌,3者共同豐度最高可達(dá)42.9%。隨著發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng)假腸膜明串珠菌豐度下降,到120 d時(shí)2種樣品中只剩棒狀乳桿菌和干酪乳桿菌。同時(shí),金黃色葡萄球菌數(shù)量逐漸增多。可見(jiàn)不同發(fā)酵時(shí)期種水平乳酸菌和致病菌相對(duì)豐度有明顯變化。

圖2 酵素中部分乳酸菌、致病菌菌群相對(duì)豐度變化Fig.2 Relative abundance of some lactic acid bacteria and pathogenic bacteria in Jiaosu
如圖3所示,2組酵素樣品在發(fā)酵120 d內(nèi)pH一直保持在酸性條件(pH<4.5)。且隨著發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng)pH緩慢增加。當(dāng)發(fā)酵10~20 d時(shí)pH值在3以下,而40~120 d時(shí)pH達(dá)3.5~4.05,同時(shí)乳酸菌和致病菌豐度也發(fā)生明顯變化(圖2)。發(fā)酵前20 d(pH 3.3)時(shí)乳酸菌豐度最高,致病菌豐度最低;發(fā)酵120 d(pH 4左右)時(shí)乳酸菌豐度減少且種群發(fā)生變化,致病菌有增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖3 酵素樣品AA、AB不同時(shí)段pH測(cè)定Fig.3 pH measurement of Jiaosu samples AA and AB in different periods
通過(guò)分離純化共得到39株菌種,包括32株乳酸桿菌(Lactobacillus)和7株片球菌(Pedicoccus)。將菌株16S rRNA序列與NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì),構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)如圖4。39株菌共聚類(lèi)分成6簇。類(lèi)群Ⅰ(17株)、Ⅱ(2株)、Ⅲ(8株)、Ⅳ(AB13)、Ⅴ(7株)和Ⅵ(4株)分別近緣于短乳桿菌(Lactobacillusbrevis)、布氏乳桿菌(L.buchneri)、戊糖乳桿菌(L.pentosus)、牛痘乳桿菌(L.vaccinostercus)、酒窖片球菌(Pediococuscellicola)和棒狀乳桿菌(L.coryniformis)。所有分離菌株與親緣菌的16S rRNA基因相似度均達(dá)99%以上。基本成功分離了不同發(fā)酵時(shí)段的關(guān)鍵乳酸菌。

圖4 基于菌株16S rRNA序列構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)Fig.4 Phylogenetic tree based on strain 16S rRNA sequence
選取發(fā)酵過(guò)程中主要菌群的3株代表菌:短乳桿菌AA1、戊糖乳桿菌AA11和酒窖片球菌AA12,測(cè)定其在MRS液體培養(yǎng)基(pH 6.5),重金屬Pb2+、Cd2+脅迫條件下的生長(zhǎng)曲線得出:3株菌在Pb2+脅迫條件下(圖5-a)表現(xiàn)出較強(qiáng)耐受性,在300 mg/L Pb2+條件下均生長(zhǎng)良好;而在50 mg/L Cd2+脅迫條件下(圖5-b)其生長(zhǎng)明顯受到抑制。將多次測(cè)定OD值沒(méi)有增長(zhǎng)變化的重金屬離子濃度作為MIC,可知:菌株AA1、AA11和AA12對(duì)Pb2+的MIC>300 mg/L;對(duì)Cd2+的MIC<100 mg/L。

a-Pb2+;b-Cd2+圖5 Pb2+、Cd2+脅迫條件下3株菌最高相對(duì)生長(zhǎng)量Fig.5 The maximum relative growth of 3 strains under Pb2+,Cd2+ stress
為進(jìn)一步了解分離菌株對(duì)重金屬Pb2+的吸附和積累特性,選擇發(fā)酵20 d時(shí)3株代表菌株AA1、AA11和AA12進(jìn)行Pb2+生物吸附及體內(nèi)積累量測(cè)定。根據(jù)最終濃度繪制3株菌對(duì)Pb2+的去除率和體內(nèi)積累量(圖6)。樣品初始Pb2+質(zhì)量濃度為98.73 mg/L,將菌株AA1、AA11和AA12對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期菌液離心得上清液質(zhì)量濃度分別為39.65、21.25和43.80 mg/L,得出對(duì)Pb2+去除率分別為59.84%、78.47%和55.63%。為分析細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)Pb2+積累量,洗脫菌體5次至Pb2+濃度在檢測(cè)線以下(≤1%)。洗脫細(xì)胞外重金屬后用HNO3溶液消解干菌體,最終得出3株菌體內(nèi)Pb2+積累量分別為1.59、2.13和1.36 mg/g(DW)。其中,菌株AA11對(duì)Pb2+的去除率和積累量明顯高于菌株AA1和AA12(P<0.05)。

圖6 三株代表菌對(duì)Pb2+的去除率和體內(nèi)積累量Fig.6 Removal rate and accumulation of Pb2+ by three representative strains 注:不同字母表示菌株間去除率或積累量差異顯著(P<0.05)
發(fā)酵成分有所差異的發(fā)酵液在發(fā)酵過(guò)程中總體細(xì)菌群落變化基本一致,說(shuō)明發(fā)酵成分對(duì)乳酸菌富集過(guò)程影響不大。但不同時(shí)段菌種發(fā)生明顯變化,當(dāng)發(fā)酵20 d時(shí)乳酸菌屬占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)(圖1),這與高慶超等[12]在黑果枸杞酵素發(fā)酵過(guò)程中的結(jié)果一致。此時(shí)戊糖乳桿菌(61.6%~65.2%)成為優(yōu)勢(shì)菌群,且群落結(jié)構(gòu)多樣性相較于其他3個(gè)時(shí)段最低,這可能是由于乳酸桿菌等乳酸菌產(chǎn)生的乳酸在抑制雜菌生長(zhǎng)的同時(shí),較強(qiáng)酸性生境條件(pH 3.2,圖3)富集了乳酸菌[13]。且該時(shí)段致病菌等雜菌明顯受到抑制(圖2),故為發(fā)酵最優(yōu)時(shí)段。戊糖乳桿菌生存環(huán)境pH 3左右時(shí)對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等有害菌的抑制效果最好[14];其他乳酸菌,如戊糖片球菌、短乳桿菌(L.brevisATCC 14869)、布氏乳桿菌、植物乳桿菌等均能抑制致病菌和菌毒素[15-21]。上述結(jié)果支持了本研究中關(guān)于發(fā)酵20 d是乳酸菌相對(duì)豐度占比最大時(shí)段且大腸桿菌等明顯受到抑制的現(xiàn)象。在發(fā)酵40~120 d時(shí)微生物多樣性明顯上升(圖1),其他菌群豐度增加,而戊糖乳桿菌和片球菌也被假腸膜明串珠菌、棒狀乳桿菌和干酪乳桿菌所取代且總體豐度降低(圖2)。這可能是由于發(fā)酵液pH上升(圖3),其他菌群開(kāi)始生長(zhǎng)并競(jìng)爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)物的能力比乳酸菌強(qiáng)且逐漸抑制其生長(zhǎng)所致。此階段大腸桿菌生長(zhǎng)持續(xù)被抑制,但金黃色葡萄球菌在發(fā)酵120 d時(shí)表現(xiàn)出生長(zhǎng)趨勢(shì)(圖2),說(shuō)明戊糖乳桿菌對(duì)致病菌的抑制作用比其他乳酸菌強(qiáng)。在重金屬耐性實(shí)驗(yàn)中,3株代表菌AA1、AA11、AA12在高濃度Pb2+脅迫條件下表現(xiàn)出較強(qiáng)耐受性。這與張利[22]分離的乳酸菌在Pb2+脅迫條件下MIC >400 mg/L結(jié)果相對(duì)應(yīng)。相比于Pb2+,3株菌對(duì)Cd2+耐受性表現(xiàn)較差(圖5),可能是由于Cd2+濃度過(guò)高導(dǎo)致細(xì)胞的微觀結(jié)構(gòu)受到破壞[23]。在吸附積累實(shí)驗(yàn)中,3株優(yōu)勢(shì)乳酸菌代表菌株均具有較好的Pb2+去除能力(>55.63%),其中戊糖乳桿菌AA11對(duì)Pb2+去除能力明顯強(qiáng)于短乳桿菌AA1和酒窖片球菌AA12(P<0.05)(圖6),表明乳酸菌菌種間有差異,且暗示了自制酵素具有較好的去除Pb2+的潛力。同時(shí)有研究表明乳酸桿菌主要通過(guò)其細(xì)胞壁表面的表層蛋白或官能團(tuán)吸附重金屬離子[24-26],穩(wěn)定性好[27]且對(duì)腸道Pb2+毒性有緩解作用[28]。
本文不僅研究了乳酸菌等有益菌群的動(dòng)態(tài)變化,還對(duì)大腸桿菌等致病菌群進(jìn)行了相對(duì)豐度分析;同時(shí)得出在發(fā)酵20 d時(shí)乳酸菌相對(duì)豐度最高且能抑制大腸桿菌等有害菌,是最適合的發(fā)酵期;戊糖乳桿菌作為優(yōu)勢(shì)乳酸菌對(duì)Pb2+具有較強(qiáng)的耐性和去除作用,在食品重金屬去除領(lǐng)域有潛在應(yīng)用價(jià)值。對(duì)于酵素在鉛污染環(huán)境中的實(shí)用性需進(jìn)一步探索。