中藥渣降解菌株的篩選與鑒定

朱彭玲　王蘭英　彭梅芳　楊麗　柏曉林　王露瑤　胡昌江

摘要 ［目的］分離篩選中藥渣高效纖維素降解菌，并進行纖維素酶酶活的測定，以提高藥渣附加值。［方法］將中藥渣腐解物及長期堆放藥渣的土壤樣本放置于赫奇遜培養基中富集培養，分離純化出以藥渣為唯一碳源的菌株，將得到的菌株采用剛果紅平板法進行初篩，測定菌株濾紙酶（FPA）、外切β-葡聚糖酶（CBH）、內切β-葡聚糖酶（CMC）、β-葡萄糖苷酶（CB）等酶活進行復篩，通過形態學、生理生化、16S rDNA序列分析進行菌株鑒定。［結果］篩選到1株纖維素酶產生較好的纖維素降解菌株YZ25，其FPA酶活25.073 U/mL、CMC酶活24.978 U/mL、CBH酶活58.452 U/mL、CB酶活37.202 U/mL，經鑒定菌株YZ25為枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）。［結論］該研究豐富了藥渣類纖維素降解菌株資源庫，應用前景良好，對研究開發中藥渣功能性生物有機肥料具有實際意義。

關鍵詞 中藥渣；纖維素降解菌株；枯草芽孢桿菌；篩選；鑒定

中圖分類號 S 144文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2023）15-0154-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.15.038

Screening and Identification of Degradation Strains of Traditional Chinese Medicine Residue

ZHU Peng-ling1， WANG Lan-ying2， PENG Mei-fang2 et al

（1.Sichuan New Green Pharmaceutical Technology Development Co.， Ltd.， Pengzhou，Sichuan 611930; 2.Biotechnology and Nuclear Technology Research Institute，Sichuan Academy of Agricultural Sciences，Chengdu，Sichuan 610061）

Abstract ［Objective］To isolate and screen the high-efficiency cellulose degrading bacteria from traditional Chinese medicine residue， and to determine the cellulase activity in order to improve the added value of traditional Chinese medicine residue. ［Method］The decomposition products of traditional Chinese medicine residues and soil samples piled up with drug residues for a long time were enriched and cultured in Hutchison medium， and the strains with drug residues as the only carbon source were isolated and purified. The obtained strains were primary screened by Congo red plate method， secondary screening by determine the strains filter paper activity， exo-β-glucanase activity， endo-β-glucanase activity and glucosidase activity. The strains were identified by morphology， physiology and biochemistry， 16S rDNA sequence analysis.［Result］One cellulose degrading strain YZ25 with good cellulase production was screened， with FPA enzyme activity of 25.073 U/mL， CMC enzyme activity of 24.978 U/mL， CBH enzyme activity of 58.452 U/mL， and CB enzyme activity of 37.202 U/mL. The strain YZ25 was identified as Bacillus subtilis.［Conclusion］ This study enriches the resource pool of cellulose degrading strains from drug residues and has a good application prospect， which has practical significance for the research and development of functional biological organic fertilizer from traditional Chinese medicine residue.

Key words Traditional Chinese medicine residue;Cellulose degrading strain;Bacillus subtilis;Screening;Identification

中醫藥是中華民族的瑰寶，隨著國家多項促進中醫藥產業快速發展舉措推進，中醫對“未病先防、既病防變、病后防復”等理念的推廣，及人們對健康保健重視程度的提升，中藥材市場規模增長迅速。中藥渣的排放量不容忽視，據統計，每年產生的藥渣固體廢物約有3 500萬t［1］。中藥渣大部分為植物類，含有粗纖維、粗脂肪、淀粉、多糖、蛋白質、氨基酸、氮、磷、鉀等成分［2］，大部分中藥渣都采用堆放、焚燒、填埋等傳統方法處理，導致嚴重的資源浪費和環境污染。同時，中藥渣富含纖維素、木質素類物質，阻礙了中藥渣的再利用。目前針對藥渣微生物降解菌株研究較少，曾飛等［3］對甘草藥渣降解菌進行了篩選，選育到草酸青霉 G2，其濾紙酶活力3.43 U/mL、內切酶活力16.89 U/mL；吳清華等［4］對虎杖藥渣纖維素降解菌進行篩選，初篩得到活性差異較大的纖維素降解菌7種。李婉云等［5］在藥用植物根區使用羧甲基纖維素鈉培養基初篩及玉米秸稈、甘草藥渣固態培養基復篩，篩選到2株濾紙纖維素酶木霉菌菌株。郭建軍等［6］對藥渣纖維素降解菌進行了篩選，得到菌株在以藥渣為底物發酵時的纖維素酶內切酶酶活最高為93.32 U/mL，外切酶酶活最高為18.77 U/mL，β-葡萄糖苷酶酶活最高為5.71 U/mL。由于中藥材常用品種有441味，其藥渣成分復雜，菌株應用效果不穩定，還需要針對不同的品種進行微生物降解菌株篩選。中藥材大部分為植物類，該類中藥材又分為根莖類、全草類、葉類、皮類、花類、果實類。該研究針對黨參、川芎、澤瀉、白芍、大黃、使君子、貫眾等具有代表性的中藥材根莖類中藥渣品種，進行中藥渣降解菌的篩選，考察菌株對該類藥渣的發酵效率，以期將所篩選的菌株應用到根莖類中藥渣處理中，解決大量中藥渣資源化問題。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 樣品。中藥渣腐解物及長期堆放藥渣的土壤樣本來源于四川新綠色藥業科技發展有限公司，保存于4 ℃冰箱備用。

1.1.2 培養基。赫奇遜培養基：K2HPO4 1.0 g，NaCl 0.1 g，MgSO4·7H2O 0.3 g，CaCl2 0.1 g，FeCl3 0.01 g，NaNO3 2.5 g，水1 L，pH 7.0。纖維素剛果紅培養基：CMC-Na 15.0 g，KH2PO4 1.0 g，MgSO4 ·7H2O 0.5 g，（NH4）2SO4 2.0 g，剛果紅0.2 g，NaCl 0.5 g，瓊脂20 g，水1 000 mL，pH 7.0。LB培養基：胰蛋白胨10.0 g，酵母提取物5.0 g，NaCl 10.0 g，瓊脂15.0 g，水1 000 mL，pH 7.0，1×105 Pa滅菌30 min。PDA培養基：馬鈴薯200 g，蔗糖20 g，瓊脂15.0 g，水1 000 mL，pH自然。

1.2 試驗方法

1.2.1 菌株富集、分離。分別稱取藥渣或土壤樣品10 g，加入90 mL添加15 g新鮮藥渣的赫奇遜液體培養基中，30 ℃ 150 r/min振蕩富集培養7 d。取1 mL培養液進行梯度稀釋，涂布于添加15 g CMC-Na的赫奇遜固體培養基上，30 ℃ 倒置連續觀察培養1～7 d，每天連續觀察，選取不同形態的菌落分別在LB培養基和PDA培養基上進行劃線分離純化培養。

1.2.2 菌株初篩。將分離純化后的菌株，采用點種法接種到纖維素剛果紅固體培養基上，觀察平板上有無透明圈，挑取透明圈較大的菌株，測定透明圈直徑（D）與菌落直徑（d）的比值（D/d），根據比值大小初步判定纖維素降解能力的大小，并將篩選到的菌株接種到對應的斜面培養基上，30 ℃培養1～5 d，保存備用。

1.2.3 菌株復篩。

將初篩得到的菌株分別接入添加15 g新鮮藥渣的赫奇遜液體培養基中，30 ℃振蕩培養1～7 d，發酵液于4 ℃、10 000 r/min離心5 min，取上清液為粗酶液。

酶活測定：①濾紙酶（FPA）酶活的測定［7］。在試管（含空白）中加入1.5 mL 0.05 mol/L pH 4.5的檸檬酸緩沖液及濾紙條50 mg，置于50 ℃水浴中預熱5 min，加入0.5 mL稀釋酶液（空白不加），50 ℃水浴保溫1 h后取出，立即向各管加入1.5 mL DNS試劑，并在空白中加入稀釋酶液0.5 mL，搖勻后將全部試管同時放入沸水中加熱10 min后取出，迅速冷卻至室溫，定容至10 mL，520 nm波長下測OD值。②外切β-葡聚糖酶（CBH）酶活的測定［8］。在試管中加入1.5 mL 0.05 mol/L pH 5.0的檸檬酸緩沖液及脫脂棉0.1 g，置于45 ℃水浴中預熱5 min，加入0.5 mL稀釋酶液，45 ℃水浴保溫24 h后取出，顯色過程及對照同FPA酶活測定，520 nm波長下測OD值。③內切β-葡聚糖酶（CMC）酶活測定［8］。在試管中加入1.5 mL 1％CMC檸檬酸緩沖液，預熱5 min后，加入0.5 mL稀釋酶液，45 ℃水浴保溫30 min后取出，顯色過程及對照同FPA酶活測定，520 nm波長下測OD值。④β-葡萄糖苷酶（CB）酶活的測定［9］。在試管中加入1.5 mL 0.5％水楊苷檸檬酸緩沖液，預熱5 min后，加入0.5 mL稀釋好的酶液，50 ℃水浴保溫30 min后取出，顯色過程及對照同FPA酶活測定，520 nm波長下測OD值。

1.2.4 菌株鑒定。

形態鑒定和生理生化特性研究參考文獻［10］。使用基因DNA提取試劑盒（Thermo Fisher）進行DNA提取，采用16S rDNA通用引物27F（5′-AGAGTTTGATCATGGCTCAG-3′）、1492R（5′-TAGGGTTACCTTGTTACGACTT-3′）對菌株進行16S擴增。PCR反應條件：95 ℃ 5 min，95 ℃45 s，57 ℃ 30 s，72 ℃ 1 min，循環30次，72 ℃延伸10 min。產物由生工生物工程（上海）股份有限公司進行測序，將測序結果在NCBI進行Blast比對同源系列，使用MEGA軟件，構建系統發育樹，結合菌株形態學、生理生化特征確定菌株名稱。

2 結果與分析

2.1 菌株初篩

在藥渣和土壤樣品中，通過富集培養，從分離純化的26株菌株中篩選到4株具有藥渣纖維降解的菌株，分別命名為YZ9、YZ17、YZ22、YZ25。將菌株分別接種到纖維素剛果紅培養基上，測定透明圈直徑與菌落直徑比值大小，其值分別為1.47、1.32、1.65、2.70（表1），表明菌株具有較好的纖維素降解能力。

2.2 菌株復篩

將初篩獲得的4株菌株進行復篩，對菌株的FPA、CMC、CBH、CB酶活進行測定，結果表明（表2），菌株YZ25的FPA酶活、CMC酶活、CBH酶活、CB酶活均最高，分別為25.073、24.978、58.452、37.202 U/mL，根據復篩結果，選取菌株YZ25進行了菌株鑒定。

2.3 菌株鑒定

2.3.1 形態鑒定。

菌株YZ25，革蘭氏陽性，兼性厭氧，桿狀，產芽孢，在LB培養基上培養24 h后，菌落乳白色，光滑，表面濕潤，不透明，邊緣不規則。

2.3.2 生理生化特性。

由表3可知，菌株YZ25甘露醇產酸陰性，在2%、5%、7%、10%NaCl生長陽性，在30、40、50 ℃生長陽性。

2.3.3 序列分析。

在NIBI數據庫進行Blast同源性比較，結果顯示（圖1），菌株YZ25與枯草芽孢桿菌（KX960108.1 Bacillus subtilis）同源性最高。結合形態學分析和生理生化特征結果，確定菌株YZ25為枯草芽孢桿菌。

3 討論

隨著國家《“十四五”中醫藥發展規劃》等一系列促進中醫藥發展政策出臺及中醫藥特色醫養結合需求量增加［11］，中藥渣的資源化利用將成為產業發展及環境保護的迫切需求，利用中藥渣開發生物有機肥是提高其附加值的一種手段。目前，中藥渣降解菌生物資源篩選報道不多，主要集中在虎杖、甘草、黃芪、木薯、丹參等藥材［3-4，12-14］，涉及范圍有限，而中藥渣品種豐富，含有豐富的營養物質，能夠促進作物生長［15-17］，且藥渣中還含有約30%的藥用成分［18］，覆蓋大量抑菌［19］和驅蟲、殺蟲［20］的藥效成分，部分已證實能有效應用于農作物［19-21］，這些功效成分都有待開發應用。該研究從提高中藥渣附加值的角度出發，篩選藥渣纖維素降解菌，將藥渣轉化為作物可利用資源，對實現經濟的可持續發展、保護環境起到了積極作用，為后續中藥渣功能性生物有機肥的開發打下了基礎。

4 結論

該研究從中藥渣腐解物及長期堆放藥渣的土壤樣本中篩選到1株纖維素酶產生較好的纖維素降解菌株YZ25，豐富了纖維素降解菌株資源庫，應用前景良好，對研究開發中藥渣功能性生物有機肥料具有實際意義。

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基金項目 成都市重點研發支撐計劃（2021-YF05-02126-SN）。

作者簡介 朱彭玲（1981—），女，四川成都人，助理研究員，碩士，從事應用微生物研究開發工作。

*通信作者，教授，從事中藥材研究開發工作。

收稿日期 2022-06-27