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生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2014年第7期
生物表面活性剂(Biosurfactants,简称 BS)是
由酶或微生物等通过生物催化和生物合成等生物技
术,由植物、动物或微生物产生的集亲水基和憎水
基于一体的具有表面活性的代谢产物[1]。生物表面
活性剂包括糖脂类、脂肽和脂蛋白、脂肪酸和磷脂
类、高分子聚合物及微粒生物表面活性剂等不同种
类。与化学合成表面活性剂相比,生物表面活性剂
除具有降低表面张力、稳定乳化液和发泡功能外,
还具有良好的热稳定性和化学稳定性 ;乳化和破乳
能力强 ;无毒、用量少 ;与生态环境相容,能被微
生物完全降解等优良性能。因此,生物表面活性剂
在石油工业和环境工程中展示出独特的应用前景[2]。
刘五星等[3]分离得到一株醋酸钙不动杆菌,该菌具
有较强的乳化柴油的能力。有研究表明,用产生物
表面活性剂菌株的菌液直接进行石油污泥洗脱处理,
取得了很好的除油效果[4,5]。
收稿日期 : 2013-12-09
基金项目 :安徽省教育厅重点科研项目(KJ2012A006)
作者简介 :王睿,研究方向 :环境微生物 ;E-mail :569667242@qq.com
通讯作者 :吴涓,女,副教授,研究方向 :水污染控制 ;E-mail :wujuan@ustc.edu
一株生物表面活性剂产生菌的分离及产剂性能研究
王睿 吴涓
(安徽大学资源与环境工程学院,合肥 230601)
摘 要 : 利用蓝色凝胶平板筛选法进行筛选,从华北某油田受污染的土壤中分离出一株优良的生物表面活性剂产生菌 H1,
生理生化反应及 16S rDNA 序列分析结果表明,该菌属于克雷伯氏菌属(Klebsiella),与 Klebsiella pneumoniae 同源性为 99%。产剂
性能研究试验表明,以 4 g/L 的蔗糖为碳源,以 3 g/L 的硝酸铵为氮源,初始 pH 值为 7.0,30℃的培养条件有利于该生物表面活性
剂的合成。
关键词 : 生物表面活性剂 分离 表面张力 合成
Isolation of a Biosurfactant Producing Strain and Property Study
Wang Rui Wu Juan
(School of Resources and Environmental Engineering,Anhui University,Hefei 230601)
Abstract: A biosurfactant-producing strain H1 was screened with blue agar plat from polluted soil of an oil field in China. The
physiological and biochemical tests and phylogenetic analysis of 16S rDNA sequence showed the similarity of 99% between strain H1 and
Klebsiella pneumoniae. The experiments showed that strain H1 could grow well and produce more biosurfactant under the following conditions :
sucrose as carbon source, ammonium nitrate as nitrogen source, initial pH7.0 and 30℃ .
Key words: Biosurfactant Isolation Surface tension Production
目前国外主要在开发各类新型生物表面活性剂、
寻找最适合成条件,表面活性剂结构的剖析与改性,
以及室内驱油物理模拟等方面展开研究[6]。而国内
研究起步较晚,重点则主要集中在生物表面活性剂
产生菌的筛选和培养条件的优化等方面。张秋卓等[7]
研究了铜绿假单胞菌产鼠李糖脂的适宜条件。张翠
竹等[8]研究了地衣芽饱杆菌(Bacillus licheniformis)
产脂肽类生物表面活性剂的最适条件。
研究生物表面活性剂产生菌的生长规律,探讨
生物表面活性剂的特性及作用机理,对微生物采油
技术的改进和完善以及原油的驱油降黏具有十分重
要的理论和实际意义[9]。而目前国内外筛选出的生
物表面活性剂产生菌种类还不是十分丰富,且高效
菌比较少。本研究采用蓝色凝胶平板筛选法从某油
田受污染的土样中分离出一株具有较强产生物表面
活性剂能力的菌株,并对其进行分子生物学鉴定 ;
2014年第7期 157王睿等 :一株生物表面活性剂产生菌的分离及产剂性能研究
同时对该菌株合成生物表面活性剂的条件进行优化,
旨为今后的工业化应用奠定基础。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 样品来源 华北某油田受污染的土样。
1.1.2 富集培养基(g/L) (NH4)2SO4 5.0,葡萄糖
2.0,KCl 1.1,NaCl 1.1,FeSO4 0.028,KH2PO4 1.5,
K2HPO4 1.5,MgSO4 0.5,酵母粉 0.5。微量元素溶液
5 mL,液体石蜡 0.5 mL,蒸馏水 1 000 mL。
1.1.3 蓝色凝胶培养基(g/L) 牛肉膏 1.0,葡萄糖
20.0,蛋白胨 5.0,酵母粉 0.2,C16H33N(CH3)3Br 0.2,
C16H18ClN3S 0.005,琼脂 20。蒸馏水 1 000 mL。
1.1.4 发酵培养基(g/L) 葡萄糖 2.0,(NH4)2SO4
5.0,KCl 1.1,NaCl 1.1,FeSO4 0.028,KH2PO4 1.5,
K2HPO4 1.5,MgSO4 0.5,酵母粉 0.5。液体石蜡 0.5
mL,微量元素溶液 5 mL。
1.2 生物表面活性剂产生菌的筛选与鉴定
1.2.1 筛选 称取样品 10 g,加入 90 mL 无菌水,
150 r/min 摇 床 振 荡 1 h, 静 置 30 min 后 取 上 清 液
10 mL 接种到 100 mL 已灭菌的富集培养集中,于
35℃、150 r/min 的恒温摇床上振荡培养 3 d。在同样
条件下进行二次培养。取二次富集培养的培养液 1
mL,用无菌水进行梯度稀释,取不同浓度梯度的富
集培养液,均匀涂布在蓝色凝胶培养基上,于 35℃
下恒温培养 3 d。挑选蓝色凝胶平板上蓝色晕圈较大
的菌落,进一步纯化,得到初筛菌株[10-12]。将初筛
菌株接种至发酵培养基中,于 35℃、150 r/min 条件
下培养 3 d。测定发酵液的表面张力,筛选出产生物
表面活性剂的优势菌种。
1.2.2 表面张力的测定方法 将发酵液过滤除油,
12 000 r/min 离心 20 min,取上清液,采用 JZHY 1-180
型界面张力仪测定其表面张力。
1.2.3 菌株的生理生化性质测定 参照《简明第八
版伯杰细菌鉴定手册》、《常见细菌系统鉴定手册》
对菌株 H1 进行生理生化性质的测定。采用 DNA 快
速提取试剂盒提取降解菌的 DNA,对提取的 DNA 进
行 16S rDNA 的 PCR 扩增,引物为通用引物 :正向
引 物 F27(+)5-AGTTTGATCMTGGCTCAG-3, 反
向引物 R1492(-)5-GGTTACCTTGTTACGACTT-3。
将 PCR 扩增产物进行 1% 的琼脂糖凝胶电泳后,由
上海生物工程技术服务有限公司进行 16S rRNA 测
序,将所测序列在 GenBank 核酸序列数据库中与已
有的其他 16S rRNA 序列数据进行同源性分析,并构
建系统发育树。
1.2.4 发酵条件的优化 在发酵液表面张力为指标,
以发酵培养基为基础,分别考察碳氮源种类、碳氮
源浓度、初始 pH 值及温度对生物表面活性剂合成
的影响。
2 结果
2.1 生物表面活性剂产生菌的筛选鉴定
从华北某油田受污染的土样中分离得到 1 株产
生物表面活性剂的能力较强的菌株 H1。由图 1 可见,
有蓝色晕圈的单菌落即为目标菌株,其菌落特征是:
扁平、圆形、表面光滑。该菌株为革兰氏阳性菌。
该菌株的生理生化特征,见表 1。
图 1 菌落形态
经 PCR 扩增后,菌株 H1 的 16S rDNA 片段长约
1 440 bp,经 BLAST 比对后发现该菌株与 Klebsiella
pneumoniae 同源性为 99%。使用 MEGA5 软件构建
系统发育树,结果如图 2 所示。结合形态学特征、
生理生化特征和 BLAST 不比对分析,菌株 H1 可鉴
定为肺炎克雷伯氏菌。
表 1 菌株 H1 的生理生化特性
检测项目 结果 检测项目 结果
甲基红试验 - 革兰氏染色 -
乙酰甲基甲醇 - 吲哚实验 -
明胶液化试验 - 柠檬酸盐试验 +
淀粉水解试验 - 过氧化氢酶试验 +
产硫化氢试验 + 苯丙氨酸脱氢酶试验 -
酪氨酸水解试验 - 硝酸盐还原试验 +
“+ ”表示反应阳性 ;“- ”表示反应阴性
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2014年第7期158
2.2 产剂性能研究
2.2.1 碳源对生物表面活性剂合成的影响 碳源提
供细胞生长繁殖所需要的能量,为细胞和代谢产物
提供物质基础。试验以发酵培养基为基础,分别以
葡萄糖、蔗糖、果糖、麦芽糖、淀粉、正十二烷为
碳源,在 30℃,150 r/min 条件下发酵培养,分别测
定培养液的 OD 值和表面张力。由图 3 可见,当碳
源为水溶性碳源时,细胞生长良好,除蔗糖外,其
他几种碳源对细胞的生长及发酵液表面张力的影响
大体相同。而采用正十二烷为碳源时,OD 值很低,
且培养液表面张力也很大。而以蔗糖为碳源时,细
胞生长良好,且培养液的表面张力最小,应为最适
碳源。
以蔗糖为唯一碳源,其他条件不变,考察不同
蔗糖浓度对菌株 H1 合成生物表面活性剂的影响。
由图 4 可见,当蔗糖浓度从 0 g/L 逐渐增大到 4 g/L 时,
发酵液的表面张力逐渐降低,且在蔗糖浓度为 4 g/L
时其表面张力值最低。由此表明,蔗糖浓度过高对
生物表面活性剂的合成起到了抑制作用。
2.2.2 氮源对生物表面活性剂合成的影响 氮源是
HQ204284.2 Bacterium LC55S 16S ribosomal RNA gene partial sequence
HQ204309.1 Bacterium LA3E 16S ribosomal RNA gene partial sequence
HQ204316.1 Bacterium PG122E 16S ribosomal RNA gene partial sequence
HQ288920.1 Klebsiella pneumoniae strain A18 16S ribosomal RNA gene partial sequence
U31076.1 Klebsiella sp. strain zmvsy 16S ribosomal RNA gene partial sequence
HQ204308.1 Bacterium LZ87E 16S ribosomal RNA gene partial sequence
AB680060.1 Klebsiella pneumoniae gene for 16S rRNA partial sequence strain: NBRC 3319
AB244431.1 Klebsiella sp. A18-1 gene for 16S rRNA partial sequence strain: A18-1
AB368777.1 Klebsiella pneumoniae gene for 16S rRNA partial sequence
H1
JN848784.1 Klebsiella pneumoniae strain HUB-IV-004 16S ribosomal RNA gene partial sequence
HQ407284.1 Klebsiella variicola strain C109 16S ribosomal RNA gene partial sequence
gi|499528166|emb|CC174526.1| unnamed protein product Klebsiella pneumoniae
FJ600359.1 Klebsiella sp. BJQ-A4 16S ribosomal RNA gene partial sequence
JN036433.1 Klebsiella sp. enrichment culture clone M1 16S ribosomal RNA gene partial sequence
JX276780.1 Klebsiella pneumoniae strain CICR-GV5 16S ribosomal RNA gene partial sequence
AB680431.1 Klebsiella pneumoniae gene for 16S rRNA partial sequence strain: NBRC 13541
JX968498.1 Klebsiella variicola strain DPMH 16S ribosomal RNA gene partial sequence
JF513172.1 Klebsiella pneumoniae strain S751R 16S ribosomal RNA gene partial sequence
0.2
33
18
6
13
20
22
100
100
17
31
100
100
25
13
10
16
49
图 2 菌株 H1 的 16S rDNA 系统发育树
glucose fructosen-dodeca
ne sucrosesoluble s
tarch maltose
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6 OD660
Surface tensionmN/m
Carbon source
O
D
66
0
28
30
32
34
36
38
40
Su
rf
ac
e
te
ns
io
nmN/m
图 3 碳源种类对菌株 H1 培养液表面张力的影响
0 1 2 3 4 5
30
40
50
60
70
Su
rf
ac
e
te
ns
io
nmN/m
Concentration of sucroseg/L
图 4 蔗糖浓度对菌株 H1 培养液表面张力的影响
2014年第7期 159王睿等 :一株生物表面活性剂产生菌的分离及产剂性能研究
细胞生长过程中蛋白质和核酸等生物大分子中氮元
素的来源,对微生物的生长发育和生物表面活性剂
的合成起重要作用。试验以发酵培养基为基础,以
蔗糖为碳源,分别以尿素、硝酸铵、蛋白胨、硫酸铵、
硝酸钠为氮源,于 30℃,150 r/min 下恒温振荡培养,
分别测定培养液的 OD 值和表面张力。由图 5 可见,
采用硝酸铵做氮源时,细胞生长良好,仅次于蛋白胨,
培养液的表面张力是最低的,而其他氮源均不利于
生物表面活性剂的合成。由此可见,蛋白胨虽然由
于营养较为丰富,能促进细胞的生长,但对生物表
面活性剂的合成来说它并不是最适氮源,最适氮源
为硝酸铵。
时,培养液的表面张力值显著增大,并且细胞的生
长也并非最佳状态。因此,控制培养基 pH 值在 7.0
将有利于生物表面活性剂的合成。
pepton
e
ammon
ium su
lfate
ammon
ium ni
trate urea
sodium
nitrite
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
OD660
Surface tensionmN/m
Nitrogen source
O
D
66
0
26
27
28
29
30
S
ur
fa
ce
te
ns
io
nmN/m
图 5 氮源种类对菌株 H1 培养液表面张力的影响
以硝酸铵为唯一氮源,考察不同硝酸铵浓度对
菌株 H1 合成生物表面活性剂的影响。由图 6 可知,
当硝酸铵浓度逐渐增大时,发酵液的表面张力值呈
先减小后增大的趋势,并且在硝酸铵浓度为 3 g/L 时
其表面张力值最低,硝酸铵浓度大于 3 g/L 时,发酵
液表面张力值值反而增大,因此应将硝酸铵浓度选
择为 3 g/L。
2.2.3 pH 值对生物表面活性剂合成的影响 微生物
在过酸和过碱的条件下生长状况都不佳。以发酵培
养基为基础,以蔗糖为碳源,以硝酸铵为氮源,将
菌株 H1 接种于不同初始 pH 值的培养基中,30℃,
150 r/min 下恒温振荡培养,所测定的培养液 OD 值
及表面张力值,如图 7 所示。不同 pH 值条件下的
培养液的表面张力值不同,当培养液 pH 值从 6.0 增
大至 7.0 时,其表面张力值略有下降 ;当培养液 pH
值为 7.0 时,其表面张力值最低;而当 pH 值大于 7.0
0 1 2 3 4
20
30
40
50
60
70
Concentration of ammonium nitrateg/LSurface tensionmN/m
图 6 硝酸铵浓度对生物表面活性剂表面张力的影响
6.0 6.5 7.0 7.5 8.0
1.44
1.46
1.48
1.50
1.52
1.54
1.56
1.58
1.60
OD660
Surface tensionmN/m
Solution pH
O
D
66
0
25
26
27
28
29
30
Su
rf
ac
e
te
ns
io
nmN/m
图 7 pH 值对菌株 H1 培养液表面张力的影响
2.2.4 温度对生物表面活性剂合成的影响 温度也
是影响微生物产表面活性剂的重要影响因素之一,
微生物的生长和生物表面活性剂的合成是在各种酶
催化下进行的,而温度是保证酶活的首要条件。以
蔗糖为碳源,以硝酸铵为氮源,将菌株 H1 接种于
pH7.0 的发酵培养基中,分别于 20℃、30℃、35℃、
40℃、50℃下 150 r/min 振荡培养。图 8 表明,当温
度从 20℃升高到 40℃时 OD 值缓慢下降,其后当温
度升高到 50℃时,OD 值急剧下降,可见高温不利
于该微生物的生长代谢。而随着温度升高,培养液
的表面张力值则表现出先减小后增大的趋势,当温
度为 30℃时表面张力值最低,此后表面张力值显著
增大。显然,30℃的培养温度有利于生物表面活性
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2014年第7期160
剂的合成。 育所需要的能量 ;氮源是合成原生质和细胞其它结
构的原料,对微生物的生长发育和稳定生长起重要
作用[14]。在本试验中最适碳源为蔗糖,最适氮源为
硝酸铵。在所考察的因素中,环境 pH 值和培养温
度对生物表面活性剂的合成也非常重要。一般认为
初始 pH 值控制在 6.5-8.5 范围内有利于生物表面活
性剂的合成[15]。本试验中合成生物表面活性剂的最
适 pH 值是 7.0。高小朋等[16]从受石油污染的土壤
中筛选得到 1 株生物表面活性剂产生菌 CT-6,优化
试验表明该菌产表面活性剂的最适 pH 值是 8.0。介
质 pH 会影响细胞膜电荷的变化,从而影响微生物
对营养物质的吸收,进而影响微生物的生长。在过
高或过低的 pH 条件下,微生物生长状态不佳,就
会影响到表面活性剂的合成,因为表面活性剂是次
生代谢产物。培养温度对于微生物的生长和发酵产
物的合成影响也较大,适宜的温度不仅有利于细胞
的生长,也利于发酵产物的积累[17]。但不同的菌种
产表面活性剂时对温度的要求不一样。本试验所筛
菌株产表面活性剂的最适温度是 30℃,而刘畅等[18]
从自然腐烂的秸秆中筛选到 1 株表面活性剂产生菌
B-17,该菌产表面活性剂的最适温度是 20℃。
本研究通过对生物表面活性剂产生菌的筛选、
鉴定,以及影响生物表面活性剂合成的因素的研究,
为生物表面活性剂的合成提供了新的菌源,也为提
高生物表面活性剂的合成能力提供了科学依据,从
而为新型表面活性剂的开发和应用奠定了基础。
4 结论
本研究采用蓝色凝胶平板筛选法,从华北某
油田受污染的土壤中筛选到一株产生物表面活性剂
的菌株 H1,经 16S rDNA 分析鉴定为肺炎克雷伯氏
菌(Klebsiella pneumoniae)。该菌株能使培养液表面
张力降低 60% 以上。同时考察了碳氮源种类、初始
pH 值、温度等因素对菌株 H1 生长和合成生物表面
活性剂能力的影响,结果表明,其最适碳源为蔗糖,
最适氮源为硝酸铵,且初始 pH 值为 7.0,培养温度
为 30℃对该生物表面活性剂的合成是最有利的。
参 考 文 献
[1]Youssef NH, Duncan KE, Nagle DP, et al. Comparison of methods
20 25 30 35 40 45 50
0.3
0.6
0.9
1.2
1.5
1.8
2.1 OD660
Surface tensionmN/m
O
D
66
0
26
28
30
32
34
Su
rf
ac
e
te
ns
io
nmN/m
Culture temperatureć
图 8 培养温度对菌株 H1 培养液表面张力的影响
3 讨论
生物表面活性剂由于其良好的表面活性及环境
良好性,受到广泛关注。迄今为止,国内外已筛选
出一些能够产生生物表面活性剂的纯菌株,但种类
不多,目前报道能够产生生物表面活性剂的菌属有
假单胞菌属、红球菌属和芽孢杆菌属等。本研究从
华北某油田受污染的土样中筛选到一株产生物表面
活性剂的菌株 H1,经 16S rDNA 分析鉴定为肺炎克
雷伯氏菌(Klebsiella pneumoniae)。菌株 H1 能使培
养液表面张力降低 60% 以上,表明该菌株具有较强
的产生物表面活性剂的能力。
在筛选生物表面活性剂产生菌时,通常是采用
溶血圈法[13],但溶血圈不规则,而且血液成分较复
杂,其中一些成分或杂菌也会产生类似的溶血圈,
给筛选带来干扰。本研究在筛选时利用蓝色凝胶培
养基,微生物合成的表面活性剂能够在不易染菌的
蓝色凝胶培养基上产生深蓝色晕圈,更容易观察判
断,也使得筛选结果更具准确性。
目前,生物表面活性剂主要通过微生物发酵法
合成,其种类和产量取决于产生菌的种类和培养条
件。虽然生物表面活性剂具有生物可降解性、更强
的表 / 界面活性和热稳定性,但其产量低、成本高,
使其推广应用受到限制。本研究考察了碳氮源种
类、碳氮源浓度、初始 pH 值、温度等因素对菌株
H1 生长和合成生物表面活性剂能力的影响,旨在寻
求该生物表面活性剂的最适合成条件。碳源为细胞
和代谢产物中的碳提供来源,并供给微生物生长发
2014年第7期 161王睿等 :一株生物表面活性剂产生菌的分离及产剂性能研究
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(责任编辑 李楠)