近年来,随着人口的增长和生活水平的提高,对粮食的需求逐渐增加,石油农业暂时解决了粮食安全隐患,但导致了土壤污染,农残超标,面源污染等一系列环境问题,已经严重危害人体健康
[1]。面对当前集约化农业系统对气候和生态造成的风险,以及水体污染和化肥农药过度使用对食品安全构成的威胁,减少化学投入品和发展生态农业已越来越受到相关部门的重视
[2-3]。生态投入品在污染控制和资源循环上发挥着重要作用。在苜蓿青贮过程中,接种乳酸菌复合系可使乳酸菌快速繁殖,产生大量乳酸,使pH迅速降低,提高青贮成功率,改善青贮饲料的发酵品质
[4];在水稻秸秆发酵进程中接种复合菌系,可以有效促进低温发酵进程
[5]。接种菌剂可使有益菌群在发酵系统中迅速繁殖,占据优势生态位,从而提高发酵效率、缩短发酵周期,保证发酵的稳定性
[6-7]。然而复合菌系的培养和扩繁对于营养和环境的要求往往较为苛刻,这增加了生态产品的生产成本,限制了其在规模化生产中的应用。
农用酵素是一种富含有机酸、有益菌及天然植物激素等成分的酸性产物,目前已作为叶面肥、滴灌肥、生物农药和分解菌剂等广泛应用于生态农业生产,在建立良好的土壤微生态环境、促进植物生长等方面发挥重要的生态综合效应
[8-10]。由于主要以废弃果蔬为原料且制作工艺简单,农用酵素相比大多数菌剂具有极大的成本优势。但也因为对原料和制作工艺的要求低,在标准范围内,不同原料或方法制作的农用酵素在微生物群落和功能上有很大的差异
[11],导致农用酵素的品质不稳定。农用酵素作为添加剂时主要通过“酸菌协同”的机制来实现对目标微生物群落的改良和代谢的调控
[6,10],而这个过程有赖于乳酸、乙酸和乳酸菌的共同作用
[12-13]。因此,提高发酵过程中的乳酸、乙酸产量和乳酸菌丰度对于酵素的品质至关重要。MRS培养基是乳酸菌最常用的限制性培养基
[14],通过改良MRS培养基能够富集和筛选以乳酸菌为主的高效产酸菌系,可以作为提高酵素发酵品质的接种菌剂
[15]。但是合成培养基较高的成本限制了其在生产中的应用,寻找成本更低更易获取的天然材料进行替代是解决该问题的一种思路。且天然培养基有时更有利于菌株生长和代谢
[16-17]。在生产中,由于红糖成本低且富含碳源和矿物质而常被用于菌种扩繁,红糖成本远低于MRS培养基,具有大规模培养接种菌系的潜力,但是利用红糖作为培养基对于乳酸菌继代培养和筛选效果的研究尚未见报道。本研究通过改良MRS和红糖培养基的限制性继代培养筛选乳酸菌复合菌系并将这些菌系用于发酵接种,测定继代培养体系的pH和有机酸含量、复合菌系的微生物结构和多样性、接种后对发酵液细菌数量、理化性质和对尖孢镰刀菌(
Fusarium oxysporum)的抑制效果等指标,旨在开发低成本、高效率的农用酵素接种菌剂,并探明其作用效果,以期为农用酵素大规模生产的品质控制和工艺优化提供建议。
1 材料与方法
1.1 试验材料
本试验使用的农用酵素来自中国农业大学农学院生物质工程中心实验室,具体制作方法如下:从超市获取红糖和废弃水果,将红糖∶废弃水果∶自来水按照质量比1∶3∶10混合放于10 L发酵罐中,(25±2) ℃避光厌氧发酵90 d
[10],选取发酵品质良好的酵素作为接种物。
改良MRS培养基(C-MRS)配料为: 10 g红糖、2 g葡萄糖、1 g蛋白胨、0.5 g牛肉膏,0.4 g酵母粉、0.2 g柠檬酸三铵、0.5 g乙酸钠、0.2 g K
2HPO
4、0.02 g MgSO
4、0.005 g MnSO
4、0.1 mL吐温80、90 mL ddH
2O,115 ℃灭菌20 min;红糖培养基(HT)配料为:10 g红糖、90 mL ddH
2O,115 ℃灭菌20 min;PDA培养基按照Zhang等
[10]的方法配置。
1.2 试验方法
1.2.1 乳酸菌复合菌系的筛选
分别取18 mL C-MRS和HT培养液装入20 mL螺口离心管,再加入农用酵素接种物2 mL,于35 ℃静置培养。培养48 h后,按5%的接种量转接菌液至无菌培养基中继代培养,分别命名为C-MRS和HT处理,每个处理重复3次。培养20代后,留下具有pH下降迅速,乳酸比例高且相对稳定特征的培养体系,获取菌种组成稳定的培养物。C-MRS体系培养下的复合菌系命名为MLA 1,HT体系培养下的复合菌系命名为HLA 1。
1.2.2 复合菌系接种效果验证
为探究筛选出的2种菌系接种效果,以废弃的水果为原料,将其切成1~2 cm小段,填装至500 mL螺口瓶,分别接种1 mL的MLA l和HLA l复合菌系进行酵素发酵,2个发酵处理分别为M和H,35 ℃发酵15 d,以不接种复合菌系的处理作对照(CK),每个处理设3个重复。分别取第0、1、2、3、4、5、10、15 d的酵素液各2 mL置于5 mL离心管中,-20 ℃保存,用于后续测定。
1.2.3 不同处理酵素的抑菌作用
分别按照5%(
V∶V)的添加量加入M、H和CK的酵素液于灭菌后的PDA液体培养基中,培养15 d后接种尖孢镰刀菌(
Fusarium oxysporum),再培养7 d,以不添加酵素只接种尖孢镰刀菌的培养处理做空白对照(B)。采用倒平板法放于25 ℃培养箱中静置培养,每个处理设3组重复。培养第7天时,利用游标卡尺分别测量每个处理的病原菌生长直径。用以下公式计算出抑制率
[18]:
式中:为抑菌率,%;为对照抑菌圈直径,mm;为处理抑菌圈直径,mm。
1.2.4 理化性质分析
放入离心机以8 000 r/min离心15 min,取上清液用来测定pH、挥发性脂肪酸的含量,沉淀的pH测定使用瑞士Mettler Toledo公司的pH/Mv台式微量pH计。采用高效液相色谱法(HPLC)进行VFA测定,所用仪器为HPLC仪(日本,Shimadzu,LC-20A)。按照Cai等
[19]的方法测定。
1.2.5 高通量测序和Q-PCR荧光定量
该部分由上海派森诺生物有限公司完成,通过高通量测序测定农用酵素复合菌系第20代的微生物多样性。通过Q-PCR荧光定量检测相关数据和相应的标准曲线,计算出样品中细菌和乳酸菌16S rRNA基因拷贝数,个/μL;每个样品重复2次。
1.3 统计分析
基础数据处理和显著性差异分析使用Excel 2013和IBM SPSS v 19.0软件。高通量测序图谱采用派森诺云平台(中国,上海)数据分析软件分析。
2 结果与分析
2.1 乳酸菌复合菌系MLA 1和HLA 1的筛选
由
图1可知,在35 ℃筛选过程中,C-MRS和HT培养基的pH均在第二代迅速下降,第4代达到最低值,发酵至第10世代时pH趋于稳定,至20世代,C-MRS和HT培养体系的pH分别为3.34和3.39。HT终世代的pH均低于C-MRS(
P>0.05),C-MRS体系中乳酸、乙酸、挥发性有机酸(VFAs)浓度分别为37.9、10.4、64.1 g/L,HT中乳酸、乙酸、VFAs浓度分别是 25.4、9.9、45.8 g/L。相比之下,C-MRS的乳酸和VFAs浓度更高(
P<0.05)。所以,C-MRS在35 ℃筛选条件下表现出更高的乳酸和挥发性有机酸产量,且其pH稳定性优于HT。
由
图2和
图3可知,复合菌系 HLA 1的Chao、Faith和Shannon均显著高于复合菌系MLA 1(
P<0.05);HLA 1 含1 449个特有ASV/OTU,MLA 1含496种特有ASV/OTU,HLA 1的ASV/OTU显著高于MLA l(
P<0.05)(
图3(a))。HLA l主要为乳酸菌(
Lactobacillus)(丰度约81.52%)、醋酸杆菌(
Acetobacter)(约13.1%)和葡萄糖杆菌(
Gluconobacte)(约2.71%);MLA l中主要为86.27%的
Lactobacillus和13.55%的
Acetobacter (
图3(b))。
2.2 接种复合菌系对农用酵素发酵前期的pH、有机酸及微生物动态变化的影响
由
图4可知,接种HLA 1的培养体系(H)和接种MLA 1的培养体系(M)2个培养体系的初始 pH 低于自然发酵体系(CK),H、M和CK的pH 均在3 d内迅速下降。第4天,CK和H、M的pH分别在 3.2、2.9、2.8动态稳定,CK的pH显著低于H和M(
P<0.05)。M的pH略低于H。在发酵的第1天,各处理中乳酸、乙酸、甲酸含量相当,随后乳酸成为主要的VFA,乙酸次之,而随着发酵时间的增加,丁酸逐渐消失。CK组在第2天开始大量产生乳酸,而M和H均在第1天即开始迅速产乳酸,且产乳酸速率均显著高于CK。CK在第5天VFAs含量达到峰值,之后呈下降趋势,而M和H均在第10天达到峰值后维持稳定,第15天时CK、H和M的乳酸含量分别为5.08、17.88、20.06 g/L,CK的乳酸含量和在VFAs中的占比均低于H和M(
P<0.05),而H和M之间无显著差异。总之,接种HLA 1和MLA 1的培养体系相比自然发酵体系,pH下降更快,乳酸产生速率更高,且在发酵过程中维持了较高的VFAs含量。
由
图5可知,细菌和乳酸菌的含量均先升高后降低。发酵前5 d,CK、H、M酵素中细菌16S rRNA基因的拷贝数快速上升,均在第3天达到最高,拷贝数分别为5.48×10
6、3.53×10
6、2.07×10
6个/μL。细菌和乳酸菌
16S rRNA拷贝数均先上升后下降,最后拷贝数维持在10
5~10
6 个/μL。第15天时,CK、H、M酵素中的乳酸菌
16S rRNA的拷贝数分别约占细菌总量的14%、30%、26%。
2.3 不同处理的农用酵素对尖孢镰刀菌的抑制效果
由
表1可知,在7 d的抑菌试验中,不同处理的农用酵素对尖孢镰刀菌均有抑菌效果。M和H的抑菌率分别为46.8%和45.8%即M、H的抑菌率比CK高出15%以上(
P<0.05)。
3 讨论
为使复合菌系能在酵素规模化生产中得到应用,需要找到扩繁成本低的复合菌系,且需要有较好的产酸效果
[4]。C-MRS和HT处理的第10代生长过程中的pH和VFAs变化趋势一致,说明2种菌系有类似的主要代谢途径。2种培养体系下的pH差异不显著,而C-MRS处理的乳酸和总VFAs更多,说明C-MRS筛选的菌系产酸能力高于HT。C-MRS与HT培养基的不同在于C-MRS添加了有助于乳酸菌快速繁殖的 MRS 肉汤,HT的碳源仅为蔗糖,可能是由C-MRS提供了更全面的养分,有助于乳酸菌的富集。而微生物的α多样性结果也验证了这一点(
图2),MLA 1和HLA 1的coverage指数覆盖率均>99.7%,可以准确反映样本中细菌的真实情况。MLA 1和HLA 1均以乳酸菌(
Lactobacillus)和醋酸菌(
Acetobacter)为优势菌,而MLA 1的这2个属的丰度更高,专一性更强,在产酸速率和对酸的耐受上更具优势
[20];而HLA 1的微生物丰富度、均匀度和多样性更高,对环境的适应能力可能更强
[21]。
农用酵素发酵前期pH的迅速降低是决定发酵质量的重要因素
[11]。所有发酵体系的pH均随着发酵时间的增加逐渐降低直至动态稳定,而 MLA 1和HLA 1的pH下降速率高于CK,这可能是由于接种菌剂能帮助乳酸菌等占据优势地位,从而产酸速率更高pH降低更快,缩短了发酵时间;因此,HLA 1和MLA 1均具有快速降低发酵液pH的能力,但2种复合菌系差异较小。乳酸对于降低发酵液pH和抑制有害病菌等均有促进作用,是衡量酵素发酵品质的关建指标
[10]。3种处理的第1天的乳酸比例均较低,从第1天以后快速产生乳酸,这可能是由第1天发酵体系中残余空气,而乳酸菌在有氧环境下难以占据优势
[10],随着氧气被消耗,乳酸代谢途径占据主导,乳酸成为主要的VFA。而MLA 1和HLA 1的乳酸绝对浓度和在VFA中的浓度占比均高于CK,这说明MLA 1和HLA 1的接种强化了酵素发酵中的乳酸代谢途径。在微生物上,CK的细菌
16S rRNA基因拷贝数与MLA 1和HLA 1相当,但乳酸菌
16S rRNA拷贝数一直低于MLA 1和HLA 1,这说明接种有助于乳酸菌在酵素发酵体系中占据主导地位。而乳酸菌、乳酸和乙酸都是重要的抑菌成分
[22],最终MLA 1和HLA 1的这些成分含量均比CK更高,这也解释了H和M具有更高的抑菌率。虽然MLA 1的接种效果仍略优于HLA 1,但C-MRS所需的MRS培养基成本更高,相比之下HT所需的红糖廉价且易获取,二者成本相差数十倍。因此综合考虑成本和使用效果,HT在生产中更适合作为筛选酵素复合菌系的限制性培养基在生产中应用。
在限制性继代培养中,与HLA 1相比,MLA 1的乳酸菌丰度更高,也表现出更强的乳酸分泌能力和耐酸性,但在接种到农用酵素发酵体系中,二者的差距有所缩小。这可能是由于C-MRS培养基含有更全面的营养,维持了部分产酸能力强但环境适应力差的乳酸菌类群,这些类群在接种后由于不能适应复杂的环境而难以定植
[17],降低了MLA 1的接种效果。因此,工程菌系的筛选中,也需要考虑复合菌系能否在更复杂的环境中保持高效。而目前在发酵接种菌剂的研究中,还是以单一或组配菌占多数,在实际生产的复杂环境中发挥的作用较为有限。而从环境中分离具有特定功能或适应力的菌系往往有助于改善类似环境下的微生物群落
[23]。在筛选复合菌系过程中创造与应用场景更相似的环境,有助于提高复合菌系的抗逆性和接种后的产酸能力
[24-26],这类培养基的原料成本也往往更低。微生物群落组成往往因环境的不同存在差异
[27]。因此,在复合菌系的筛选中,基于应用环境优化培养基的成分是一个有助于降低菌剂成本提高抗逆性的思路。
4 结论
本研究以发酵优良的农用酵素作为原料,利用改良MRS(C-MRS)和红糖(HT)培养基对其进行限制性继代培养,筛选出2组产酸能力强、组成稳定的乳酸菌复合菌系MLA 1和HLA 1。其中,MLA 1的乳酸菌丰度比HLA 1高4.7%,在培养过程中展现出了更强的产酸和耐酸能力。2种复合菌系的接种均使酵素发酵过程的乳酸产量增加250%以上,乳酸菌在细菌中的占比达到25%以上,对尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)的抑菌率升高15%以上。此外,接种本研究筛选出的乳酸菌复合菌系能显著提升酵素发酵过程中乳酸菌拷贝数及乳酸和乙酸产量(P<0.05),从而提升酵素的抑菌效果。综上,MLA 1和HLA 1的接种均能提高酵素中的乳酸和乳酸菌的含量和酵素对Fusarium oxysporum的抑菌率,考虑到原料成本,红糖培养基更具有实用价值,HLA 1在生产中更容易获取,且接种效果与MLA 1接近,因而更具推广潜力。
十四五重点研发计划(2021YFD1901103)
三亚崖州湾科技城博士研究生科研创新基金(HSPHDSRF-2023-05-014)