基本信息
- 项目名称：
- 航天突变株黑曲霉ZM-8的筛选及其产纤维素酶的工艺参数优化
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本实验是国家科技支撑计划项目“西北内陆灌区农田循环生产技术集成研究与示范”（项目编号：2007BAD89B17）的部分研究成果。利用本地区中国西部航天育种基地的便利条件，对天水师范学院生命科学与化学学院微生物实验室保存的一株具有较高性价比的黑曲霉菌株进行了诱变，旨在通过空间特殊环境条件对其产生的变异，筛选出一株具有高纤维素酶活的优良菌株，从而提高对当地资源丰富的玉米秸秆的生物转化率，为生产高蛋白饲料奠定基础。
- 详细介绍：
- 本实验开始于2007年3月，结束于2008年2月。历时一年，主要经历了高产纤维素酶活优良菌株的初筛、复筛、遗传稳定性的研究以及在玉米秸秆粉上产纤维素酶的工艺参数优化。令我们庆幸的是，从发生了几株正向变异的黑曲霉菌株中，获得了一株酶活显著提高的优良菌株。该菌株在玉米秸秆粉中产FPU、CMC和ß-葡聚糖苷酶的酶活在目前所报道的黑曲霉酶活中，综合评比处于领先。 该菌株可大幅提高对玉米秸秆纤维质的降解率，从而为今后和其他产单细胞蛋白的菌株进行混菌发酵生产高蛋白饲料奠定了坚实基础，尤其在促进当地农业循环、可持续发展方面将有较高的应用价值。 此外，该实验所得出的黑曲霉ZM-8在玉米秸秆粉上产纤维素酶的一系列工艺参数，可为今后高蛋白饲料的中试和规模化化生产提供参考价值。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 如何利用生物技术将来源广泛且资源丰富的纤维质转化为蛋白质是当前世界性难题，其重要原因之一就是在生产中缺乏高产纤维素酶活的优良菌株。为此，本试验利用中国西部航天育种基地所提供的便利条件，对一株具有较高性价比的黑曲霉出发菌株空间诱变后进行筛选产纤维素酶的优良菌株，然后以当地资源丰富的玉米秸秆为主要原料对所筛选菌株产纤维素酶的工艺参数进行优化，以期为利用黑曲霉降解玉米秸秆生产菌体蛋白饲料奠定基础。
科学性、先进性及独特之处
- 该实验就利用太空特殊条件对黑曲霉进行诱变，并获得了具有遗传稳定性的突变株黑曲霉ZM-8。该菌株在玉米秸秆粉为主要原料的培养基上所产的各纤维素酶活，在国内目前已报道的同类菌种中处于领先地位；在对该菌株产纤维素酶的优化实验中，用尽可能少的试验次数得到了较为理想的实验结果和指导下一步实验的正确结论，为实现利用微生物降解玉米秸秆进行大规模生产蛋白质饲料提供了有力的科学依据。
应用价值和现实意义
- 本实验所筛选出的高产纤维素酶活的突变株黑曲霉ZM-8，可提高对玉米秸秆等纤维质的降解率；所得出的产纤维素酶的一系列工艺参数可为中试和大规模生产技术提供参考价值。高效价的黑曲霉ZM-8菌株可降低中试成本，在生产上发挥作用。利用该菌株转化纤维质生产蛋白质饲料，不仅能获得经济效益，而且能在有利于生态平衡的条件下缓解当地能源短缺、环境污染等问题，从而使其作为一种清洁产业促进当地农业的可持续发展。
学术论文摘要
- 利用中国西部航天育种基地的便利条件，对较高性价比的黑曲霉（Aspergillus niger）出发菌株进行空间诱变，并通过初筛、复筛，最终筛选出了一株纤维素酶高产突变株黑曲霉ZM-8 （Aspergillus niger ZM-8）。该菌株在以玉米秸秆粉为主要原料的培养基上，所产的滤纸酶活力为1.84U/g，纤维二糖水解酶活力为0.27 U/g，葡聚糖内切酶活力为8.16 U/g，ß-葡萄糖苷酶活力为20.14 U/g，比出发菌株各组分的酶活分别高了2.1倍、3.5倍、1.7倍和1.8倍。经过5次继代固体发酵试验，证明该菌株具有较好的产酶稳定性。正交试验表明，该菌株在玉米秸秆粉中产纤维素酶的最适培养基配方为：氮源(NH4)3PO4，含氮量0.6%，含水量300%，玉米秸秆粉与麸皮质量比为4：1，接种量1：30；最佳培养条件为：培养温度为35℃；培养时间为72h；初始pH值为6.5。在优化后培养条件下所测得的FPU酶、 C1酶、Cx酶和ß-葡萄糖苷酶的活力分别达到了5.25 U/g、0.48 U/g、19.60 U/g和42.86 U/g。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 本实验所筛选出的高产纤维素酶的黑曲霉ZM-8，经鉴定，与出发菌株在菌落形态、子囊和孢子大小等方面都发生了明显变化，且所产纤维素酶活有较大幅度提高。目前已保藏于CCTCC菌株保藏中心。
参考文献
- 对评审本作品的具有参考价值的主要是相关研究的参考文献，提供如下： [1] 蒋兴村.863-2空间诱变育种进展及前景[J].空间科学学报,1996,16:77-82. [2] 王景林,高培基,蒋兴村,等.多种微生物搭载返回式卫星的试验研究[J].遗传,1999,21(6):7-9. [3] 李金国,蒋兴村,段留生.空间条件对棘孢小单孢菌的诱变效应[J].航天医学与医学工程,1995,8(2):113-116. [4] 郭立格,刘其友,杨润蕾,等.从空间搭载维生素Ｃ生产菌株中筛选高产菌株[J].河北大学学报(自然科学版),2004,24(3):284-287. [5] 王景林,刘晓明,吴东林,等.纤维素酶产生菌黑曲霉X-15的选育及其产酶条件[J].中国兽医学报,2000,20(1):97-99. [6] 陈接锋,郑毅,吴松刚.黑曲霉固体发酵β-葡聚糖酶培养基优化的研究[J].福建轻纺,2001,141(2):1-4. [7] 费尚芬, 鹿宁, 刘坤, 等. 白腐菌纤维素酶高酶活菌株的筛选[J].安徽农业科学, 2006, 34( 1):22-23. [8] 蒋芳,增林子,张强,等.饲用细菌纤维素酶的发酵条件优化与性质研究[J].中国饲料, 2006, 6: 6-9 [9] 邬敏辰,李江华,,邬显章.黑曲霉固态培养生产纤维素酶的研究[J].酿酒,1997,(6): 5-9. [10] 王德培,郝常明,符永英,等.高产纤维素酶黑曲霉菌种的选育及培养条件的研究[J].广东化工.1999,(2):102-104.
同类课题研究水平概述
- 我国自从863高科技计划制订后才开始以微生物为试验材料进行空间诱变育种，先后微生物所等单位搭载30种微生物菌种，包括真菌、细菌、酵母和放线菌，主要通过空间处理研究微生物菌种的性状变异，以提高抗生素和酶的产量以及菌种的效价比，目前已有部分科研成果转化为生产力，初步显示出了较好的经济效益和社会效益。 迄今为止，报道的高产纤维素酶的黑曲霉菌株很多，其中酶活较为突出的有黑曲霉X-15、黑曲霉FSN65等，但能大量在生产上应用的优质、高产菌株却很少，其重要原因是科研单位缺乏优良的生产菌种。因此，即使获得诱变效果很好的菌株，但由于试验菌株本身效价较低，也不能在生产上发挥作用。 关于微生物培养基及培养条件的优化是微生物技术开发研究中非常重要的一环。由于微生物代谢活动的多样性及其调节控制的极端复杂性，至使微生物培养工艺的优化是一个相当复杂、繁琐、长期的研究任务。一个好的优化试验方法，只用少量试验即能得到较好的效果和分析出较为正确的结论。为此，对于具体的菌种来说，要根据实验目的选准影响因素至关重要。 研究表明，黑曲霉纤维素酶是一类诱导酶，只有在诱导物存在下，才能大量产生；而纤维素酶的分泌又受分解代谢产物阻遏和反馈抑制两种作用。许多不溶性的纤维素、可溶性的纤维衍生物、一些低聚糖类等均可作为纤维素酶的诱导物，但在低浓度时有促进作用而较高浓度时便开始抑制。因此，底物的浓度对黑曲霉的产酶效果影响很大。 还有研究表明，在真菌纤维素酶的生产过程中，pH和发酵时间是关键。Mandles等发现，在分批培养物发酵过程中，起初pH最好是自然下降到3.0～3.5，再加控制以防止pH降低，消耗纤维素以后pH自然上升，这样有利于酶的大量分泌；连续培养的情况不同，保持较低pH时，菌生长受到抑制，酶产量减少，而保持pH5.0时则可提高酶产量。 由此可知，虽然人们对微生物生长和产物生成进行了大量的研究，但对其中规律性的东西仍了解不多。即使对于不同微生物来说，同一浓度的同一物质有不同甚至完全相反的作用；同一培养条件在不同的方式中，所起作用也是不同的。在目前人们还无法通过理论推导来推断出微生物发酵的最优培养基和培养条件的情况下，试验分析仍然是工艺参数优化研究中最主要的方法，且对于具体的微生物需要通过大量试验来增加对具体实验因素的认识，以摸索出其中的规律。
