山地农业 生物学报27(2):134~137,2008 Joumal of Mountain Agriculture and Biology 1,3一丙二醇高产变异菌株的紫外诱变选育 庄 莹 ,兰琳 (1.福建省泉州市农业学校,福建泉州362241;2.华侨大学生物工程系,福建泉州362021) 摘要:在高效液相色谱同时检测多种组分的基础上,建立了高效液相色谱法测定克雷伯杆茵KlebsieUapneumo- miae发酵甘油产物1,3一丙二醇(1,3一PD)含量的方法;同时应用单因素考查法确定较优的筛选高产1,3一PD 生产茵株紫外诱变条件,并在逐步提高筛选平板培养基中甘油浓度(6o~90g/,L)的情况下经多轮诱变筛选,获得 1株能够耐较高浓度甘油的高产1,3一PD的变异茵株。经考查,较优的紫外诱变条件为:紫外灯功率30W,照射 距离34cm,茵体浓度10。个・mL~,稀释10 倍后进行诱变筛选,较优照射时间为6min;经6轮诱变筛选,筛选出 能够耐9og/L甘油的高产1,3一PD的变异茵株KVI一1,其1,3一PD的产量较原始茵株提高30%左右;变异茵株 经6代遗传稳定性考察,甘油转化率均稳定在45%左右,1,3一PD产量稳定在40g/,L左右,变异茵株KVI一1可 作为生产工艺研究的出发茵株。 关键词:高效液相色谱;1,3一丙二醇;茵株;诱变;甘油 中图分类号:0657,72;0657.72 文献标识码:A 文章编号:1008—0457(2oo8)02—0134一o4 1,3一propanediol high production bacterium ultraviolet mutant ZHUANG Ying。,LAN Lin:(1.Argicuhure School,Quanzhou,Quanzhou,F ̄ian 362241,China;2.Department of Biological Engineering,Quanzhou,Fuifan 362021,China) Abstract:1,3一propanediol(1,3一PD)mensurate by HPLC WaS established based on HPLC analysis component of KlebsieUa pneumomiae transform glycerol(Gly)system.The optimized ultraviolet mutant condiiton Was established by using single factor examination.Amutant bacterium enduring high concentration glycerol and producing high 1.3一PD Was acquired by using mult—cycle mutate.The concentration of lgycerol in filtratde culture medium was improved from 60g/,L to 90 g/L The optimized mutate condition lutraviolet opwer Was 30W,irradiation space Was 34cm,concentration of cell was 10。/mL.dilute concentration was 10~and the suit irradiate time Was 6 min.A mutnat bacterium KVI一1 that enduring 90s/L lgycerol and high produce 1,3一PD Was acquierd after6 cycle mutate,and the 1,3一PD production was improved about 30%than originality bacterium.The inherit stbailiyt ofthe mutant bacterium Was reviewed for 6. the translate ratio stbaiilzed at 45%,1,3一PD production stabilized at 40 g/L,the mutant bacterium KVI一1 eouldbe applide for 1.3一PD production techniques. Key words:HPLC;1,3一propanediol;bacterimu;mutnat;glycerol 1,3一丙二醇(1,3一propanediol 1,3一PD)是一种重要的化工原料,其最主要的用途则是作为聚酯、聚 醚和聚亚氨酯的单体…。较之以乙二醇作单体合成的聚酯具有更优良的特性。以1,3一PD为原料生产 的聚酯极大地提高了产品性能,是当前国际上合成纤维开发的热点。传统的1,3一PD化学合成法所用的 催化剂体系复杂,制作工艺苛刻,对设备要求较高,回收率不高 】。因此,随着石油资源的贫乏与环境污 染问题的加重,以可再生资源为原料、污染程度低的生物技术法生产1,3一PD具有独特的优势 。 。李 琛等 从自然界筛选得到9株可发酵甘油生产1,3一PD的肠道细菌,经化学诱变,1,3一PD最终产量为 2%;利用微生物歧化甘油(Glycerol,Gly)生产1,3一PD的生物发酵过程中存在多种物质的抑制作用。为 了提高目标产物产量需要有较高浓度的底物,但底物甘油的初始浓度的过高则又会对菌株细胞产生毒性, 抑制细胞生长和1,3一PD的生成 J。因此为了实现1,3一PD工业化微生物生产,如何提高生产菌株对 收稿日期:2007—12—06;修回日期:2008—01—10 作者简介:庄莹(1971一),女,福建惠安人,讲师,主要从事农学类学科教学工作。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第2期 庄莹。等:1,3一丙二醇高产变异菌株的紫外诱变选育 135 甘油耐受程度从而提高1,3一PD产量是关键。 以甘油为底物发酵生产1,3~PD的菌种有多种,主要有肺炎克雷伯氏菌、梭状芽孢杆菌等[9 们。本 研究以克雷伯氏杆菌(K0)为原始菌株,建立了用高效液相色谱法(ItPLC)检测克雷伯杆菌发酵液中 1,3~PD含量的方法,对克雷伯杆菌进行多轮紫外诱变,以期筛选出能够耐较高浓度甘油的高产1,3一PD 的变异菌株,并对其遗传稳定性进行考察,获得1株可作为1,3一PD生产工艺研究的出发菌株。现将研 究结果报告如下: 1材料与方法 1.1材料与仪器 1.1.1茵种克雷伯杆菌 ieUa pneumoniae DSM 2026,编号K0。 1.1.2培养基LB培养基、种子培养基、发酵培养基、平板培养基(发酵培养基+加1%琼脂,甘油浓度 60—90g/L)㈨。 1.1.3仪器超声波细胞破碎仪UP 50H、高速冷冻离心机3K30、4K15超速低温冷冻离心机、Agilent 1 100高效液相色谱仪[美国安捷仑公司,包括四元梯度泵、手动进样器、柱温箱、示差折光检测器、在线真 空脱气机、Agilent Chemstations色谱工作站]。 1.2方法 1.2.1游离细胞发酵5L发酵罐中装入3L种子培养基,接入一20 ̄C保存在LB培养基中的克雷伯杆菌 菌体进行活化,然后取2mL活化后的克雷伯杆菌菌液接入装有50mL发酵培养基的250mL的三角瓶中, 28 ̄C,200r/min,摇床培养24h,低温下6 500r/min高速冷冻离心30min,收集菌体与上清液。菌体用含 2mmol/L二硫苏糖醇的"Iirs—HCl(pH值8.4)缓冲液一20 ̄C条件下保存备用,上清液作为检测样品。 1.2.2标准样品与发酵液色谱行为测定上清液样品的预处理:2mL检测样品在13 O00r/min,30min离心 后取上清液用水膜过滤3遍。参考文献[5]的方法,选择高效液相色谱条件:色谱柱为Aminex HPX一87H离 子交换柱,柱温4ooC;检测器为光示差检测器,温度为室温;流动相为35%乙氰,65%水,0.005mol/L H2SO , 流速0.4mL/min,进样量20wL。配制3一HPA、DHA、Gly与1,3一PD标准液在相同条件下进行色谱行为 分析。 1.2.3耐高浓度甘油茵株诱变选育 1.2.3.1紫外诱变处理将lmL,一2O℃保存的原始菌株液接入50mL种子培养基中,37 ̄C,25Of/rain培养 24h,用去离子水稀释至1O。个・mL~;然后用紫外线进行照射诱变,逐一取已稀释的15mL菌液于无菌的直径 为9cm平皿内,磁力搅拌器搅拌,同时用功率为30W紫外灯,在距离菌液面34cm处,分别照射0.5、1、2,4、6、 8、1O、12 min,然后将每份照射菌液分别稀释1O~一1O-5倍(即稀释度分别为1O~一1O ),待用。 1.2.3.2 目的突变菌株的筛选将上述紫外照射后的菌液,分别取稀释度为lO~、lO一、lO 的稀释菌液 各0.1mL涂布装有固体培养基的筛选平板,37 ̄C培养24h后作菌落计数,并计算不同照射时间的致死率。 致死率=(1—31/No)×100%,其中:Ⅳ为经紫外线照射后平板上的菌落;Ⅳ0为对照平板上菌落数(即未诱 变)。将每轮筛选得到的菌株接入发酵培养基中,37℃,200r/rain振荡培养24h,测定残余甘油含量和 1,3一PD生成量,从中筛选2—3株1,3一PD产量较高的变异菌株,再接人种子培养基中37℃培养24h,进 行下一轮诱变。第1轮诱变挑选出的菌株编号为 一1—3,第2轮诱变筛选出的菌株编号为KⅡ一1—3; 同时每轮逐步提高筛选平板培养基中的甘油浓度(从6Og/L提高至9Og/L),连续诱变筛选6轮。 2结果与分析 2.1标准样品与游离细胞发酵样品的高效液相色谱行为测定 通过比较分析可知,只有HPLC才有可能同时测定Gly、1,3一PD、3一HPA、DHA这4种物质。 为了标定各组分出峰时间,配制3一HPA、DHA、Gly与1,3一PD标准液进行色谱行为分析,然后在相 同色谱条件下将获得的样品色谱图与标准液色谱图进行对照,根据出峰保留时间比照确定样品液中各组 分。应用外标法(标样与样品进样量相同)制作浓度与峰面积关系的标准曲线计算各组分含量。由于 维普资讯 http://www.cqvip.com
136 山地农业生物学报 2008年 3一HPA没有纯品,因此用发酵得到的3一HPA替代,对进行定性分析(一定浓度范围内,浓度与峰面积之 间存在线性关系,通过峰面积的变化来表征3一HPA的浓度变化)。仪器系统运行稳定后,在选定的色谱 条件下,用微量进样器分别取20 L混合标准品和样品进行检测,获得标准样品与发酵液样品高效液相色 谱如图l(A)、(B)所示。 从图l(A)可见,在标准样品的HPLC中,待分析物质在30min内达到基线分离,由图中的各物质峰可 看出,底产物3一HPA、DHA、Gly和l,3一PD的各峰标准保留时间分别为8.624rain、18.144rain、20.581rain 和22.890rain,这样就可以各物质标准保留时问为基准,鉴定未知物质;同时参照文献[11]再分别配制不 同浓度的DHA、Gly和l,3一PD标准溶液,依同样方法进样后根据该溶液的不同浓度与相应峰面积的关 系,分别作出DHA、Gly和l,3一PD的标准曲线,并用软件回归出DHA、Gly和l,3一PD浓度与峰面积关系 的方程式;这样测定出未知样品液中各物质的峰面积便可由此方程式计算出未知样品中DHA、Gly和 l,3一PD的浓度。 从图l(B)可见,游离细胞发酵液中底产物出峰时问分别为8.677min、18.608rain、20.472rnin 和21.739min,这与标准样品各底产物3一HPA、DHA、Gly和l,3一PD的出峰标准保留时间基本相同。由图l (A)、(B)对照可说明,应用液相色谱法同时测定发酵液中各组分含量的方法是可行的。根据峰面积与浓度 关系式,可计算得到目标产物l,3一PD的含量;同时也可检测其他底产物与l,3一PD产量间的关系。 A ‘ 壹 耋 童 置 三 旦 IlIuU 曹 2ooooo 兰雪 垂 l0oooo 誉 舀岂 O 图1标准样品(A)与游离细胞发酵液(B)的高效液相色谱图 Fig.1 HPLC of standard sample(A)and dissociate cell fermentation liquid(B) 2.2诱变条件的确定 2.2.1 茵体诱变浓度经紫外诱变处理结果可知,10一、l0。稀释度下单菌落过于密集,难以计数,在 l0 稀释度下比较合适,故诱变采用l0 稀释度。 2.2.2诱变照射时间根据统计与计算结果可知,克雷伯杆菌经紫外线照射后,致死率随照射时间的增 加而明显增加,当照射时间为6rain时,致死率为90.9%,照射时间为10min时,致死率达100%。一般认 为致死率在90%一95%时对菌株性状的诱变效果最好,所以采用6min作为紫外诱变克雷伯杆菌的最佳作 用时间。经过紫外诱变涂布平板后,生长出的菌落为圆形、白色、表面湿润、饱满,相对于对照组菌落在形 态上没有大的变化,但是其菌落直径明显增大,是原始菌落的2—4倍。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第2期 庄莹。等:1,3一丙二醇高产变异菌株的紫外诱变选育 137 2.3目的突变菌株的筛选 目的突变菌株根据测定甘油转化产物1,3一PD的含量来进行筛选。根据确定的较优紫外诱变条件 从原始菌株开始连续诱变筛选数代,在第6代诱变筛选中筛选到耐高浓度甘油(90g/L)并可高产1,3一PD 的变异菌株,将筛选出的菌落接种斜面后,分别编号为KVI一1—3,并对其遗传性状作进一步考查。 2.4 目的菌株遗传稳定性考察结果 变异菌株传代培养时,遗传性状存在不稳定现 表1变异菌株KVI一1遗传稳定性发酵考察结果 Tab.1 Inheritance stability of mutan bacterium KVI一1 象。为了考察所得到的突变菌株的遗传稳定性,将 变异菌株KVI一1—3分别进行6代遗传稳定性考 察,每传2代进行发酵液中甘油和1,3一PD含量 的测定。通过比较,结果发现变异菌株KVI一1具 有较好的遗传稳定性,如表1所示。 由表1可以看出,KVI一1目的突变菌株发酵 液中经检测计算,甘油消耗率为98%,甘油转化率 为45%左右,说明菌株经紫外变异后能够耐较高 浓度的甘油,1,3一PD的产量也维持在40g/L左右 的水平,相比原始出发菌株的1,3一PD产量提高了30%左右。经6代传代均能保持较为稳定的发酵水 平,说明变异菌株遗传性状较稳定,未发生回复突变等情况,可作为生产工艺研究的出发菌株。 3结论与讨论 应用高效液相色谱法同时分离了标准样品中DHA、Gly与1,3一PD组分,其出峰标准时间分别为 8.624min、18.144min、20.581min和22.890min;同时根据外标法建立了峰面积与各组分浓度关系的方程 式,并应用在克雷伯杆菌发酵甘油体系中底产物浓度的测定,由此建立了目标产物1,3一PD含量新的、较 为简便的测定方法。 根据诱变菌株发酵甘油产物1,3一PD的含量比较确定了较优的菌株紫外诱变条件为:紫外照射功率 30W,照射距离34cm,诱变菌株浓度为10。个・mL~,适合稀释度为10~,较优紫外照射时间为6min;经 6轮紫外诱变筛选,获得1株能耐90g/L高浓度甘油的克雷伯杆菌变异菌株KVI一1,其1,3一PD产量较 原始出发菌株提高30%左右;经6代传代,诱变菌株KVI一1的1,3一PD产量稳定在40g/L左右,说明所 获得的变异菌株具有一定的遗传稳定性,可作为1,3一PD生产工艺研究的出发菌株。为了提高产物 1,3一PD的产量,也可进一步采用转基因表达方法,将变异菌株中甘油代谢途径的相关催化酶的表达基因 转入大肠杆菌中,构建相应基因工程菌以实现1,3一PD的工程菌转化。 参考文献: [1]咖U,MULLER R J,AUGUSTA J,et al。Synthesis,properties and biode ̄dahillty of polyseters based onl,3一p ̄oponediol[J]. Makromol Chem Phys,1994,195:793-802。 [2]薛丽梅,王徘,韩大维,等.1,3一丙二醇的化学合成法[J]。化学与粘合,2000(1):28—31. [3]李吉春,赵旭涛.1,3一丙二醇的合成方法及技术进展[J].石化技术与应用,2004,22(1):4—11. [4]刘兆庆,张学娟,王曙文.1,3一丙二醇的工业应用及生产方法[J].农产品加工,2004(2):26—27. [5]邵敬伟,刘长江。1,3一丙二醇发酵生产的研究进展[J].沈阳农业大学学报,2001,32(1):57—60。 [6]李琛,孙金风,诸葛健.产1,3一丙二醇菌株的筛选、改良及发酵[J]。无锡轻工大学学报,2004,23(1):71—74. [7]修志龙.1,3一丙二醇的微生物法生产分析[J].现代化工,1999(3):33—35. [8]赵红英,张健,刘宏娟,等.1,3一丙二醇发酵过程中底物抑制及其对策的研究[J].现代化工,2002,22(7):34—38. [9]WETHMAR M,DECKWER W D.Semisynthetie culture medium for growth and dihydroxyaeetone production by Glueonobacter oxydans[J]。Bioteehnology Techniques,1999,13:283-287. [1O]郭立群。生物法合成1,3一PD[J].精细与专用化学品,2001,24:25—28. [11]陈宏文.生物法合成1,3一丙二醇的过程工程研究[D].天津:天津大学化工学院,2005.
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