Screening and Identification of Aflatoxin B1 Degradation Strains and Preliminary Exploration of Effective Degradation Components
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摘要: 黄曲霉毒素B1(AFB1)是具有强毒性、强致癌性的一种真菌毒素。为了筛选出AFB1降解菌,将实验室保藏的真菌菌株与AFB1共培养,选取降解率最高的菌株,经形态学和ITS rDNA分析确定其种属,分离菌株不同组分(菌悬液、菌体、孢子液、发酵液)后探究其降解AFB1的有效组分,并将有效组分菌体破碎后作进一步探究。结果表明:培养72 h后的郝克氏青霉MD1菌悬液和未破碎菌体对AFB1降解率分别为98.15%和28.20%,菌体破碎后对AFB1的降解效果更好,培养24 h后对AFB1的降解率为55.40%。因此,郝克氏青霉MD1的菌悬液和菌体内的活性组分能有效降解AFB1。本研究筛选出的郝克氏青霉MD1扩大了AFB1降解菌的菌种库,为AFB1的生物降解提供了一定的参考价值。Abstract: Aflatoxin B1 (AFB1) is a type of fungaltoxin with strong toxicity and strong carcinogenicity. To screen degrading bacteria of AFB1, co-culture of fungi strains which were stored in laboratory and AFB1 was carried out and the strains with the highest degradation rate were chosen. Species of the chosen strains were determined through morphology and ITS rDNA analysis. After separation of different components (bacterial suspension, thalli, spore suspension and fermentation liquor) in strains, the effective components for AFB1 degradation were explored, and the effective components thalli was broken for further investigation. Results showed that the AFB1 degrading rates by Penicillium herquei MD1 bacterial suspension cultured by 72 h and the unbroken thalli were 98.15% and 28.20%, respectively. The degradation of AFB1 was better after the fragmentation of the thalli, and the degradation rate of AFB1 was 55.40% after 24 h of incubation. Therefore, the active components in MD1 bacterial suspension and thalli can degrade AFB1 effectively. The screened MD1 expands the degrading bacterial library of AFB1 and provide some references to biological degradation of AFB1.
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Keywords:
- aflatoxin B1 /
- Penicillium herquei /
- biodegradation /
- bioactive ingredients /
- identification
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黄曲霉毒素(Aflatoxins,AFs)主要是由黄曲霉和寄生曲霉产生的一种聚酮合酶类次级代谢产物[1]。目前已经发现20余种黄曲霉毒素,主要包括B1、B2、G1、G2、M1、M2等,其中黄曲霉毒素B1(AFB1)的毒性最强[2]。由于AFB1具有强毒性、强致癌性并且污染普遍,世界卫生组织国际癌症研究机构(International Agency for Research on Cancer,IARC)将其划为IA类致癌物[3]。研究表明,AFB1对饲料和粮食作物的污染极为广泛,且污染范围还在不断扩大,给食品和畜禽养殖等行业造成了严重的危害和巨额的经济损失[4] 。因此,寻找可以降解甚至消除AFB1的方法至关重要。
目前脱除黄曲霉毒素的方法主要分为物理法、化学法与生物法[5-7]。然而物理法和化学法在处理食品的过程中会使食品变质变性,产生化学物质残留[8-9],由此引发的一系列安全问题,使得这些技术难以实施推广。生物法由于不产生残留毒性,不改变食品或饲料特性等优势,成为了研究热点。利用微生物,特别是具有益生菌性质的微生物进行AFB1脱毒,是一种安全、绿色、环保和高效的方法[10-12]。Ali等[13]研究了10株从土壤和家禽粪便中分离的细菌,其中荧光假单胞菌SZ1对AFB1的降解率为99%。Li等[14]分离鉴定出一株耐盐嗜盐四球菌,其对AFB1污染的酱油的降解率为92%。Ragoubi等[15]发现保加利亚菌CIP 101027T可有效降解AFB1,菌株在MRS培养基中比在PBS中降解效果更好,降解率提高了18%。
本研究从真菌菌株中筛选出一株能够高效降解AFB1的菌株MD1,通过形态学和ITS rDNA分析鉴定菌株MD1为郝克氏青霉;进一步分离菌株不同组分(菌悬液、发酵液、孢子液、菌体),确定郝克氏青霉MD1有效降解AFB1的组分为菌体;破碎菌体后差速离心得到各体系,检测各体系对AFB1的降解效果,初步分离有效降解组分。本研究为谷物粮食和动物饲料中黄曲霉污染所带来的巨大经济损失提供了生物防治的新思路,郝克氏青霉首次被发现可用于降解AFB1,这为黄曲霉毒素的生物降解提供了的优良种质资源和技术支持。
1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
微生物样品 实验室研究人员前期从稻谷中分离保藏的真菌菌株[16];AFB1标准品 源叶生物科技有限公司;色谱级甲醇、乙腈 美国TEDIA公司;色谱级甲酸 上海Macklin生化科技有限公司;2×Taq Mix 广州东盛生物科技有限公司;引物(ITS1/ITS4)、DNA分子量标准Maker S(100~5000 bp)、DNA纯化试剂盒、T载体、PCR产物快速连接试剂盒、4S Green Plus无毒核酸染料 上海生工生物工程有限公司;分散固相萃取填料 安谱实验科技股份有限公司。PDB培养基(g/L):4 g马铃薯浸粉,20 g葡萄糖,121 ℃高压灭菌 20 min。PDA培养基:PDB培养基中加入14 g/L琼脂 购于海博生物技术有限公司。
WATERS H-Class/Xevo TQ-S串联四级杆液质联用仪 美国沃特世公司;H1650-W高速冷冻离心机 湖南湘仪实验室仪器开发有限公司;THZ-D台式恒温振荡器 上海百典仪器设备有限公司;GI54DP立式高温高压灭菌锅 致微公司;EX30显微镜 舜宇光学科技有限公司;日立SU8020扫描电镜 日本日立公司;EDC-810梯度PCR仪 北京东胜创新生物科技公司;DYC-Mini4琼脂糖凝胶电泳仪 伯乐生命医学产品上海有限公司。
1.2 实验方法
1.2.1 降解AFB1菌株的活化与筛选
参照Ragoubi等[15]的方法并略作修改,菌株接种在PDA平板上,28 ℃培养5 d后,用生理盐水洗下孢子并调整孢子液浓度为106 CFU/mL。2% 孢子液接种至含有AFB1的PDB培养基(AFB1-PDB),AFB1-PDB中AFB1 终浓度为100 ng/mL。以不含孢子液AFB1-PDB作为空白对照,分别在0 h和28 ℃、160 r/min培养72 h后取上清液检测AFB1含量(ng/mL),其中,0 h取AFB1-PDB体系中上清液检测AFB1含量作为初始 AFB1浓度,28 ℃、160 r/min培养72 h后取AFB1-PDB体系中上清液检测AFB1含量作为反应后 AFB1浓度。
1.2.2 AFB1的提取与检测
参照刘烁等[17]、Maxwell等[18]和Ji等[19]的方法,取1 mL 1.2.1中上清液过0.22 µm滤膜后−20 ℃保存待测。参照熊超平[20]和Ran等[21]的方法并略作修改,LC-MS-MS条件为:WATERS H-Class/Xevo TQ-S串联四级杆液质联用仪,C18色谱柱(2.1 mm×100 mm,1.7 µm),流动相为0.1%甲酸水:甲醇=1:1(V/V);进样量为0.5 µL,流速为0.4 mL/min,柱温40 ℃,梯度洗脱如表1所示。
表 1 流动相梯度洗脱程序Table 1. Gradient elution program of mobile phase时间(min) 流速(mL/min) A(%) B(%) 0.0~3.0 0.4 90 10 3.0~3.5 0.4 40 60 3.5~4.6 0.4 10 90 4.6~6.0 0.4 90 10 质谱条件为ESI+离子化模式,毛细管电压3 kV,温度500 ℃,雾化气流量1000 L/Hr,采集模式为MRM(多反应监测模式)。AFB1的质谱信息如表2所示。
表 2 AFB1的保留时间、监测离子及质谱采集参数Table 2. Retention time, monitoring ion and mass spectrum acquisition parameters of AFB1目标物 保留时间(min) 监测离子对 锥孔电压(V) 碰撞能量(V) 驻留时间(s) AFB1 3.37 313.2>241.1 40 36 0.017 313.2>285.1* 40 24 0.017 注:*为定量离子对。 用甲醇配制5、25、50、100、200、300 ng/mL的AFB1标准系列工作液。经检测所得标准曲线方程为 y=2940.82x+51823.3(其中x为浓度,y为色谱峰的峰面积),R2=0.9979,表明AFB1在5~300 ng/mL线性良好。
AFB1的降解率利用以下公式计算:
降解率(%)=(1−反应后AFB1浓度/初始AFB1浓度)×100
1.2.3 菌株的鉴定
1.2.3.1 形态学分析
参照Atefeh等[22]的方法并略作修改,点接种纯化后的菌株于PDA平板上,28 ℃培养3 d后观察菌落形态。将盖玻片45度角插入PDA平板中,在玻片与培养基间隙接孢子液,28 ℃培养3 d后拔出盖玻片,用显微镜和扫描电镜观察菌丝和孢子囊形态。
1.2.3.2 真菌ITS rDNA基因序列测定
参照和肖营等[16]的方法并略作修改,使用真菌通用引物ITS1:5´-TCCGTAGGTGAACCTGCGG-3´,ITS4:5´-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3´进行PCR扩增。PCR反应体系25 µL:2×Taq Mix 12.5 µL ,引物ITS1和ITS4各1 µL,少量PDA平板MD1菌丝,ddH2O 10.5 µL。PCR扩增程序:95 ℃预变性3 min;95 ℃预变性30 s,50 ℃退火45 s,72 ℃延伸60 s,30个循环;72 ℃延伸10 min。1.5%琼脂糖凝胶电泳检测PCR扩增产物。使用DNA纯化试剂盒纯化600 bp PCR扩增产物,连接纯化产物与T Vector载体,转化至感受态细胞(DH5α Competent Cells)。引物合成及T载体连接PCR产物的测序由上海生工生物有限公司完成。测序结果在NCBI系统中使用BLAST进行同源性对比,构建系统发育进化树。
1.2.4 菌株MD1有效降解组分研究
1.2.4.1 菌悬液、菌体、孢子液、发酵液对AFB1的降解效果
参照杨阳等[23]的实验方法并略作修改,全程在无菌条件下进行。2%的孢子液接种至PDB培养基中,28 ℃、160 r/min培养3 d,每隔12 h抽滤,收集布氏漏斗上截留的菌体和抽滤瓶中的发酵液。发酵液:抽滤瓶中的发酵液过0.22 µm滤膜后取990 µL发酵液加入10 µL 104 ng/mL AFB1标准储备液,28 ℃、160 r/min培养24 h后取液体样;菌体:PBS(0.01 mol/LpH7.2~7.4)润洗布氏漏斗上截留的菌体3次后重悬于AFB1-PDB中,28 ℃、160 r/min培养24 h后取液体样;菌悬液:2%的孢子液接种至AFB1-PDB中,28 ℃、160 r/min培养3 d,每隔12 h取样;孢子液:含不同体积孢子液(0、1、3、5、7、9 mL)的生理盐水共10 mL,加入AFB1使终浓度为100 ng/mL。28 ℃、160 r/min培养24 h后取样;以AFB1-PDB作为空白对照,检测AFB1含量,计算 AFB1降解率。
1.2.4.2 破碎菌体对AFB1的降解效果
参照王明清等[24]和Zhou等[25]的实验方法并略作修改,2%的孢子液接种至PDB中,摇匀后分为4份,编号A、B、C、D,28 ℃、160 r/min培养3 d,10000 r/min,10 min离心后得到沉淀,PBS润洗3次。A、B不破碎,C、D研钵研磨破碎后重悬于含有AFB1的PBS(AFB1-PBS),AFB1-PBS中AFB1 终浓度为100 ng/mL。A、C 0 h,B、D 24 h后取上述整体加入10 mL提取剂,提取剂为乙腈:水:乙酸=80:19:1 (V/V/V),震荡2 min,4 ℃放置15 min,取3 mL上清液加0.5 g分散固相萃取填料,震荡2 min,10000 r/min离心1 min,取1 mL上清液过0.22 µm滤膜−20 ℃保存待测,AFB1含量检测方法同1.2.2。
1.3 数据处理
每组实验重复3次,实验结果以平均值±标准差表示,采用SPSS 17.0进行数据处理与分析,通过邓肯检验进行单因素方差分析,显著性差异P<0.05。
2. 结果与分析
2.1 菌株的筛选
将实验室保藏的62株菌进行AFB1降解实验,结果表明有11株菌对AFB1有一定的降解能力(表3)。其中菌株MD1的降解率最高,达到99.2%。选择菌株MD1继续研究,鉴定并探究其有效降解成分。
表 3 降解黄曲霉毒素 B1 菌株的筛选结果Table 3. Screening results of the strains degrading aflatoxin B1菌株编号 AFB1降解率(%) MD1 99.20±1.30 S1 73.17±0.87 25P11 42.00±2.37 30P2 39.55±3.00 25P14 33.87±1.77 25P3 30.20±2.96 35P5 27.90±6.66 30P6 24.76±3.30 25M5 15.07±4.88 S2 12.44±0.79 25P5 3.82±3.87 2.2 菌株的鉴定
2.2.1 形态学鉴定
菌株MD1生长形态为黄绿色的圆形菌落,有少量放射状沟纹而使菌落呈现瓣状,分生孢子为绿色,菌丝为黄色(图1A)。在显微镜下观察帚状枝典型双轮生,梗基每轮5~8个或者更多,彼此紧贴且长短基本一致(图1B)。在扫描电镜下观察分生孢子形状椭圆,壁平滑或稍粗糙,分生孢子链之间排列疏松且有不规则纠缠(图1C)。鉴定其可能为郝克氏青霉。
2.2.2 ITS rDNA基因鉴定
以MD1的全基因组DNA作为模板进行PCR扩增,在500~750 bp处获得一条特异性条带(图2)。T载体连接PCR产物经上海生工生物工程有限公司测序,测得MD1目的片段的长度为579 bp,与PCR扩增产物经琼脂糖凝胶电泳验证出的结果一致,该序列提交GeneBank获得登录号为PRJNA882624。将该序列在NCBI中使用BLAST进行对比,从多株亲缘性菌株中选出同源性较高的几株[26],分析结果表明菌株MD1与郝克氏青霉(Penicillium herquei)的同源性最高,为99%(图3)。结合菌株MD1的形态学特征可以确定MD1为郝克氏青霉,属于青霉属。
2.3 菌株有效降解组分探究
2.3.1 菌悬液、菌体、孢子液、发酵液对AFB1的降解效果
MD1菌悬液可显著降解AFB1,在72 h时对AFB1的降解率达到98.15%;MD1菌体的生长量随着培养时间延长不断增多,培养72 h分离得到的菌体与AFB1共培养24 h后对AFB1的降解率达到68.69%;MD1孢子液对AFB1的降解效果与对照组相比无显著性差异;发酵液对AFB1的降解效果随着培养时间的延长无显著性差异(图4)。杨阳等[23]研究发现黑曲霉FS10的菌悬液在72 h时对AFB1的降解率达到98.65%,菌丝体对AFB1有一定的脱除作用。邓盾等[27]筛选出一株链霉菌GDAAS003并发现菌体内容物和菌体碎片对AFB1有一定的降解作用,降解率分别为5.70%和3.83%。本研究筛选出的郝克氏青霉MD1菌悬液和菌体对AFB1的降解率分别为98.15%和68.69%,与上述黑曲霉FS10、链霉菌GDAAS003的研究结果一致,表明菌株MD1的菌悬液和菌体对AFB1有明显降解效果,将菌悬液中的菌体和发酵液分离后,菌体对AFB1仍有降解效果,而发酵液对AFB1降解效果不明显,故菌株MD1的降解活性物质存在于菌体中。
图 4 菌悬液(A)、菌体(B)、孢子液(C)、发酵液(D)对AFB1的降解效果注:不同小写字母表示具有显著性差异,P<0.05;图5同。Figure 4. Degradation of AFB1 by fungal suspension (A), mycelium (B), spores (C) and culture filtrate (D)2.3.2 破碎菌体对AFB1的降解效果
为进一步确定郝克氏青霉MD1降解AFB1的有效组分是否为菌体细胞壁或胞内液中的活性物质,研磨破碎培养72 h的菌体,释放菌体中的胞内液。结果如图5所示,未破碎体系反应24 h后AFB1的降解率为28.20%,破碎体系反应24 h后AFB1的降解率为55.40%,破碎体系较未破碎体系反应24 h后AFB1降解率高27.20%。Shetty等[28]从发酵食品中分离出两株酵母菌,对AFB1的降解能力分别为38.7%和36.1%,并提出是细胞壁上的糖类化合物或甘露聚糖酶起降解AFB1的作用。Liu等[29]发现,假蜜环菌及其胞内多酶体系可以破坏AFB1上的双咲喃环后有效去毒。菌株MD1经过破碎,菌体中的胞内液被释放,由此得到的体系对AFB1的降解效果较原菌体有所增强,故推测菌株MD1可能存在与上述研究相同的降解机制,即菌体细胞壁或胞内液中的两种或多种酶通过联合作用降解AFB1。
3. 结论
本研究从实验室保藏的62株真菌菌株中筛选出1株可高效降解AFB1的菌株MD1,对AFB1的降解率高达99.2%。经形态学和ITS rDNA基因鉴定,确定菌株MD1为郝克氏青霉(Penicillium herquei)。郝克氏青霉MD1可有效降解AFB1的组分位于菌体中,菌体破碎后对AFB1的降解效果更好,培养24 h后对AFB1的降解率为55.40%。本研究筛选出的郝克氏青霉属真菌,进一步扩大了生物降解菌的菌种库,为郝克氏青霉MD1降解AFB1的研究提供了理论基础,为谷物粮食和动物饲料中黄曲霉污染所带来的巨大经济损失提供了生物防治的新思路。现在尚不明确有降解AFB1效果的活性物质的具体成分,后续可进一步探究,并对降解产物的分子结构和降解产物毒性等进行深入研究。
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图 4 菌悬液(A)、菌体(B)、孢子液(C)、发酵液(D)对AFB1的降解效果
注:不同小写字母表示具有显著性差异,P<0.05;图5同。
Figure 4. Degradation of AFB1 by fungal suspension (A), mycelium (B), spores (C) and culture filtrate (D)
表 1 流动相梯度洗脱程序
Table 1 Gradient elution program of mobile phase
时间(min) 流速(mL/min) A(%) B(%) 0.0~3.0 0.4 90 10 3.0~3.5 0.4 40 60 3.5~4.6 0.4 10 90 4.6~6.0 0.4 90 10 表 2 AFB1的保留时间、监测离子及质谱采集参数
Table 2 Retention time, monitoring ion and mass spectrum acquisition parameters of AFB1
目标物 保留时间(min) 监测离子对 锥孔电压(V) 碰撞能量(V) 驻留时间(s) AFB1 3.37 313.2>241.1 40 36 0.017 313.2>285.1* 40 24 0.017 注:*为定量离子对。 表 3 降解黄曲霉毒素 B1 菌株的筛选结果
Table 3 Screening results of the strains degrading aflatoxin B1
菌株编号 AFB1降解率(%) MD1 99.20±1.30 S1 73.17±0.87 25P11 42.00±2.37 30P2 39.55±3.00 25P14 33.87±1.77 25P3 30.20±2.96 35P5 27.90±6.66 30P6 24.76±3.30 25M5 15.07±4.88 S2 12.44±0.79 25P5 3.82±3.87 -
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