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      超聲波破碎法提取多食鞘氨醇桿菌中17β—雌二醇降解酶的優(yōu)化及酶學(xué)性質(zhì)

      2014-07-11 04:25:58王飛張麗
      江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2014年4期

      王飛 張麗

      摘要:采用超聲波破碎多食鞘氨醇桿菌細(xì)胞壁的方法提取雌二醇降解酶,通過(guò)單因素條件研究確定各因素對(duì)超聲波破碎影響的高低,依據(jù)Box-Benhnken設(shè)計(jì)原則對(duì)破碎條件進(jìn)行響應(yīng)面回歸模型分析(RSA)。研究得到最佳條件為:菌體濃度188 mg/mL,破碎功率400 W,總破碎時(shí)間29 min(超聲3 s,間隔5 s),認(rèn)為破碎功率對(duì)超聲波破碎的影響最大。預(yù)測(cè)破碎后得到的粗酶液總酶活力為1.484 U,實(shí)際測(cè)得的粗酶液酶活力為1.477 U。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為:采用超聲波破碎方法可以較好地提取氨肽酶,運(yùn)用響應(yīng)面分析法優(yōu)化超聲波破碎條件是可行的。

      關(guān)鍵詞:ED4菌株;超聲波破碎;E2降解酶

      中圖分類號(hào):Q814.1;X172 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1002-1302(2014)04-0310-04

      收稿日期:2013-08-23

      基金項(xiàng)目:江蘇省自然科學(xué)基金(編號(hào):SBK201022464)。

      作者簡(jiǎn)介:王飛(1988—),女,安徽合肥人,碩士研究生,研究方向?yàn)槲⑸飳W(xué)。E-mail:wang576180559@126.com。

      通信作者:張麗,女,碩士,副教授,研究方向?yàn)樯锘?。E-mail:njust_zhangli@163.com。近年來(lái),甾體雌激素因其對(duì)生物體內(nèi)分泌系統(tǒng)產(chǎn)生的種種不利影響而引起人們的廣泛關(guān)注[1-3]。甾體雌激素是一種環(huán)境內(nèi)分泌干擾物質(zhì)(endocrine-disrupting compounds,EDCs),是指能夠進(jìn)入生物體內(nèi)的外源性物質(zhì),可干擾生物體內(nèi)天然激素的產(chǎn)生、釋放、代謝、交互作用,從而對(duì)生物體正常的體內(nèi)激素平衡、代謝生長(zhǎng)和行為產(chǎn)生干擾作用[4]。17β-雌二醇(E2)被認(rèn)為是最具潛在影響、作用最強(qiáng)烈且在水環(huán)境中普遍存在的一種甾體雌激素,當(dāng)其質(zhì)量濃度低至ng/L級(jí)時(shí)仍可對(duì)水生生物繁殖、生態(tài)安全乃至人類健康造成極大的潛在威脅[5-6]。目前雌激素污染的生物修復(fù)主要通過(guò)從被污染的土壤與水質(zhì)中分離篩選降解菌,再將其用于雌激素的生物降解、修復(fù)[7-12]。本研究采用超聲波破碎E2降解菌細(xì)胞壁的方法提取E2降解酶,通過(guò)單因素條件研究、響應(yīng)面分析優(yōu)化超聲波破碎的最佳條件,旨在為E2降解酶的研究和E2降解途徑的建立奠定初步的研究基礎(chǔ)。

      1材料與方法

      1.1試驗(yàn)材料

      試驗(yàn)菌株:多食鞘氨醇桿菌(Sphingobacterium multivolum)ED4,能高效降解17β-雌二醇,由筆者所在實(shí)驗(yàn)室分離獲得。

      試驗(yàn)藥品:17β-雌二醇(17β-estradiol,E2),純度>98%,購(gòu)自美國(guó)Sigma。

      試驗(yàn)儀器:超凈工作臺(tái),上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司;超聲波細(xì)胞破碎儀,汕頭市科毅儀器設(shè)備有限公司;HC-3518高速冷凍離心機(jī),科大創(chuàng)新股份有限公司中佳分公司;DSX-280A手提式滅菌鍋,上海申騁儀器科技有限公司;752N分光光度計(jì),上海精密科學(xué)儀器有限公司。

      1.2試驗(yàn)方法

      1.2.1菌體制備從4 ℃冰箱中保存的LB斜面上挑取ED4菌株,連續(xù)活化3代,按2%接種量,在30 ℃條件下擴(kuò)大培養(yǎng)至對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期時(shí)取出,離心收集菌體沉淀(4 ℃、5 000 r/min條件下離心20 min);用pH值為7的磷酸緩沖溶液清洗、離心,反復(fù)洗滌后用無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基將菌液稀釋到D600 nm為約0.5后,便制成菌懸液。

      1.2.2粗酶液的制備將ED4菌種進(jìn)行產(chǎn)酶培養(yǎng)72 h后,冰浴條件下用超聲波破碎細(xì)胞,300 W破碎4 s,間隔8 s,共破碎30 min;于10 000 r/min、4 ℃條件下高速離心30 min,收集上清液即為粗酶液。

      1.2.317β-雌二醇降解酶活力的測(cè)定方法先向20 mL試管中加入9 mL 0.05 mol/L磷酸鹽緩沖溶液(含10 mg/L 17β-雌二醇),再加入1mL粗酶液,30 ℃水浴中反應(yīng)1 h后加入05 mL 1 mol/L的HCl溶液終止酶反應(yīng)。每個(gè)處理重復(fù)2次。在一定溫度和pH值條件下,1 min內(nèi)減少1 μg 17β-雌二醇所需的酶量為1個(gè)酶活力單位,用U表示[13]。

      1.2.4超聲波破碎條件的確定首先根據(jù)單因素試驗(yàn)確定菌體濃度、破碎功率、破碎時(shí)間3個(gè)條件對(duì)超聲波破碎的影響,然后按Box-Behnken原理設(shè)計(jì)試驗(yàn),以菌體濃度、破碎功率、破碎時(shí)間為響應(yīng)變量,根據(jù)單因素試驗(yàn)確定上下水平后,用Design-Expert 8.0.7.1軟件進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化分析。破碎中用冰水浴冷卻樣品。

      2結(jié)果與分析

      2.1單因素超聲波破碎條件

      2.1.1菌體濃度對(duì)超聲波破碎提取17β-雌二醇降解酶的影響在超聲波破碎功率為300 W、超聲破碎總時(shí)間為 26 min (工作時(shí)間4 s,間隔時(shí)間6 s)的條件下,配置50~350 mg/mL 不同濃度的ED4降解菌菌體懸液進(jìn)行細(xì)胞破碎。由圖1可以看出,當(dāng)菌體濃度為200 mg/mL時(shí),17β-雌二醇降解酶的酶活力最高,但是隨著破碎體系中菌體濃度逐漸升高,酶活力隨之降低,這可能是當(dāng)菌體濃度過(guò)高時(shí),超聲波破碎難以形成空穴效應(yīng),產(chǎn)生的多余熱量降低了破碎效率并破壞了降解酶活性。

      2.1.2破碎功率對(duì)超聲波破碎提取17β-雌二醇降解酶的影響當(dāng)菌體懸液濃度為200 mg/mL時(shí),在100~600 W的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)超聲破碎功率,破碎26 min(工作4 s,間隔6 s)。圖2結(jié)果表明,當(dāng)破碎功率為300 W時(shí),17β-雌二醇降解酶的酶活力最高;隨著破碎功率的不斷增加,降解酶活力逐漸下降;破碎功率過(guò)低時(shí),降解酶釋放不完全而使酶活力較低;破碎功率超過(guò)最佳值時(shí),由于超聲波空化現(xiàn)象而導(dǎo)致熱能增加,從而破壞了酶活性。

      2.1.3破碎時(shí)間對(duì)超聲波破碎提取17β-雌二醇的影響設(shè)菌體懸液濃度為200 mg/mL,超聲破碎功率為300 W,破碎時(shí)間分別為5、12、19、26、33、40、47 min(工作4 s,間隔6 s)。圖3結(jié)果表明,在菌體濃度和超聲波破碎功率保持不變的前提下,17β-雌二醇降解酶的酶活力在破碎時(shí)間為26 min時(shí)達(dá)到最大值;隨著破碎時(shí)間的增加,降解酶活力呈下降趨勢(shì)。可能隨著時(shí)間的增加,超聲產(chǎn)生的熱量也逐漸增多,從而導(dǎo)致酶活力下降。endprint

      2.2超聲波提取17β-雌二醇降解酶條件的優(yōu)化

      以破碎功率、菌體濃度、破碎時(shí)間為響應(yīng)變量,根據(jù)單因素試驗(yàn)確定上下水平后,按Box-Behnken原理設(shè)計(jì)試驗(yàn)并進(jìn)行優(yōu)化分析。各試驗(yàn)組的因素水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1,試驗(yàn)分組及結(jié)果見(jiàn)表2。

      3結(jié)論

      本試驗(yàn)研究了1株17β-雌二醇高效降解菌的超聲破碎的優(yōu)化條件。首先利用單因素試驗(yàn)確定了破碎時(shí)間、破碎功率、菌體濃度等最佳破碎條件,然后用中心組合設(shè)計(jì)和響應(yīng)面分析法確定了影響因子的取值。優(yōu)化后的破碎條件為破碎功率400 W、破碎時(shí)間29 min、菌體濃度188 mg/mL。在此破碎條件下,降解酶酶活力為1.477 U,與預(yù)測(cè)值擬合良好,說(shuō)明該模型能很好地預(yù)測(cè)實(shí)際破碎情況。

      參考文獻(xiàn):

      [1]丁小東,朱明華. 環(huán)境激素污染研究[J]. 能源環(huán)境保護(hù),2006,20(4):13-15.

      [2]Gross-Sorokin M Y,Roast S D,Brighty G C. Assessment of feminization of male fish in English rivers by the Environment Agency of England and Wales[J]. Environmental Health Perspectives,2006,114(Suppl 1):147-151.

      [3]Johnson A C,Sumpter J P. Removal of endocrine-disrupting chemicals in activated sludge treatment works[J]. Environmental Science and Technology,2001,35(24):4697-4703.

      [4]Kavlock R J,Daston G P,Derosa C,et al. Research needs for the risk assessment of health and environmental effects of endocrine disruptors:a report of the U.S. EPA-sponsored workshop[J]. Environmental Health Perspectives,1996,104(Suppl 4):715-740.

      [5]世界資源研究所,聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署,聯(lián)合國(guó)開(kāi)發(fā)計(jì)劃署,等. 1998-99世界資源報(bào)告:全球環(huán)境指南[M]. 北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,1999.

      [6]Hinteman T,Schneider C,Schler H F,et al. Field study using two immunoassays for the determination of estradiol and ethinylestradiol in the aquatic environment[J]. Water Research,2006,40(12):2287-2294.

      [7]任海燕,紀(jì)樹(shù)蘭,劉志培,等. 17α-乙炔基雌二醇降解菌的分離鑒定及降解特性[J]. 環(huán)境科學(xué),2006,27(6):1186-1190.

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      [9]Fujii K, Kikuchi S, Satomi M, et al. Degradation of 17β-estradiol by a gram-negative bacterium isolated from activated sludge in a sewage treatment plant in Tokyo, Japan[J]. Applied and Environmental Microbiology,2002,68(4):2057-2060.

      [10]Fan Z, Casey F X M, Hakk H, et al. Persistence and fate of 17β-estradiol and testosterone in agricultural soils[J]. Chemosphere, 2007, 67(5): 886-895.

      [11]Muller M,Patureau D,Godon J J,et al. Molecular and kinetic characterization of mixed cultures degrading natural and synthetic estrogens[J]. Applied Microbiology and Biotechnology,2010,85(3):691-701.

      [12]Yu C P, Roh H, Chu K H. 17β-estradiol-degrading bacteria isolated from activated sludge[J]. Environmental Science & Technology, 2007, 41(2): 486-492.

      [13]紀(jì)建業(yè). 脂肪酶活力測(cè)定方法的改進(jìn)[J]. 通化師范學(xué)院學(xué)報(bào),2005,26(6):51-53.endprint

      2.2超聲波提取17β-雌二醇降解酶條件的優(yōu)化

      以破碎功率、菌體濃度、破碎時(shí)間為響應(yīng)變量,根據(jù)單因素試驗(yàn)確定上下水平后,按Box-Behnken原理設(shè)計(jì)試驗(yàn)并進(jìn)行優(yōu)化分析。各試驗(yàn)組的因素水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1,試驗(yàn)分組及結(jié)果見(jiàn)表2。

      3結(jié)論

      本試驗(yàn)研究了1株17β-雌二醇高效降解菌的超聲破碎的優(yōu)化條件。首先利用單因素試驗(yàn)確定了破碎時(shí)間、破碎功率、菌體濃度等最佳破碎條件,然后用中心組合設(shè)計(jì)和響應(yīng)面分析法確定了影響因子的取值。優(yōu)化后的破碎條件為破碎功率400 W、破碎時(shí)間29 min、菌體濃度188 mg/mL。在此破碎條件下,降解酶酶活力為1.477 U,與預(yù)測(cè)值擬合良好,說(shuō)明該模型能很好地預(yù)測(cè)實(shí)際破碎情況。

      參考文獻(xiàn):

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      [11]Muller M,Patureau D,Godon J J,et al. Molecular and kinetic characterization of mixed cultures degrading natural and synthetic estrogens[J]. Applied Microbiology and Biotechnology,2010,85(3):691-701.

      [12]Yu C P, Roh H, Chu K H. 17β-estradiol-degrading bacteria isolated from activated sludge[J]. Environmental Science & Technology, 2007, 41(2): 486-492.

      [13]紀(jì)建業(yè). 脂肪酶活力測(cè)定方法的改進(jìn)[J]. 通化師范學(xué)院學(xué)報(bào),2005,26(6):51-53.endprint

      2.2超聲波提取17β-雌二醇降解酶條件的優(yōu)化

      以破碎功率、菌體濃度、破碎時(shí)間為響應(yīng)變量,根據(jù)單因素試驗(yàn)確定上下水平后,按Box-Behnken原理設(shè)計(jì)試驗(yàn)并進(jìn)行優(yōu)化分析。各試驗(yàn)組的因素水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1,試驗(yàn)分組及結(jié)果見(jiàn)表2。

      3結(jié)論

      本試驗(yàn)研究了1株17β-雌二醇高效降解菌的超聲破碎的優(yōu)化條件。首先利用單因素試驗(yàn)確定了破碎時(shí)間、破碎功率、菌體濃度等最佳破碎條件,然后用中心組合設(shè)計(jì)和響應(yīng)面分析法確定了影響因子的取值。優(yōu)化后的破碎條件為破碎功率400 W、破碎時(shí)間29 min、菌體濃度188 mg/mL。在此破碎條件下,降解酶酶活力為1.477 U,與預(yù)測(cè)值擬合良好,說(shuō)明該模型能很好地預(yù)測(cè)實(shí)際破碎情況。

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      [4]Kavlock R J,Daston G P,Derosa C,et al. Research needs for the risk assessment of health and environmental effects of endocrine disruptors:a report of the U.S. EPA-sponsored workshop[J]. Environmental Health Perspectives,1996,104(Suppl 4):715-740.

      [5]世界資源研究所,聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署,聯(lián)合國(guó)開(kāi)發(fā)計(jì)劃署,等. 1998-99世界資源報(bào)告:全球環(huán)境指南[M]. 北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,1999.

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      [7]任海燕,紀(jì)樹(shù)蘭,劉志培,等. 17α-乙炔基雌二醇降解菌的分離鑒定及降解特性[J]. 環(huán)境科學(xué),2006,27(6):1186-1190.

      [8]Haiyan R, Shulan J, Ahmad N, et al. Degradation characteristics and metabolic pathway of 17α-ethynylestradiol by Sphingobacterium sp. JCR5[J]. Chemosphere, 2007, 66(2): 340-346.

      [9]Fujii K, Kikuchi S, Satomi M, et al. Degradation of 17β-estradiol by a gram-negative bacterium isolated from activated sludge in a sewage treatment plant in Tokyo, Japan[J]. Applied and Environmental Microbiology,2002,68(4):2057-2060.

      [10]Fan Z, Casey F X M, Hakk H, et al. Persistence and fate of 17β-estradiol and testosterone in agricultural soils[J]. Chemosphere, 2007, 67(5): 886-895.

      [11]Muller M,Patureau D,Godon J J,et al. Molecular and kinetic characterization of mixed cultures degrading natural and synthetic estrogens[J]. Applied Microbiology and Biotechnology,2010,85(3):691-701.

      [12]Yu C P, Roh H, Chu K H. 17β-estradiol-degrading bacteria isolated from activated sludge[J]. Environmental Science & Technology, 2007, 41(2): 486-492.

      [13]紀(jì)建業(yè). 脂肪酶活力測(cè)定方法的改進(jìn)[J]. 通化師范學(xué)院學(xué)報(bào),2005,26(6):51-53.endprint

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