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茫崖翡翠湖嗜()盐细菌资源及其对NaCl胁迫的响应  PDF

  • 罗堂亮 1
  • 赵亚芳 1
  • 刘慧美 1
  • 马会彦 2
  • 夏占峰 1
  • 艾芮西 1
1. 塔里木大学 生命科学与技术学院,新疆 阿拉尔; 2. 邹城市检验检测中心,山东 济宁

最近更新:2025-04-09

DOI: 10.13343/j.cnki.wsxb.20240535

CSTR: 32112.14.j.AMS.20240535

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摘要

青海茫崖翡翠湖的高盐浓度,使其成为发掘嗜(耐)盐微生物的理想环境。

目的

挖掘茫崖翡翠湖的嗜(耐)盐微生物资源,比较分析NaCl浓度下嗜(耐)盐菌的形态特征,并探究其对NaCl胁迫的响应机制。

方法

采集茫崖翡翠湖的近岸湖水、湖盐及湖岸盐土3种样品,利用8种培养基和3个盐浓度梯度(10%、15%、20%)进行嗜(耐)盐菌的分离培养。通过光学显微镜、扫描电镜及透射电子显微镜观察3株嗜(耐)盐菌在不同NaCl浓度下的菌落形态、细胞形态及细胞内部结构。

结果

共分离获得58株嗜(耐)盐细菌,其中包括31株耐盐菌和27株嗜盐菌,分属于16个属,其中喜盐芽孢杆菌属(Halobacillus)和芽孢杆菌属(Bacillus) 为优势属。嗜盐菌主要由Halobacillus组成(占40.7%),耐盐菌主要由Bacillus组成(占19.3%);对Na+、Mg2+K+、Ca2+均有一定耐受性的菌株占总株数的84.5%。在不同NaCl浓度下,海岸枝芽孢杆菌(Virgibacillus litoralis) TRM 83602和咸鱼鱼芽孢杆菌(Piscibacillus salipiscarius) TRM 83622的细胞长度存在显著差异,而表皮短杆菌(Brevibacterium epidermidis) TRM 83610的细胞长度则无显著变化。

结论

茫崖翡翠湖蕴藏着相对丰富的嗜(耐)盐菌资源。NaCl浓度对嗜(耐)盐菌的生长繁殖、菌落形态、细胞形态及细胞内部结构均产生影响。本研究不仅加深了对茫崖翡翠湖微生物资源的认识,还为嗜(耐)盐微生物的进一步开发利用提供了丰富的菌株资源。

青藏高原自然条件极为恶劣,年平均温度低,降水稀少,却拥有全球海拔最高、规模最大、组分独特的盐湖区,备受世人瞩[

1-2]。茶卡盐湖、察尔汗盐湖等知名盐湖已受到学者的广泛关[3],而位于青海省海西州茫崖市的相对偏远的翡翠湖,尽管其盐离子以Na+、Mg2+、Cl-、SO42-为主,总盐含量高达53% (表1) ,但受到的关注度却相对较少。通过文献调研发现,青藏高原上研究较多的茶卡盐湖、柯柯盐湖、大柴旦盐湖、尕斯库勒盐湖、东台吉乃尔湖和西台吉乃尔湖属于硫酸镁亚型盐湖,察尔汗盐湖属于氯化物型盐湖,而茫崖翡翠湖属于硫酸钠亚型盐[4]。目前,对于青藏高原硫酸钠亚型盐湖的嗜(耐)盐微生物研究较为匮[5-7],且尚未见有关茫崖翡翠湖嗜(耐)盐微生物的研究报道。

表1  茫崖翡翠湖3种样品的pH值及主要盐成分
Table 1  The pH value and main salt components of three samples from Emerald Lake in Mangya
Sample

CO32-

(g/kg)

HCO3-

(g/kg)

Cl-

(g/kg)

Ca2+

(g/kg)

Mg2+

(g/kg)

SO42-

(g/kg)

K+

(g/kg)

Na+

(g/kg)

Total

(g/kg)

pH
YK ND 0.610 0.060 1.995 7.300 2.160 1.353 356.950 955.000 7.4
YT 0.060 ND 0.005 6.985 11.320 22.265 0.930 15.325 125.000 6.9
YH 0.240 ND 211.610 3.990 52.335 71.825 9.420 63.530 530.000 6.6

ND: Not detected, detection limit: 0.005 g/kg.

依据微生物的最适生长盐浓度,可将其划分为非盐微生物(<0.2 mol/L NaCl)、耐盐微生物(0.2-5.2 mol/L NaCl)以及嗜盐微生物,其中嗜盐微生物可进一步细分为轻度嗜盐(0.2-0.5 mol/L NaCl)、中度嗜盐(0.5-2.5 mol/L NaCl)和极端嗜盐(2.5-5.2 mol/L NaCl)微生[

8-10]。嗜(耐)盐微生物作为极端微生物资源之一,具有巨大的应用潜力,已在食品加工、发酵、纺织和农业等领域得到应[11-13]

嗜(耐)盐菌在形态学上的不同表现是其应对盐胁迫的一种重要响应机[

14]。李文[15]采用扫描电子显微镜观察了解菲假节杆菌(Pseudarthrobacter phenanthrenivorans) A-5在3个不同盐浓度下的细胞形态,发现随着盐浓度的增加,原本完整饱满的细胞逐渐皱缩甚至开始破裂。卢雨欣[16]在研究盐浓度对嗜盐真菌生物特性影响时发现,适当提高盐浓度有利于蒙地曲霉(Aspergillus montevidensis) CGMCC 3.15762的生长繁殖,分生孢子逐渐取代闭囊壳。Vauclare[17]利用延时显微镜观察了一株极端嗜盐古菌盐沼需盐小杆菌(Halobacterium salinarum),发现当NaCl浓度从0.5 mol/L增加到2.0 mol/L时,该菌株的细胞形态从短杆状变为长杆状。这些研究表明,盐浓度可能对微生物的细胞形态、结构及生长状况产生显著影响。

盐浓度不仅影响嗜(耐)盐菌的形态,还是其改变渗透压调节策略的主要驱动力。Saum[

18]研究表明,喜盐芽孢杆菌属嗜盐菌能够合成大量不同的相容性溶质,且这些溶质的合成受到不同盐浓度和不同生长时期的影响。Abosamaha[19]研究了盐浓度对太平洋盐单胞菌(Halomonas pacifica) ABQ1胞内相容性溶质的影响,发现在0.5 mol/L NaCl条件下,该菌株不仅能摄取外源甜菜碱,还能生产甜菜碱用以调节胞内渗透压;但在2 mol/L NaCl条件下,菌株胞内的主要相容性溶质变为四氢嘧啶,且羟基四氢嘧啶的含量在高盐浓度下不断增加。王海[20]用透射电子显微镜观察到嗜盐单胞菌(Halomonas sp.) DQ-4细胞内有白色颗粒物,推测可能是菌株积累的相容性溶质聚羟基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoate, PHA)。赵有[21]使用透射电子显微镜观察到解淀粉盐颗粒形菌(Halogranum amylolyticum) TNN58细胞内有白色颗粒物,并采用核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR)氢谱鉴定其为聚β-羟基丁酸酯(poly-β-hydroxybutyrate, PHB)。这些研究表明,NaCl浓度可能会影响嗜盐菌胞内相容性溶质的合成与积聚。

本研究以茫崖翡翠湖的高盐环境为研究对象,采用8种培养基进行嗜(耐)盐菌的分离培养。根据菌株的盐耐受试验结果,选取具有代表性的菌株,作为探究嗜(耐)盐菌对NaCl胁迫响应的研究对象。利用扫描电镜、透射电子显微镜观察这些菌株在不同浓度NaCl中的菌落形态、细胞形态和细胞内部结构,并比较分析了不同菌株对NaCl胁迫的响应机制。

1 材料与方法

1.1 样品采集与主要盐成分检测

2023年7月,从青海省茫崖市翡翠湖(38°9′5.02″N,91°54′56.34″E)采集了近岸湖盐、盐土、湖水3种样品,分别命名为YK、YT、YH。

样品的pH值参照文献[

22]中的方法进行测定,盐成分及总盐含量委托塔里木大学分析测试中心进行检测,检测结果见表1

1.2 培养基

嗜(耐)盐细菌分离培养基:CM培养[

23]、ISP5培养[24]、CMKA培养[25]、RM培养[7]、NHM培养[26]、ISP2培养[27]、F6培养[28]以及H培养基。H培养基(g/L):葡萄糖10.0,淀粉1.0,酵母提取物5.0,蛋白胨5.0,K2HPO4 1.0,MgSO4·7H2O 0.2,Na2CO3 10.0,琼脂粉20.0。微生物纯化培养基:CM培养基。盐耐受试验培养基:Gibbons培养[29]

1.3 主要试剂和仪器

SanTaq Fast PCR Master Mix (with Blue Dye)、50%戊二醛、细菌通用引物27F和1492R,生工生物工程(上海)股份有限公司;DL2000 DNA marker、GoldView II型核酸染色剂(5 000×),北京索莱宝科技有限公司。

PCR仪,伯乐生命医学产品(上海)有限公司;可拍照三目生物显微镜,麦克奥迪实业集团有限公司;紫外可见分光光度计,上海元析仪器有限公司;可变真空超高分辨场发射扫描电子显微镜,赛默飞世尔科技公司;透射电子显微镜,JEOL公司。

1.4 ()盐菌的分离培养及纯化

称取3种样品各1 g,分别放入装有9 mL无菌蒸馏水的无菌离心管中,稀释成浓度为0.1 g/mL的样品液。预实验发现,采用NaCl调节8种培养基的盐浓度,分离培养嗜(耐)盐微生物的效果不佳;而采用湖盐调节培养基的盐浓度,分离效果良好。为获取更多嗜(耐)盐微生物,选用湖盐调节培养基的盐质量分数并设置3个浓度(10%、15%、20%),调节pH为7.0。吸取100 μL浓度为0.1 g/mL的样品液,涂布于固体培养基上,置于37 ℃生化培养箱中倒置培养,记录菌落生长情况,挑取单菌落并采用三区划线法纯化培养。

1.5 微生物种类的鉴定

采用SDS热裂解法提取细菌DNA[

30],选择细菌通用引物27F (5′-AGAGTTTGATCCTGG CTCAG-3′)和1492R (5′-TACGACTTAACCCC AATCGC-3′)对纯化菌株的16S rRNA基因进行扩增。PCR反应体系(25 μL):2×SanTaq Fast PCR Master Mix (with Blue Dye) 12.5 μL,上、下游引物(10 μmol/L)各0.5 μL,DNA模板0.5 μL,ddH2O 11 μL。PCR反应条件:95 ℃预变性5 min;95 ℃变性30 s,54 ℃退火30 s,72 ℃延伸1.5 min,共30个循环;72 ℃终延伸10 min。选取含目的条带(约1 500 bp)的PCR扩增产物送至生工生物工程(上海)股份有限公司进行双向测序。序列采用SeqMan Pro v7.1软件进行裁剪和拼接,拼接完成的16S rRNA基因序列用EzBioCloud数据库进行相似度比对,以判断微生物的种类。将序列上传至GenBank以获取登录号。

1.6 盐耐受试验

经预实验检验,绝大多数嗜(耐)盐菌能够在Gibbons固体培养基上良好生长且传代稳定,因此选用Gibbons培养基作为盐耐受试验的基础培养基,并以金属离子为单一变量,设置7个质量分数,即0、5%、10%、15%、20%、25%、30%,分别探究不同菌株对NaCl、KCl、MgCl2、CaCl2的耐受能力。将嗜(耐)盐菌分别接种于上述培养基上,置于37 ℃恒温倒置培养14 d,记录菌株生长情况及菌落外貌形态。重复上述操作2次。

1.7 三株嗜()盐菌对盐胁迫的响应

按照郑绵平[

4]的盐湖水化学类型分类方法,茫崖翡翠湖虽属于硫酸钠亚型盐湖,但盐湖中含量最高的盐是NaCl,其次才是Na2SO4,因此以NaCl为单一变量探究茫崖翡翠湖嗜(耐)盐细菌对盐胁迫的响应。

根据盐耐受试验结果,选取在Gibbons固体培养基上生长旺盛且对NaCl、KCl、MgCl2、CaCl2耐受性较好的菌株作为后续试验的研究对象,以确保试验所用菌株具有稳定性和代表性。

1.7.1 NaCl3株嗜()盐菌菌落特征的影响

NaCl设置7个质量分数,即0、5%、10%、15%、20%、25%、30%,实验组与空白对照组均设置3个重复。将满足条件的菌株分别接种于含不同浓度NaCl的Gibbons固体培养基中,37 ℃恒温培养7-14 d,拍照记录。

1.7.2 NaCl3株嗜()盐菌生长情况的影响

将满足条件的菌株接种于含不同浓度NaCl的Gibbons液体培养基中;实验组与空白对照组均设置3个重复,于37 ℃、120 r/min摇床中培养,用分光光度计测定菌液OD600值,以光密度值达到0.6-0.8的菌液作为种子液,停止培养后于4 ℃保存备用。

根据OD600值确定接种量,确保接种后菌株终浓度一致。将种子液接种到梯度NaCl浓度的Gibbons液体培养基中,实验组与空白对照组均设置3个重复,37 ℃、120 r/min摇床培养;生长周期进入稳定期的菌液停止培养,用波长为600 nm的分光光度计测定其光密度值。

1.7.3 光学显微镜观察

取出适量发酵液制片并镜检,观察并记录不同浓度NaCl条件下菌体的形态和生长状况。

1.7.4 扫描电镜观察

取出适量发酵液,在4 ℃、4 000 r/min条件下离心15 min收集菌[

31],委托塔里木大学分析测试中心拍摄扫描电镜照片。按照五点取样法统计细胞长度,依据菌株和NaCl浓度分组,每个实验组任选3张电镜图,将图中细胞聚集区分为五等份,每个矩形区域随机统计2个细胞的长度,菌株的所有分组汇总后提交至IBM SPSS Statistics 27软件中,以NaCl浓度为自变量,菌株细胞长度为因变量进行方差分析,检验其显著性(α=0.05)。

1.7.5 透射电子显微镜观察

取出发酵液,4 ℃、4 000 r/min离心15 min收集菌体,委托武汉迈斯普生物科技有限公司切片并拍摄透射电子显微镜图片。

2 结果与分析

2.1 茫崖翡翠湖嗜()盐菌的种类及分布

2.1.1 茫崖翡翠湖嗜()盐菌的种类

从茫崖翡翠湖3种样品中共分离获得58株嗜(耐)盐菌,经鉴定这些菌株分属于2门16属40种,结果见表2。这些菌属包括喜盐芽孢杆菌属(Halobacillus) 11株、芽孢杆菌属(Bacillus) 10株、普里斯特氏菌属(Priestia) 4株、咸海鲜芽孢杆菌属(Jeotgalibacillus) 4株、鱼芽孢杆菌属(Piscibacillus) 4株、短杆菌属(Brevibacterium) 3株、纤细芽孢杆菌属(Gracilibacillus) 3株、大洋芽孢杆菌属(Oceanobacillus) 3株、罗塞略莫拉氏菌属(Rossellomorea) 3株、土地芽孢杆菌属(Terribacillus) 3株、假碱芽孢杆菌属(Pseudalkalibacillus) 2株、葡萄球菌属(Staphylococcus) 2株、海水女神芽孢杆菌属(Thalassobacillus) 2株、枝芽孢杆菌属(Virgibacillus) 2株、微小杆菌属(Exiguobacterium) 1株以及慢生芽孢杆菌属(Lentibacillus) 1株。其中,有13个菌属共计52株菌在分类学上被归为芽孢杆菌科(Bacillaceae)。

表2  分离获得的菌株信息及其耐受盐浓度范围 ( 待续 )
Table 2  The information of the isolated strains and their range of salt tolerance
Serial numberMedium

Salt

concentration of medium (%)

Similar strainMaximumsimilarity(%)GenBank accession numberSalt concentrations (%)Classification
NaClMgCl2KClCaCl2
TRM83601 RM 10

Exiguobacterium qingdaonense

S82

99.9 PP658248 0-10 0-25 0-15 0-10 Halotolerant bacteria
TRM83602 RM 10

Virgibacillus litoralis

JSM 089168

99.9 PP658249 5-15 5-25 10-15 5-15 Halophilic bacteria
TRM83603 RM 10

Jeotgalibacillus terrae

JSM 081008

99.1 PP658250 0-15 0-25 0-25 0-10 Halotolerant bacteria
TRM83604 RM 15

Halobacillus litoralis

SL-4

99.7 PP658251 5-20 5-25 5-15 5-15 Halophilic bacteria
TRM83605 ISP2 10

Bacillus tequilensis

KCTC 13622

99.9 PP658252 5-25 5-25 5-25 5-20 Halophilic bacteria
TRM83606 ISP2 10

Bacillus siamensis

KCTC 13613

99.9 PP658253 0-10 0-15 0-15 0-10 Halotolerant bacteria
TRM83607 CM 10

Gracilibacillus dipsosauri

DD1

99.2 PP658254 5-15 5-25 5-25 5-10 Halophilic bacteria
TRM83608 CM 10

Brevibacterium epidermidis

NBRC 14811

99.9 PP658255 0-15 0-25 0-25 0-10 Halotolerant bacteria
TRM83609 CM 10

Gracilibacillus dipsosauri

DD1

99.3 PP658298 5-15 10-25 10-25 5-20 Halophilic bacteria
TRM83610 CM 10

Brevibacterium epidermidis

NBRC 14811

99.5 PP658256 0-15 0-25 0-30 0-15 Halotolerant bacteria
TRM83611 CM 10

Oceanobacillus picturae

LMG 19492

99.4 PP658257 0-15 0-25 0-25 0-5 Halotolerant bacteria
TRM83612 CMKA 15

Lentibacillus halodurans

8-1

99.9 PP658258 Not grown Not grown Not grown Not grown Halophilic bacteria[32]
TRM83613 CM 10

Staphylococcus xylosus

CCM 2738

100 PP658259 0-5 0-15 0-10 0-5 Halotolerant bacteria
TRM83614 CM 10

Halobacillus litoralis

SL-4

99.7 PP658260 5-20 5-25 5-15 5-15 Halophilic bacteria
TRM83615 CM 10

Oceanobacillus kimchii

X50

100 PP658261 0-15 0-25 0-25 0-10 Halotolerant bacteria
TRM83616 CM 10

Terribacillus aidingensis

CGMCC 1.8913

100 PP658262 5-20 5-15 Not grown Not grown Halophilic bacteria
TRM83617 CM 10

Halobacillus andaensis

NEAU-ST10-40

98.8 PP658263 5-15 5-15 5-20 5-10 Halophilic bacteria
TRM83618 CM 10

Priestia flexa

NBRC 15715

99.6 PP658264 0-20 0-25 0-15 0-10 Halotolerant bacteria
TRM83619 CM 10

Rossellomorea arthrocnemi

EAR8

99.3 PP658265 0-5 0-5 0-10 Not grown Halotolerant bacteria
TRM83620 CM 15

Virgibacillus halodenitrificans

DSM 10037

100 PP658266 0-15 0-30 0-30 0-20 Halotolerant bacteria
TRM83621 CM 15

Thalassobacillus hwangdonensis

AD-1

99.7 PP658267 0-10 0-15 0-20 Not grown Halotolerant bacteria
TRM83622 CM 15

Piscibacillus salipiscarius

JCM 13188

99.4 PP658268 5-20 5-30 5-25 5-15 Halophilic bacteria
TRM83623 ISP5 10

Halobacillus trueperi

DSM 10404

99.7 PP658269 5-20 5-25 5-25 5-20 Halophilic bacteria
TRM83624 ISP5 10

Bacillus salacetis

SKP7-4

99.3 PP658270 Not grown Not grown Not grown Not grown Halotolerant bacteria[33]
TRM83625 ISP5 10

Rossellomorea arthrocnemi

EAR8

99.1 PP658271 0-20 0-25 Not grown 0-10 Halotolerant bacteria
TRM83626 ISP5 15

Halobacillus litoralis

SL-4

99.9 PP658272 5-20 5-25 5-15 5-15 Halophilic bacteria
TRM83627 ISP5 20

Halobacillus sediminis

NGS-2

99.7 PP658273 5-20 5-20 5-15 5-10 Halophilic bacteria
TRM83628 ISP5 10

Bacillus pumilus

ATCC 7061

99.9 PP658274 0-15 0-15 0-10 0-10 Halotolerant bacteria
TRM83629 ISP5 10

Bacillus zhangzhouensis

DW5-4

99.9 PP658275 0-10 0-20 0-10 0-5 Halotolerant bacteria
TRM83630 ISP5 10

Rossellomorea marisflavi

JCM 11544

100 PP658276 0-5 0-10 0-10 0-5 Halotolerant bacteria
TRM83631 ISP5 10

Priestia endophytica

2DT

100 PP658277 0-10 0-20 0-10 0-10 Halotolerant bacteria
TRM83632 ISP5 10

Bacillus altitudinis

41KF2b

100 PP658278 5-10 5-15 5-15 5-10 Halophilic bacteria
TRM83633 ISP5 15

Piscibacillus halophilus

HS224

99.3 PP658279 5-20 5-25 5-25 5-20 Halophilic bacteria
TRM83634 ISP5 15

Halobacillus profundi

IS-Hb4

98.9 PP658280 5-15 5-20 5-15 5-10 Halophilic bacteria
TRM83635 NHM 15

Halobacillus trueperi

DSM 10404

99.7 PP658300 5-25 5-25 5-20 5-10 Halophilic bacteria
TRM83636 ISP5 20

Halobacillus dabanensis

D-8

99.7 PP658281 5-10 5-10 5-10 Not grown Halophilic bacteria
TRM83637 ISP5 20

Piscibacillus salipiscarius

JCM 13188

99.4 PP658282 5-25 Not grown 5-20 Not grown Halophilic bacteria
TRM83638 H 10

Bacillus paralicheniformis

KJ-16

99.5 PP658283 0-10 0-25 0-20 0-20 Halotolerant bacteria
TRM83641 H 10

Terribacillus halophilus

DSM 21620

100 PP658286 Not grown Not grown Not grown Not grown Halotolerant bacteria[34]
TRM83642 H 10

Priestia endophytica

2DT

99.8 PP658287 0-10 0-20 0-10 0-10 Halotolerant bacteria
TRM83643 CM 10

Terribacillus saccharophilus

002-048

100 PP658288 0-15 0-20 0-15 0-10 Halotolerant bacteria
TRM83644 CM 10

Bacillus aequororis

M-8

100 PP658289 5-15 5-20 5-10 5-10 Halophilic bacteria
TRM83645 H 10

Priestia endophytica

2DT

99.8 PP658294 0-10 0-20 0-10 0-10 Halotolerant bacteria
TRM83646 ISP5 10

Bacillus cabrialesii

TE3

100 PP658290 0-5 0-20 0-15 0-5 Halotolerant bacteria
TRM83647 ISP5 20

Pseudalkalibacillushwajinpoensis

SW-72

99.6 PP658292 0-15 0-30 0-20 0-10 Halotolerant bacteria
TRM83648 CM 10

Piscibacillus halophilus

HS224

99.1 PP658295 5-20 5-25 5-25 5-15 Halophilic bacteria
TRM83649 CM 15

Thalassobacillus cyri

CCM7597

99.9 PP658296 5-15 5-25 5-25 5-10 Halophilic bacteria
TRM83650 F6 15

Gracilibacillus saliphilus

YIM 91119

99.4 PP658297 5-20 5-20 5-25 5-10 Halophilic bacteria
TRM83651 RM 10

Staphylococcus epidermidis

NCTC 11047

99.9 PP658299 5-10 5-15 5-10 5 Halophilic bacteria
TRM83652 NHM 15

Halobacillus trueperi

DSM 10404

99.6 PP658301 5-25 5-25 5-25 5-10 Halophilic bacteria
TRM83653 F6 10

Jeotgalibacillus terrae

JSM 081008

98.7 PP658302 0-20 0-25 0-25 Not grown Halotolerant bacteria
TRM83654 F6 10

Oceanobacillus kimchii

X50

99.9 PP658303 0-20 0-25 0-30 0-5 Halotolerant bacteria
TRM83655 F6 10

Pseudalkalibacillushwajinpoensis

SW-72

99.7 PP658304 0-15 0-30 0-20 0-10 Halotolerant bacteria
TRM83656 F6 10

Jeotgalibacillus terrae

JSM 081008

98.6 PP658305 0-15 0-25 0-20 0-10 Halotolerant bacteria
TRM83657 F6 10

Bacillus aequororis

M-8

99.9 PP658306 5-15 5-20 5-10 10-15 Halophilic bacteria
TRM83658 F6 10

Jeotgalibacillus alimentarius

YKJ-13

99.2 PP658307 0-15 0-25 0-20 0-10 Halotolerant bacteria
TRM83659 CM 10

Brevibacterium epidermidis

NBRC 14811

98.8 PP658291 0-15 0-25 0-20 0-15 Halotolerant bacteria
TRM83660 ISP5 20%

Halobacillus andaensis

NEAU-ST10-40

99.1 PP658293 5-15 5-10 5-10 5-10 Halophilic bacteria

(待续)

(待续)

2.1.2 茫崖翡翠湖嗜()盐细菌在不同盐浓度中的分布

本研究设置3个盐浓度,即10%、15%和20%。如图1所示,从盐浓度为10%的培养基中共分离获得41株菌,这些菌株分属于14个不同的属;从盐浓度为15%的培养基中分离获得6个属的12株菌;而从盐浓度为20%的培养基中仅分离获得3个属的5株菌。此外,有9个菌属(包括Bacillus等)共计33株菌仅从盐浓度为10%的培养基中分离获得,占总菌株数的56.9%;而ThalassobacillusLentibacillus这2个菌属仅在盐浓度为15%的培养基中分离获得,占总菌株数的5.1%。以上结果表明,采用盐浓度为10%的培养基可以从茫崖翡翠湖中分离获得较为丰富的嗜(耐)盐细菌资源。

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图1  ()盐细菌在不同盐浓度中的分布。图例所示百分数代表盐的质量分数。

Figure 1  The distribution of halophilic (halotolerant) bacteria in different salt concentrations. The percentages shown in the legend represent the mass percentage concentration of salt.

2.1.3 培养基类型对茫崖翡翠湖嗜()盐细菌分离培养的影响

图2所示,采用8种不同类型的培养基从茫崖翡翠湖中分离嗜(耐)盐细菌,分离效果最佳的是CM,从中培养基分离得到了12属的共20株细菌;其次是ISP5培养基,分离得到了6属的共17株细菌;ISP2、CMKA和NHM培养基的分离效果相对较差,仅分离得到了1个属的细菌。共有5种培养基成功分离得出了Bacillus,而Halobacillus则分布在4种培养基中;BrevibacteriumThalassobacillus这2个菌属仅在CM培养基中被发现,Exiguobacterium菌属则仅在RM培养基中分离获得,而CMKA培养基仅成功分离出了Lentibacillus

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图2  不同种类培养基对嗜()盐菌分离培养的影响

Figure 2  Effect of different types of media on the isolation and cultivation of halophilic (halotolerant) bacteria.

2.1.4 茫崖翡翠湖不同类型样品嗜()盐细菌的群落组成差异

图3可知,从盐土样品中分离获得了14个属的共35株细菌;从湖盐中分离获得9属共22株细菌,从湖水中仅分离得到1属1株细菌。这说明盐土中蕴藏的微生物资源较湖盐和湖水可能更为丰富多样。

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图3  不同样品分离获得的嗜()盐细菌数量

Figure 3  The number of halophilic (halotolerant) bacteria isolated from different samples.

2.2 茫崖翡翠湖嗜()盐细菌的盐耐受能力

对58株嗜(耐)盐细菌进行了盐耐受能力测试,试验结果见图4,结果表明,茫崖翡翠湖中的大多数嗜(耐)盐细菌(84.5%)对Na+、Mg2+K+、Ca2+均表现出一定的耐受性。参考前人的研究成果并结合嗜盐菌、耐盐菌的分类标准,对这些菌株进行了分类(表2)。参照文献[

32]将耐盐慢生芽孢杆菌(Lentibacillus halodurans) TRM 83612划分为嗜盐菌,参照文献[33-34]将盐毛虾芽孢杆菌(Bacillus salacetis) TRM 83624和嗜碱土地芽孢杆菌(Terribacillus halophilus) TRM 83641划分为耐盐菌;统计结果显示,耐盐菌共有31株,占总菌株数的53.4%;嗜盐菌有27株,占总菌株数的46.6%。对不同菌属中嗜盐菌与耐盐菌的数量进行统计后发现,有7个属的全部20株菌均归属于耐盐菌,占总菌株数的34.5%;有4个属的全部19株菌均归属于嗜盐菌,占总菌株数的32.8%;还有5个属兼有嗜盐菌与耐盐菌的分布,占总菌株数的32.7%。从菌属分布来看,耐盐菌分布于12个菌属中,占总菌属的75.0%;而嗜盐菌则分布于9个菌属中,占总菌属的56.2%。其中,嗜盐菌主要来源于Halobacillus (40.7%),耐盐菌中Bacillus的占比最高(19.3%)。以上数据表明,耐盐菌在12个菌属中的分布较为广泛,而嗜盐菌则主要集中分布在Halobacillus中。

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图4  不同菌属中嗜盐菌与耐盐菌的分布情况

Figure 4  The distribution of halophilic (halotolerant) bacteria among different bacterial genera.

海岸枝芽孢杆菌(Virgibacillus litoralis) TRM 83602是一种中度嗜盐菌,能够耐受5%-15% NaCl、5%-25% MgCl2、10%-15% KCl、5%-15% CaCl2;表皮短杆菌(Brevibacterium epidermidis) TRM 83610是一种耐盐菌,能够耐受0-15% NaCl、0-25% MgCl2、0-30% KCl、0-15% CaCl2;咸鱼鱼芽孢杆菌(Piscibacillus salipiscarius) TRM 83622同样是一种中度嗜盐菌,能够耐受5%-20% NaCl、5%-30% MgCl2、5%-25% KCl、5%-15% CaCl2(表2)。上述3株细菌在以NaCl浓度为单一变量的Gibbons固体培养基中生长旺盛,且对Mg2+K+、Ca2+的耐受性良好,因此具有代表性。将这3株细菌作为探究茫崖翡翠湖嗜(耐)盐菌对NaCl胁迫响应的对象,进一步研究它们在不同浓度NaCl中的生长情况、菌落形态特征、细胞形态特征以及细胞内部结构。

2.3 三株嗜()盐菌对NaCl胁迫的响应

2.3.1 NaCl3株嗜()盐菌生长及其菌落特征的影响

微生物的菌落特征(图5)与生长曲线(图6)能够直观地反映其生长状况与NaCl浓度的关系。当NaCl浓度为5%时,V. litoralis TRM 83602的菌落呈现暗黄色,饱满湿润,菌液的最大光密度值(OD600)为1.8;随着NaCl浓度提升至10%,菌落大小有所增加、表面光滑且扁平,菌液的最大光密度值也相应增大(OD600为1.9);当NaCl浓度为15%时,菌落颜色为白色,菌落大小减小,尽管表面光滑、扁平,但菌液的最大光密度值减小(OD600为1.4);在NaCl浓度为0、20%-25%的条件下,该菌株无法生长;在5%-15%的NaCl浓度范围内,随着NaCl浓度的增加,该菌株的光密度值先增后减,说明较低和较高的NaCl浓度均会抑制其生长。

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图5  三株嗜()盐菌在不同浓度NaCl中的菌落特征。A1-A6:分别表示添加了质量分数为0、5%、10%、15%、20%、25%的NaCl的TRM 83602;B1-B6:分别表示添加了质量分数为0、5%、10%、15%、20%、25%的NaCl的TRM 83610;C1-C6:分别表示添加了质量分数为0、5%、10%、15%、20%、25%的NaCl的TRM 83622。

Figure 5  The colony characteristics of three halophilic (halotolerant) bacteria in different concentrations of NaCl. A1-A6: Represent TRM 83602 with added NaCl at mass percentage concentration of 0, 5%, 10%, 15%, 20%, and 25%, respectively; B1-B6: Represent TRM 83610 with added NaCl at mass percentage concentration of 0, 5%, 10%, 15%, 20%, and 25%, respectively; C1-C6: Represent TRM 83622 with added NaCl at mass percentage concentration of 0, 5%, 10%, 15%, 20%, and 25%, respectively.

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图6  三株嗜()盐菌在不同浓度NaCl中的生长曲线图。A:TRM 83602的生长曲线:B:TRM 83610的生长曲线;C:TRM 83622的生长曲线。

Figure 6  The growth curves of three halophilic (halotolerant) bacteria in different concentrations of NaCl. A: The growth curves of TRM 83602; B: The growth curves of TRM 83610; C: The growth curves of TRM 83622.

对于B. epidermidis TRM 83610,在无NaCl添加(0)的情况下,其菌落呈乳白色,大而扁平,表面光滑且饱满湿润,最大光密度值为2.5;当NaCl浓度为5%时,菌液的最大光密度值略降至2.3,但菌落形态无明显变化;NaCl浓度增至10%时,菌液的最大光密度值为2.3,但菌落大小减小,颜色变浅,中部微微隆起,表面光滑;在15% NaCl条件下,菌液的最大光密度值为2.1,菌落大小达到最小、表面光滑,中部隆起,颜色变浅;当NaCl浓度为20%-25%时,该菌株无法生长;0-15%的NaCl浓度范围内,随着NaCl浓度的增加,TRM 83610的光密度值逐渐减小,说明较高浓度的NaCl对该菌株的生长具有抑制作用。

NaCl浓度为5%时,P. salipiscarius TRM 83622的菌落颜色为暗黄色,表面光滑湿润且扁平,菌液的最大光密度值为1.9;NaCl浓度为10%时,菌落发黄变大、表面光滑扁平,菌液的最大光密度值为2.0;NaCl浓度为15%时,菌落颜色为浅白色,菌落大小增大、表面光滑湿润且扁平,菌液的最大光密度值为2.3;当NaCl浓度达到20%时,菌落颜色呈白色,菌落大、表面光滑湿润、扁平,菌液的最大光密度值为1.7。在NaCl浓度为0和25%的条件下,该菌株无法生长;在5%-20%的NaCl浓度范围内,随着NaCl浓度的增加,该菌株的光密度值也是先增后减,说明较低和较高的NaCl浓度同样会抑制其生长。

2.3.2 光学显微镜结合扫描电镜观察不同浓度NaCl中的3株嗜()盐菌

结合光学显微镜(图7)与扫描电镜(图8),观察不同浓度NaCl对3株细菌细胞形态的影响。V. litoralis TRM 83602的细胞呈长杆状,通常聚集成短链或成对分布,细胞长1.27-3.66 μm。NaCl浓度的变化对该菌株的细胞长度具有显著影响(P<0.05),且当NaCl浓度为10%时,细胞的平均长度达到最大值,为2.46 μm。

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图7  三株嗜()盐菌在不同浓度NaCl中的显微镜照片(放大倍数均为1 000×)。A1-A3:分别表示添加了质量分数为5%、10%、15%的NaCl的TRM 83602;B1-B4:分别表示添加了质量分数为0、5%、10%、15%的NaCl的TRM 83610;C1-C4:分别表示添加了质量分数为5%、10%、15%、20%的NaCl的TRM 83622。

Figure 7  Microscopic images of three halophilic (halotolerant) bacteria in different concentrations of NaCl (the magnification is 1 000×). A1-A3: Represent TRM 83602 with added NaCl at mass percentage of 5%, 10%, and 15%, respectively; B1-B4: Represent TRM 83610 with added NaCl at mass percentage of 0, 5%, 10%, and 15%, respectively; C1-C4: Represent TRM 83622 with added NaCl at mass percentage of 5%, 10%, 15%, and 20%, respectively.

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图8  三株嗜()盐菌在不同浓度NaCl中的扫描电镜照片。A1-A3:分别表示添加了质量分数为5%、10%、15%的NaCl的TRM 83602;B1-B4:分别表示添加了质量分数为0%、5%、10%、15%的NaCl的TRM 83610;C1-C4:分别表示添加了质量分数为5%、10%、15%、20%的NaCl的TRM 83622。

Figure 8  Scanning electron microscope images of three halophilic (halotolerant) bacteria in different concentrations of NaCl. A1-A3: Represent TRM 83602 with added NaCl at mass percentage of 5%, 10%, and 15%, respectively; B1-B4: Represent TRM 83610 with added NaCl at mass percentage of 0%, 5%, 10%, and 15%, respectively; C1-C4: Represent TRM 83622 with added NaCl at mass percentage of 5%, 10%, 15%, and 20%, respectively.

B. epidermidis TRM 83610的细胞为短杆状,细胞长1.05-2.20 μm,NaCl浓度的变化对该菌株的细胞长度无显著影响(P>0.05)。

P. salipiscarius TRM 83622的细胞为长杆状,细胞长1.41-8.45 μm;NaCl浓度的变化对该菌株的细胞长度具有显著影响(P<0.05),当NaCl浓度为15%时,细胞的平均长度达到最大值,为4.31 μm。

2.3.3 透射电子显微镜观察不同浓度NaCl中的3株嗜()盐菌

通过透射电子显微镜观察不同浓度NaCl对3株细菌细胞内部结构的影响。如图9所示,黑色圆圈标记的区域内,可以清晰地看到数量不等的颗粒物散布于细胞内。对于V. litoralis TRM 83602,当NaCl浓度为5%、10%、15%时,其细胞内均存在数量不等的颗粒。未添加NaCl时,B. epidermidis TRM 83610的细胞内未发现颗粒物;当NaCl浓度为5%、10%、15%时,细胞开始出现数量不等的颗粒。添加20% NaCl,其细胞内并未发现颗粒;而在NaCl浓度为5%、10%、15%时,该菌株细胞内同样存在数量不等的颗粒。说明嗜(耐)盐菌胞内颗粒的产生和积聚受到NaCl浓度的影响。

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图9  三株嗜()盐菌在不同浓度NaCl中的透射电子显微镜照片。A1-A3:分别表示添加了质量分数为5%、10%、15% NaCl的TRM 83602细胞内部结构;B1-B4:分别表示添加了质量分数为0、5%、10%、15% NaCl的TRM 83610细胞内部结构;C1-C4:分别表示添加了质量分数为5%、10%、15%、20% NaCl的TRM 83622细胞内部结构。

Figure 9  Transmission electron microscope images of three halophilic (halotolerant) bacteria in different concentrations of NaCl. A1-A3: Represent TRM 83602 with added NaCl at mass percentage of 5%, 10%, and 15%, respectively; B1-B4: Represent TRM 83610 with added NaCl at mass percentage of 0, 5%, 10%, and 15%, respectively; C1-C4: Represent TRM 83622 with added NaCl at mass percentage of 5%, 10%, 15%, and 20%, respectively.

3 讨论与结论

在中国西北众多盐湖中,研究人员对新疆和青藏高原的盐湖嗜(耐)盐微生物进行了较多研究,这些研究共同揭示了不同盐湖中细菌群落结构的差异性。沈[

7]研究发现,青藏高原察尔汗盐湖的优势菌属包括Bacillus (34.4%)、Oceanobacillus (25.8%)和盐单胞菌属(Halomonas,17.2%);赵婉雨[35]研究发现达布逊湖的优势属为Bacillus (64.2%);张欣[36]通过高通量测序发现茶卡盐湖中的优势属有Bacillus (41.9%)、Oceanobacillus (8.0%);刘静[37]研究发现小柴旦盐湖中Bacillus (21.5%)是优势种群;尕斯库勒盐[6]的优势属有Bacillus (82.6%)、Halomonas (8.9%),青海[38]的优势属为Halomonas (28.5%)。新疆艾丁[39]的优势属为Halomonas (12.5%);巴里坤[40]的优势属为Bacillus (68.0%);达坂城盐[41]的优势属有Bacillus (48.0%)、Halobacillus (14.0%)和Halomonas (13.0%);艾比[42]的优势属有玫瑰变色菌属(Roseovarius,20.2%)、Halomonas (17.2%)和冷弯曲菌属(Psychroflexus,6.6%);七角[43]的优势属有Halobacillus (34.8%)和Halomonas (19.7%)。在上述11个盐湖中,BacillusHalomonas作为优势类群被提及了7次,可见,在西北地区BacillusHalomonas是盐湖微生物中不可忽视的种群。本研究采用8种培养基、3个盐浓度梯度,共从茫崖翡翠湖分离获得58株嗜(耐)盐细菌,分属于2门16属,其中Halobacillus (19.0%)与Bacillus (17.2%)是优势属。在上述盐湖中,仅七角井与茫崖翡翠湖的第一优势属同为Halobacillus;虽然艾丁湖、艾比湖、青海湖与茫崖翡翠湖均属于硫酸钠亚型盐[44],但各盐湖优势菌属的组成类型存在差异,这表明盐湖微生物的群落结构特征是多种因素共同作用的结果,包括盐湖水化学特征、气候条件、地理位置等多种影响因子。

盐耐受试验结果表明,分离获得的嗜(耐)盐细菌中有84.5%的菌株对Na+、Mg2+K+、Ca2+均有一定的耐受性。这种耐受多种盐离子的特性增强了它们在复杂盐环境中的生存能力,是微生物适应环境的一种重要生存策[

45] 。同时,这种环境特征也一定程度上反映了微生物的生存需求。

V. litoralis TRM 83602与P. salipiscarius TRM 83622均为嗜盐菌,它们在Na+胁迫下的形态响应相似:NaCl浓度变化对菌株细胞长度均有显著影响,且当NaCl浓度达到其最适生长盐浓度时,细胞平均长度达到最大值。这表明菌株可能通过调节细胞长度以适应NaCl浓度的变化。Seck[

46]研究发现,在适宜环境中,芽孢杆菌细胞长度会增大,本研究结果与其相符。赵有[21]使用透射电子显微镜观察到H. amylolyticum TNN58细胞内有白色颗粒物,并采用NMR氢谱鉴定其为PHB;傅双[31]通过透射电子显微镜观察到蜡样芽孢杆菌(Bacillus cereus) HBL-AI胞内有大量颗粒状物质,并采用红外光谱和核磁共振分析最终鉴定这些颗粒状物质为PHA;Kong[47]采用透射电子显微镜观察了不同培养阶段的Halomonas shrimpha IBTH01和Marinobacter haeunpha IBTM02,记录了其胞内颗粒逐渐增加的过程,并经NMR氢谱分析鉴定为PHB。以上研究表明,PHA在微生物细胞内以颗粒状微球的形式存在。由于PHA分子由酯键连接而成、难溶于水,而氨基酸类及其衍生物、甜菜碱、多元醇类、糖类等亲水性的相容性溶质在以水为主要成分的细胞液中难以直接观察到。本研究通过透射电子显微镜观察到,在不同NaCl浓度条件下,3株嗜(耐)盐菌胞内分布有数量不等的颗粒状物质。据此推测,这些颗粒状微球可能是PHA家族中的一种或多种。

P. salipiscarius TRM 83622能够耐受20% NaCl,但其胞内并未观察到颗粒状物质,这可能是因为相容性物质在调节渗透压方面的作用有限,主要在中低盐环境中发挥重要作用;而在高盐环境中,菌株可能转而依赖其他机制来适应环境,例如内盐策[

48]。耐盐菌B. epidermidis TRM 83610对NaCl胁迫的响应与嗜盐菌不同,NaCl浓度对耐盐菌细胞长度无显著影响,但随着NaCl浓度的增大,观察到了皱缩的菌株细胞。此外,还观察到了弯曲成半圆的细胞(图7),Pei[49]研究发现,表皮短杆菌细胞成环或弯曲是细胞衰亡的表现,本研究结果与其相符。

本研究采用8种培养基、3个盐浓度,分离培养茫崖翡翠湖的嗜(耐)盐细菌,并探究了其中生长旺盛、耐受NaCl能力强的3株代表菌对NaCl胁迫的响应。结果表明,茫崖翡翠湖拥有丰富的嗜(耐)盐菌资源;NaCl浓度能够影响嗜(耐)盐菌的生长繁殖、菌落形态、细胞形态以及细胞内部结构。本研究不仅丰富了对茫崖翡翠湖所蕴藏的微生物资源的认知,还为嗜(耐)盐微生物的进一步开发利用提供了丰富的菌株资源。

作者贡献声明

罗堂亮:菌株分离纯化,微生物种类鉴定,盐耐受试验,菌株耐受盐胁迫响应试验,撰写初稿;赵亚芳:方法验证,菌株分离纯化与保藏,数据收集与整理;刘慧美:技术支持,菌株耐受盐胁迫响应试验;马会彦:技术指导,论文修改;夏占峰:实验设计,项目管理;艾芮西:样品采集与前处理。

利益冲突

作者声明不存在任何可能会影响本文所报告工作的已知经济利益或个人关系。

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