Screening of Potassium Dissolving JX-10 Bacteria and Research on the Optimization of Potassium-dissolving
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摘要: 本文从一钾长石矿区土壤中分离、筛选得到了6株高效解钾细菌。其中命名为JX-10的菌株分离于矿区茼蒿根系土壤,经基因测序鉴定为Bacillus sp.,与KT981886菌相似度高到99.72%。同时就培养时间、温度及转速等解钾工艺条件进行了探讨。实验结果表明,JX-10菌株具有分解钾长石矿物的能力。其较佳解钾工艺条件为:培养温度28 ℃、时间10 d,转速160 r/min,培养基pH值为 5.0,钾长石浓度2 g/L,粒度0.03 mm,接种量25%,硫酸铵浓度0.2 g/L。在较佳工艺条件下,溶液中可溶性钾离子含量可达23.32 mg/L,浸出率为8.36%。Abstract: In this study, six strains with potassium-dissolving ability were screened from the soils collected from a K-feldspar mining area . One of them, which named JX-10 strain was identified as a kind of bacterium, by 16 S rRNA gene sequencing. Simultaneously, the optimization of potassium-dissolving were also discussed. The results show that, the JX-10 strain had an obvious dissolution effect on K-feldspar. The optimum conditions for the JX-10 strain to remove potassium from K-feldspar were as follows: cultured at 28 ℃ for 10 days, pH value of the culture medium of 5.0, 60 mL medium in a 250 mL conical flask, and 160 r/min shaking speed on a rotary shaker. The K-feldspar concentration and granularity, inoculation volume, ammonium sulfate dose were 2 g/L, 0.03 mm, 25%, 0.2 g/L, respectively. Under the above conditions, the highest the potassium content and corrosion efficiency reach to 23.32 mg/L and 8.36%, respectively.
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Keywords:
- Potassium bacteria /
- Screening /
- Identified /
- Process optimization
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氮磷钾对农作物的生长起着极其重要的作用,但我国土壤中可溶性钾含量却严重贫乏[1]。我国又是人口大国,对钾肥需求量很大,据统计每年需进口60%左右的钾肥[2]。为缓解我国钾肥紧缺,需从富含难溶性钾的硅酸盐矿物中分解有效钾[3]。虽已有研究报道,可采用物理法和化学法从钾长石矿物中提取难溶性钾,但随着大量化肥的使用,我国土壤结构已遭破坏,且人们赖以生存的环境也被污染,且食品安全也日益凸显[4]。鉴于此,我们需寻求一种新型微生物提钾技术,以实现低能耗,无污染和资源的循环利用。
通过阅读大量文献,目前国内外报道最多的解钾菌主要有根瘤菌属(Sinorhizobium sp.)、固氮菌属(Azotobacter sp.)、芽胞杆菌属(Bacillus sp.)等[5]。2017年,姜霁航等从苹果树根系土壤分离得到118株解钾菌,其中K1、K98、K115、K105和K168具有较强解钾能力,平均可溶性钾含量为41.47 mg/L。经鉴定K1为不动杆菌属(Acinetobacter sp.),K98、K115、K105为假单孢菌属(Pseudomonas sp.),K168为芽孢杆菌属(Bacillus sp.)[6]。李春钢等从贵州福泉瓮福磷矿区采集大量土壤,并从中分离出了一株FP.18的解钾新菌株,经鉴定为肠杆菌属(Enterobacteriaceae bacteriium),能有效提高煤矸石中有效钾含量[7]。Bhattacharya等于2016年从印度盐场分离得到一株土壤不动杆菌。该菌以廉价的葡萄糖、果糖为碳源,在37℃,pH值为6.5,培养120 h,发酵液中可溶性钾可达68 mg/L[8]。
由此可见,现有解钾菌主要从农作物根系或果树周围土壤筛选而得[9]。但以矿区土壤为来源分离解钾菌的报道较少,其原因主要在于矿区土壤贫瘠,所含微生物量少。微生物的生长和繁殖都有其赖以生存的环境,若能从矿区土壤中筛选得到解钾菌,则该菌会表现出较好的钾矿适应能力。通过对矿区农作物的调查,受矿区环境的影响,矿区农作物品种较少,主要以生命力强且环境适应性强的油菜、茼蒿等为主。由于茼蒿具有开胃消食、利肠通便、止咳化痰等多种功能,且已得到众多科研工作者的高度重视。因此本文旨在从矿区茼蒿根系土壤中分离筛选解钾菌,并对其解钾工艺进行优化,以提高菌的解钾能力。并在今后的研究中有望利用该菌株制备生物有机肥,并应用于茼蒿盆栽实验。不仅避免因过度使用化肥而造成土壤板结、土壤污染等问题,也可提高茼蒿品质和产量,进一步提升茼蒿的药用型,食用性。
1. 材料与方法
1.1 材料、试剂及培养基
1.1.1 材料和试剂
土壤:采集湖北省随州市某钾长石矿区茼蒿根系土壤。
钾长石:实验所用钾长石系矿区提供,经粉碎过筛,依次用去离子水、3 M盐酸浸泡24 h、72 h,以去除矿粉中的可溶性离子。最后用去离子水清洗3-5次,至pH值=7,烘干保存备用[10]。
1.1.2 培养基
基础培养基:葡萄糖10 g,磷酸氢二钾0.2 g,氯化钠0.2 g, 硫酸镁0.2 g,硫酸亚铁0.002 g,硫酸锰0.2 g,氯化钙0.2 g,硫酸铵0.2 g,二次蒸馏水1000 mL,pH值 5.0。
解钾培养基:葡萄糖10 g,钾长石矿粉2 g,氯化钠0.2 g,硫酸镁0.2 g,硫酸亚铁0.002 g,硫酸锰0.2 g,氯化钙0.2 g,硫酸铵0.2 g,二次蒸馏水1000 mL,pH值 5.0。
1.2 实验方法
1.2.1 解钾菌的分离筛选
富集培养:称取供试土壤100 g,加1000 mL无菌水,依次搅拌、纱滤。配置土壤悬浮液,吸取5 mL加到装有50 mL基础培养基的三角瓶,于170 r/min、30 ℃下培养2 d;然后再从上一次的培养液中吸取 5 mL发酵液,同等条件下培养。按相同方法,进行多次富集培养,直至溶液澄清。在此过程中需将K2HPO4的用量依次减少,其目的是为了提高微生物在解钾培养基上的适应能力。
菌种筛选:移液枪吸取200 µL经多次富集后的澄清菌液,均匀涂布并于30 ℃恒温培养箱内倒置平板培养。观察菌落形态,进行菌落的反复分离纯化。将不同形态的单菌斜面培养,4 ℃保藏。
1.2.2 解钾菌株形态及鉴定
通过显微镜对已筛选得到的解钾菌株观测其形态,并进行生理生化特性实验分析。送至上海美吉生物有限公司进行基因测序鉴定。测序所使用引物为:
27F:5'-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3';1492R:5'-GGTTACCTTGTTACGACTT-3'。经与NT数据库比对,鉴定其种属。
1.2.3 解钾菌解钾能力测定
量取60 mL解钾培养基分装于250 mL三角瓶中,根据实验设定方案,加入一定量的钾长石矿粉,121 ℃灭菌20 min。制备活化菌悬浮液,并按一定体积比接入摇瓶,在设定工艺条件下发酵培养。每组平行3次,且以不接种为对照组。发酵培养后移出发酵上清液于9000 r/min高速离心30 min,经0.45 μm微孔膜过滤,采用原子吸收法测定溶液中有效钾离子含量。
1.2.4 优势菌解钾工艺优化
采用单因素法,探讨培养时间、温度及转速等因素对解钾菌的生长和解钾能力的影响。
2. 结果与分析
2.1 解钾菌的分离筛选及鉴定
通过大量实验,从矿区土样中筛选得到了6株具有解钾功能的真菌,其中命名为JX-10。JX-10菌株为一色白中略带粉色的细菌,在显微镜下(放大100倍,油镜)可观测到较大的顶囊,菌丝粗有间隔,分生孢子成球形。通过基因测序鉴定为Bacillus sp.,与KT981886菌相似度高到99.72%。利用MEGA6软件,绘制了该菌树状发育系统,见图1。
2.2 JX-10菌株分解钾矿机理
为了阐明JX-10菌株分解钾矿机理,对经该菌株溶蚀的矿粉进行了红外检测,结果见图2。
从图2可知,在2923、2854、1744、1647、1544和1038 cm-1出现了羧酸盐的特征吸收峰。由此可推测,该菌株在代谢过程中产生了有机酸。因此,可推测该菌株主要是通过代谢产生的有机酸,经矿粉表面的水化膜渗入矿粉内部使其微环境变化,使其晶格破坏致其崩解,通过化学降解释放了矿物中的钾离子。
2.3 JX-10菌解钾工艺优化
2.3.1 培养时间对溶液中可溶性钾离子含量的影响
使用1.2.4工艺优化方法,固定培养温度、转速,培养基pH值,钾长石浓度及粒度,接种量,硫酸铵浓度,分别为28 ℃、160 r/min,pH值=5.0,2 g/L,0.03 mm,25%,0.2 g/L。在上述条件下发酵培养,测其在不同培养时间下溶液中可溶性钾离子含量,结果见图3。
分析图3,可以明显看出溶液中可溶性钾离子含量随着培养时间的增加而增加,但当培养时间超过10 d时,钾离子浓度变化很小,可达23.18 mg/L,经计算得浸出率为8.31%。由此可见,微生物分泌的有机酸量会随着碳源的减少而减少,进而降低了细菌的解钾能力[11]。
2.3.2 培养温度对溶液中可溶性钾离子含量的影响
按照1.2.4工艺优化方法,将培养温度设定为20, 24, 28, 32, 36,40 ℃,其他工艺条件同2.2.1,在上述条件下发酵培养10 d,测溶液中可溶性钾离子含量,见图4。
由图4可得,溶液中可溶性钾离子含量随着培养温度的增加先增加后减少。28 ℃时其解钾能力最强,钾离子含量为23.32 mg/L,浸出率高达8.32%。这一结果表明,微生物的生长和繁殖需要适宜的温度,在此温度下微生物分泌有机酸较多,使其分解矿物的能力也较大[12]。
2.3.3 培养转速对溶液中可溶性钾离子含量的影响
同样,采用1.2.4工艺优化方法,分别设定培养时间、温度,培养基pH值,钾长石浓度及粒度,接种量,硫酸铵浓度为10 d、28 ℃,pH值=5.0,2 g/L,0.03 mm,25%,0.2 g/L。再次探索转速对菌株分解矿物的影响,结果见图5。
从图5可知,震荡培养更有利于微生物溶解矿物。其原因在于分离筛选所得JX-10菌株为好氧型微生物,而震荡过程加速了氧气的置换速率,可提高溶液中的氧容量,更有利于微生物的生长和繁殖。同时,从图中也可看出,随着培养转速的增加,溶液中可溶性钾离子含量先增加后下降。当培养为160 r/min时,钾离子浓度可达23.21 mg/L,此时浸出率为8.32%。分析其原因,转速较高会产生较大的剪切力。一方面,过大剪切力对微生物细胞壁损伤较大,致其过早进入衰亡期,进而降低了微生物数量,使得溶出的钾离子含量降低。另一方面,过大剪切力也不利于微生物和矿粉充分接触,溶液中钾离子含量亦下降。同样,转速过低也不利于微生物分解矿物,造成这一结果的原因和静止培养相同,过低转速不足以产生足够的氧容量来维持细菌的生长和繁殖,其溶解钾矿能力也下降。
2.3.4 培养基初始pH值对溶液中可溶性钾离子含量的影响
采用1.2.4工艺优化方法,将培养时间、温度、转速,钾长石浓度及粒度,接种量,硫酸铵浓度,分别设定为10 d、28 ℃、160 r/min,2 g/L,0.03 mm,25%,0.2 g/L。分析培养基初始pH值对溶液中钾离子含量的影响,见图6。
通过图6,可明显看出溶液中可溶性钾离子含量随培养基初始pH值的增加,先增加后下降。pH值为5.0时,溶液中钾离子浓度较大,为22.91 mg/L,浸出率可达8.21%。pH值和温度一样,过高或过低都不利于微生物的生长和繁殖,致其解钾能力下降,值得一提的是该菌还表现出了较好的耐酸性[13]。
2.3.5 钾长石矿粉浓度对溶液中可溶性钾离子含量的影响
同前所述,利用1.2.4工艺优化方法,再次将培养时间、温度、转速,培养基pH值,钾长石粒度,接种量,硫酸铵浓度,分别为10 d、28 ℃、160 r/min,pH值=5.0,0.03 mm,25%,0.2 g/L。在上述工艺条件下发酵培养,分析矿粉浓度对溶液中可溶性钾离子含量的影响,结果见图7。
分析图7,可明显看出随着矿粉浓度的增加,溶液中钾离子含量先增加后下降。当矿粉浓度为2 g/L,浸出率可高达8.36%。究其原因,可归于矿粉浓度增加,则需要更多的微生物来分解矿石。
2.3.6 钾长石矿粉粒度对溶液中可溶性钾离子含量的影响
依然按照1.2.4工艺优化方法,分别将培养时间、温度、转速,培养基pH值,钾长石浓度,接种量,硫酸铵浓度设定为10 d、28 ℃、160 r/min,pH值=5.0,2 g/L,25%,0.2 g/L。研究分析矿粉粒度对钾离子含量的影响,结果见图8。
由图8可得,钾离子含量随着矿粉粒度的增加先略增加后快速下降。当粒径为0.03 mm,钾离子含量为23.21 mg/L,浸出率为8.32%。这一结果可归功于矿粉粒径越小,则增大了与菌体接触的概率,更易于破坏矿物晶格,从而可释放更多的钾离子。但若矿物粒径很小,小于0.03 mm时,表面易于形成沉积现象,微生物难以浸入矿粉内部,而降低了矿粉与溶液中菌体的充分接触机率,致使钾离子难以释放,使其解钾能力下降[14-15]。
2.3.7 接种量对溶液中可溶性钾离子含量的影响
采用1.2.4工艺优化方法,固定培养时间、温度及转速,培养基pH值,钾长石浓度及粒度,接种量,硫酸铵浓度,分别为10 d、28 ℃、160 r/min,pH值=5.0,2 g/L,0.03 mm,0.2 g/L。在上述条件下发酵培养,探讨接种量对溶液中可溶性钾离子含量的影响,结果见图9。
分析图9可得,当菌液接种量小于20%,溶液中可溶性钾离子含量随接种量的增加而快速增加。若接种量在20%~35%这一区间,则变化不十分明显,较佳接种量为25%,钾离子含量可达22.91 mg/L,浸出率为8.21%。由此可推测,菌液浓度过低,没有足够多的微生物来分解钾长石以破坏其晶体结构,进而释放钾离子。但当接种量超过35%时,溶液中没有足够的营养液维持菌的生长和繁殖,因此其解钾能力也下降。
2.3.8 硫酸铵浓度对溶液中可溶性钾离子含量的影响
根据1.2.4工艺优化方法,分别将培养时间、温度及转速,培养基pH值,钾长石浓度及粒度,接种量设定为10 d、28 ℃、160 r/min,pH值=5.0,2 g/L,0.03 mm,25%。在此工艺条件下,考查了硫酸铵浓度对钾离子含量的影响,结果见图10。
分析图10,钾离子含量随(NH4) 2SO4 浓度的增加先增加后减少。当(NH4) 2SO4 浓度为0.2 g/L时,钾离子浓度为22.91 mg/L,浸出率为8.21%。特别值得说明的是,若不加硫酸铵,仅为13.59 mg/L,浸出率为4.87%。显然加入硫酸铵更有利于释放钾,这一结果说明无机氮的加入,不仅促进了细菌的生长,也利于细菌分泌更多的有机酸[16]。值得注意的是,但当(NH4) 2SO4 浓度过高时,则和培养基中的钙、镁等离子形成沉淀,降低了微生物赖以生长和繁殖的微量元素,使其解钾能力下降。
3. 结 论
(1)从钾长石矿区土壤中分离出的JX-10菌株可有效分解钾长石矿物以释放其中的难溶性钾,经鉴定该菌株为一色白中略带粉色的细菌,和KT981886菌同源性高到99.72%。
(2)JX-10菌解钾较佳工艺条件为:培养温度、时间及转速,培养基pH值,钾长石浓度及粒度,接种量,硫酸铵浓度分别为28 ℃、10 d、160 r/min,pH值=5.0,2 g/L,0.03 mm,25%,0.2 g/L。
(3)较佳工艺条件下,溶液中可溶性钾离子含量可达23.32 mg/L,浸出率为8.36%。
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