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确定水产饲料中补充蛋白质的土壤细菌

霍莉·帕卡德(Holly Packard) 扎卡里·泰勒(Zachary W. Taylor) 斯蒂芬妮·威廉姆斯 佩德罗·伊沃·吉马良斯 杰克逊·托特(Jackson Toth) Roderick V.Jensen博士 Ryan S.Senger博士 戴维·库恩(David D.Kuhn)博士 安·史蒂文斯(Ann M.Stevens)博士

芽孢杆菌 糖浆底物能够最高生长的物种

土壤细菌
A farmer using an old school IHC corn picker and trailer, Story County, Iowa, USA. Source: Carl Wycoff [CC BY 2.0 (//creativecommons.org/licenses/by/2.0)]. //commons.wikimedia.org/wiki/File:IHC_corn_picker,_Story_County,_Iowa,_2011.jpg.
商业水平的乙醇生产是全球性行业,2017年的产量约为270亿加仑,其中约有160亿加仑在美国加工。乙醇生产使用的是淀粉基生物质,而玉米是美国生产的主要来源。乙醇的生产通常始于玉米的碾磨,然后进行蒸煮,液化和糖化以使产品进行酵母发酵,然后将其蒸馏以将乙醇与釜馏副产物分离。然后将釜馏物离心,以将固体(湿蒸馏器的谷物)与液体(稀釜馏物)部分分离。稀釜馏物通过高温蒸发浓缩成浓缩的玉米蒸馏器可溶物(CCDS),通常称为糖浆。这种糖浆与湿酒的谷物混合并干燥后,常被用作动物饲料的补充剂。

由于糖浆包含有机碳源,因此微生物也已用于将其转化为其他所需的产品。但是,糖浆在乙醇生产过程中仍未得到充分利用。在这项研究中,糖浆被用作微生物生物质发展的营养丰富的培养基,如果成功,它将通过开发可能的水产养殖饲料蛋白质来源来提高乙醇生产的利润率。

微生物生物量的大规模培养已用于多种工业实践中,包括农业益生菌的生产,类胡萝卜素的生产,人类和农业食品的生产以及废水处理。水产养殖业特别关注在废水/副产品上培养富含蛋白质的细菌生物质,以代替水产养殖饲料中的鱼粉。传统上,鱼粉由于其高适口性和可消化性以及均衡的必需氨基酸特征而成为许多养殖鱼类和贝类的主要蛋白质来源。然而,鱼粉需求随价格上涨而增加,这使得替代蛋白质来源对水产养殖业更加有利可图。

在废水/副产品上培养微生物生物质具有利用这些原本无价到低价值的废物流的额外好处。先前已经证明,可以在处理来自养鱼场和糖果制造厂的废水的同时培养微生物生物量,并且该生物量可以成功地用于替代水产养殖虾饲料中的鱼粉。

本文–摘自 原始出版物 –研究了微生物在玉米乙醇发酵糖浆基质上的生长能力,以便它们也可以用作水产养殖饲料中的蛋白质补充剂。研究结果为细菌生物质在水产养殖中的未来应用奠定了基础。

我们感谢Virginia Tech的Brian Badgley,Silke Hauf,Christopher Lawrence和Stephen Melville分享了程序和设备,并感谢Jason Bootsma与Flint Hills Resources的联络。

研究设置

首先建立了一个生物反应器生长的能够代谢糖浆的土壤富集群落,并使用16S rRNA序列在分子水平上表征了其群落概况。然后,测试确定的单一培养物的生长量,并检查二元培养物组合在社区内可能的协同作用。 芽孢杆菌 该物种虽然不是生物反应器中的优势生物,但它们是生产力​​最高的纯培养物分离株。

获得了糖浆,它是乙醇生产的副产物,用作细菌的生长底物。为了检查细菌在不同批次的糖浆中的生长能力如何,从三个具有相似设计和功能的不同乙醇生产设施中提供了三个独立的批次。在分别通过离心和高温(〜85摄氏度)进行油分离和蒸发后,在乙醇生产过程中的同一位置除去了这三种糖浆。

尽管使用了三种不同的商业酵母菌株,但产生的CCDS的含量都相似,固体含量约30%至40%,水含量约60%至70%。在所有研究中均使用糖浆2,而在单培养研究中对糖浆1和3进行了检查,以测试生物的健壮性。

有关糖浆生长基质的其他信息;厌氧反应器中细菌富集的时间群落特征分析; MiSeq数据分析;从富集培养中分离纯培养菌株;微生物菌株的单培养和二元结合生长测定;菌株鉴定;和登录号,请查阅原始出版物。

结果与讨论

这项研究的目的是鉴定从实验室种群和土壤富集社区获得的纯培养物分离株,这些分离株可以使用乙醇发酵生产的副产物作为唯一营养源来生长。在糖浆和土壤进行厌氧消化的最后一个时间点(第8天)(图1),有七个丰富的优势生物家族,其中包括芽孢杆菌科(Bacillaceae),这些家族被证明是最受关注的生物。富含生物反应器的其他六个科是梭菌科,脂环菌科,瘤胃菌科,伯克霍尔德菌科,Veillonellaceae和肠杆菌科。但是,在富集的那些中,只有芽孢杆菌科,伯克霍尔德科,脂环芽孢杆菌科和肠杆菌科四个成员具有兼性厌氧菌。

我们的程序旨在针对需要专性需氧菌或厌氧菌的生物进行选择。兼性生长是理想的特性,可以在有氧条件下处理生物,同时允许在大型工业桶中发酵。

土壤细菌
图1:厌氧糖浆富集周期中的细菌群落概况。在八天的富集过程中,在五个时间点从三个重复反应器的每一个的PCR池中取平均读数。在整个富集过程中列出的优势家族用以下标签表示:A =脂环菌科,Ba =杆菌科,Bu =伯克霍尔德科,C =梭菌科,E =肠杆菌科,P =假单孢菌科,R =球菌科,V =绒毛科。

单培养分析 芽孢杆菌 种作为能够与糖浆底物一起最高水平生长的生物。虽然生产力最高的单一文化完全属于芽孢杆菌科,但富集研究显示,果园中有七个主要家族,能够在糖浆上生长,因此更加多样化。实际上,杆菌科仅占整个社区的11.3%。拮抗作用和/或竞争可能是反应器内限制芽孢杆菌生长的因素。但是,芽孢杆菌科是最成功的生物体,可以适应我们在氧气供应量(即无氧和有氧生长)和中等选择(TSA和糖浆)方面应用的不同选择。由于糖浆组成和营养成分的可变性是已知的,因此非常希望获得的特性是在不同批次之间实现稳健生长的能力。检查的杆菌科似乎具有这种期望的特征。

有趣的是,许多研究表明 芽孢杆菌 sp。能够利用多种碳源,并且在不止一种碳源存在下生长时,它们能够分解代谢物。最近,对 芽孢杆菌 sp。关于与工业相关的碳源,新陈代谢增加。由于生产设备所使用的过程不需要很高的温度,所有步骤都在低于87.8摄氏度的温度下进行,因此不太可能形成脱水糖。取而代之的是,甘油,糊精(DP4)和麦芽糖(DP2)在糖浆的固体成分中含量最高。

在糖浆上生长了34种微生物的二元组合,以查看初始糖浆底物是否可以相互转化为代谢产物,从而更好地支持混合群落的生长。二元生长测定没有显示出明显的协同生长作用,因为所测试的组合都没有比单个生物体中的一种生长得更好。这表明没有产生有益的代谢产物供配对的生物使用。尽管如此,高层之间的协同作用还是可能的 芽孢杆菌 最初的生物反应器群落中存在的物种分离物和其他生物。

的发现 芽孢杆菌 物种利用糖浆作为其唯一的营养来源,具有未来应用的潜力。例如, 芽孢杆菌 该属已经在工业实践中用作水产养殖饲料的补充,特别是为了益生菌,刺激鱼的免疫系统甚至改善水质。另外,它们形成高度稳定的休眠孢子的能力使长期运输和储存成为可能。以干重计 芽孢杆菌 细胞大约含有50%的蛋白质,因此可以代替水产养殖动物饲料中昂贵的鱼粉作为补充。这项研究确定了一些有希望的 芽孢杆菌 被认为可以安全替代动物粉食用的分离物。

观点

鱼粉的供应趋势表明,需要添加永久性水产饲料补充剂的其他替代营养材料。使用糖浆基质作为培养微生物的手段,例如 芽孢杆菌 物种不仅可以为乙醇生产过程提供商业利益,而且还可以提供增强的经济和可持续性利益。


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