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我校科研团队发现共生芽胞杆菌在黑水虻生物转化餐厨垃圾为昆虫蛋白的关键作用机制

时间:2022-05-25 09:08:04 来源:生命科学学院 阅读:
 

  本网讯(通讯员 裴亚欣 张继冉)蛋白质资源短缺是限制规模化养殖发展瓶颈之一。寻找廉价、易得蛋白质替代鱼粉、豆粕传统饲料蛋白成为当务之急。黑水虻幼虫(Hermetia illucens L. )易于人工繁殖、价格低廉,并且能将餐厨垃圾等废弃物转化为昆虫蛋白,近几年来在全世界范围内被广泛开发利用。

  近日,皇冠官方APP客户端杨森教授团队在Frontiers in Nutrition期刊在线发表题为:Bacillus velezensis EEAM 10B strengthens nutrient metabolic process in black soldier fly larvae (Hermetia illucens) via changing gut microbiome and metabolic pathways的研究论文,发现添加黑水虻共生菌株Bacillus velezensis EEAM 10B能够提高餐厨垃圾生物转化效率,增加幼虫存活率,显著提升幼虫体蛋白质含量。进一步研究表明:添加此株共生芽胞杆菌可以增加黑水虻幼虫肠道中芽胞杆菌属(Bacillus)、喜热菌属(Caloramator)和薄壁芽胞杆菌属(Gracilibacillus )有益菌的相对丰度,促进餐厨垃圾生物转化;比较代谢组学分析证明:此菌株能够为宿主提供核黄素等维生素提高其在餐厨垃圾中存活率,并通过调节黑水虻幼虫氨基酸的合成,提高蛋白质在幼虫体内的积累程度。

 

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  杨森教授表示,上述重要发现是基于建立无菌黑水虻幼虫和单一菌株黑水虻幼虫培养模型实现的。此模型有助于研究共生芽胞杆菌促进废弃物转化昆虫蛋白机制,研究更多不同种类的益生菌/有害菌对黑水虻幼虫影响机制,为黑水虻幼虫及共生微生物“虫菌互作”生物转化有机废弃物实际应用提供理论支撑。

具体如下:

  首先调查共生芽胞杆菌10B菌株对黑水虻幼虫生长以及生理指标影响,发现添加10B能提高黑水虻幼虫的存活率、物料利用率、幼虫干重及幼虫粗蛋白含量。

 

图1

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  进一步研究发现,10B菌株能黑水虻幼虫肠道中定殖,并改变幼虫肠道中微生物群落结构。通过冗余分析(RDA)分析,发现存活率、物料转化率、幼虫干重和粗蛋白含量与10B菌株添加后的微生物群落呈显著正相关,而粗脂肪含量与10B菌株添加后的微生物群落呈显著负相关。Pearson 相关性分析进一步发现芽胞杆菌属(Bacillus)、喜热菌属(Caloramator)和薄壁芽胞杆菌属(Gracilibacillus )与蛋白含量呈正相关。因此我们认为添加10B后,是通过影响这三类菌株的相对丰度,从而提高黑水虻幼虫对物料的转化效率及自身蛋白含量。

 

图2

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  团队通过建立无菌黑水虻幼虫、单菌黑水虻幼虫和自然黑水虻幼虫的培养模型进一步证实10B菌株可以为黑水虻幼虫提供所需的营养物质,并促进黑水虻幼虫对底物的转化效率。

 

图3

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  此外,团队对在三种饲养模型下的黑水虻幼虫进行代谢组学分析,证实10B菌株显著改变了黑水虻幼虫的维生素和氨基酸合成和代谢过程。本研究进一步聚焦于12 类差异代谢的维生素。其中生物素、核黄素和硫胺素在添加了10B后,积累代谢量表现为上调。这一结果表明 10B 可能通过为宿主提供上述三种维生素来增加黑水虻幼虫的存活率。

 

图4

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  为了进一步验证10B在黑水虻幼虫底物转化过程中的作用,团队将10B、硫胺素、核黄素、生物素分别添加进餐厨底物中饲喂黑水虻幼虫,发现只有单独添加10B或核黄素后,黑水虻幼虫的存活率可达98%以上,与自然饲喂的黑水虻幼虫存活率相当。这一结果证实,10B 通过向宿主提供核黄素提高了黑水虻幼虫的存活率。核黄素添加组幼虫的物料转化率及幼虫干重低于添加10B和自然培养组,也表明10B在将底物转化为营养物质方面也起着关键作用。

 

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  此项研究获“国家重点研发计划(2021YFD1700900),北方集约化农区氮素面源污染发生过程与调控机制项目子课题,种养结合区畜禽粪便和秸秆高值化循环利用理论、技术与产品研发”支持。

  关于 Frontiers in Nutrition

  Frontiers in Nutrition 是瑞士出版社 Frontiers 出版社旗下的开放获取期刊,最新影响因子 6.576,位居 JCR 分区 1 区,该期刊目标是建立一个基于原创研究、临床实验和综述的平台,在人类健康、饮食行为、农学和食品科学领域建立一个声誉良好的知识论坛。

 

  论文连接:https://doi.org/10.3389/fnut.2022.880488

 

 

编辑/杨钰晨 签审/陈明明 审核/谢东明

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