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海洋多黏类芽胞杆菌可湿性粉剂的研制

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  摘要 以海洋多黏类芽胞杆菌Paenibacillus polymyxa为研究对象,通过单因素室内试验和田间试验,确定了可湿性粉剂配方及其对甜瓜枯萎病的田间防效。结果表明,可湿性粉剂最佳配方为:以皂土为载体的菌粉70%,稳定剂海藻酸钠14%,湿润剂蔗糖脂肪酸酯8%,分散剂聚乙烯醇8%。制得的可湿性粉剂活菌数为1.23×1010cfu/g,含水量6%,润湿时间48 s,悬浮率75%,杂菌率0。采用7种不同方法防治甜瓜枯萎病,结果表明,可湿性粉剂对甜瓜枯萎病的综合防治效果高达84.9%。该制剂对甜瓜枯萎病具有良好防效,可作为防治甜瓜枯萎病的药剂在生产上推广应用。
  关键词 多黏类芽胞杆菌; 可湿性粉剂; 筛选; 田间防治
  中图分类号: S 482.292
   文献标识码: A
   DOI: 10.16688/j.zwbh.2019161
  Abstract
  Paenibacillus polymyxa was used to study the composition of wettable powder and its field control effect on melon wilt by single factor test in laboratory and field experiments. The optimum formula of the wettable powder was: 70% bacterial powder with bentonite as carrier, 14% sodium alginate as stabilizer, 8% sucrose fatty acid ester as wetting agent and 8% polyvinyl alcohol as dispersant. The number of living bacteria in wettable powder was 1.23×1010 cfu/g, water content 6%, suspension rate 75%, wetting time 48 s and heterogeneous bacteria rate 0%. Seven different methods were used to prevent melon wilt and the results showed that the comprehensive control effect on melon wilt was up to 84.9% by wettable powder. The preparation had a good control effect against melon wilt, and can be popularized and applied as a medicament for controlling melon wilt.
  Key words
  Paenibacillus polymyxa; wettable powder; screening; field control
  甜瓜枯萎病是由尖孢镰刀菌甜瓜专化型Fusarium oxysporum f.sp.melonis侵染引起的一种土传病害[1],严重影响甜瓜的产量和品质,造成经济损失。目前甜瓜枯萎病的防治主要依赖化学农药,化学防治不但防效差而且会导致一系列的问题,如食品中化学农药残留超标、环境污染和病原菌产生抗药性等[24]。因此,研制新型高效、环保、安全的微生物制剂成为防治植物病害的研究热点[5]。
  多黏类芽胞杆菌Paenibacillus polymyxa是一种广泛存在的重要微生物资源,其中很多菌株作为重要的生防资源,用于多种植物病害的生物防治,该菌对人畜安全、无环境污染、对植物非致病性,具有显著的生防潜力和环境适应性[6],在生产过程中活菌量高且產品稳定性强,是目前进行微生物农药规模化生产的理想生防菌。Kim等[7]研究发现,多黏类芽胞杆菌GBR-462菌株能够有效地抑制灰霉病等病害的致病菌生长,在农业生产中具有较高的应用价值。宋永燕等[8]采用平板扩散法测定了多黏类芽胞菌LM-3菌株抗菌蛋白对稻瘟病菌和水稻纹枯病菌的抑制作用,并研究了菌悬液浸种、浸芽和浇苗3种处理方法对水稻的促生作用和对超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和过氧化物酶3种保护酶的诱导表达作用。陈海英等[9]研究表明多黏类芽胞杆菌CP7菌株分泌抑菌物质对荔枝霜疫霉菌具有很强的抑制作用。2002年,美国环境保护署(EPA)将多黏类芽胞杆菌列为商业上可应用的微生物种类之一[10]。
  近年来有关防治植物病害的微生物制剂研究报道日益增加。由华东理工大学与上海泽元海洋生物技术有限公司联合创制的多黏类芽孢杆菌可湿性粉剂对番茄、辣椒、茄子及烟草青枯病具有较好抑制作用,且已经实现工业化生产及应用[11]。李磊等[12]通过室内筛选和田间试验,确定解淀粉芽胞杆菌Ht-q6可湿性粉剂的最佳配方以及对番茄叶霉病和灰霉病的田间防效。徐玲等[13]通过室内盆栽试验结果表明,HY96-2的生防制剂KDLD对番茄青枯病的防治效果可达81.5%。
  目前,国内外甜瓜枯萎病的生物防治主要是利用陆源微生物进行防治,而采用海洋微生物防治的报道较少,且以海洋多黏类芽胞杆菌为有效成分的微生物活菌制剂防治甜瓜枯萎病的研究未见报道。本研究所采用的海洋多黏类芽胞杆菌是本实验室从连云港海域分离得到的一株对多种植物病害具有较强抑制作用的优良菌株[1416],本文在实验室前期研究基础上又进行了1 t发酵罐的放大试验,使其有效成分含量远高于同类产品,具有广阔的应用前景和发展潜力。本试验旨在为该菌株筛选出最佳载体和助剂以制备成可湿性粉剂,为其工业生产奠定基础。   1 材料与方法
  1.1 供试菌种
  海洋多黏类芽胞杆菌Paenibacillus polymyxa L1-9菌株由本实验室在连云港海域中分离纯化并保存。
  1.2 培养基
  菌株活化培养基:PDA培养基;种子液培养基:PD培养基。
  1.3 载体和助剂
  载体:钙基膨润土(天津市光复精细化工有限公司)、皂土(天津市巴斯夫化工有限公司)、高岭土(天津科密欧化学试剂有限公司)、碳酸氢钙(南京化学试剂有限责任公司)、活性白土(国药集团化学试剂有限公司)、硅藻土(上海联迈生物工程有限公司)、凹凸棒土(上海联迈生物工程有限公司);稳定剂:荧光素钠(国药集团化学试剂有限公司)、硬脂酸锌(南京化学试剂有限责任公司)、腐植酸(国药集团化学试剂有限公司)、黄原胶(南京化学试剂有限责任公司)、海藻酸钠(南京化学试剂有限责任公司)、硬脂酸钙(上海谱振生物科技有限公司);湿润剂:脂肪醇聚氧乙烯醚25(上海谱振生物科技有限公司)、蔗糖脂肪酸酯(合肥巴斯夫生物科技有限公司)、吐温80(南京化学试剂有限责任公司)、乙氧基化烷基硫酸钠(无锡市亚泰联合化工有限公司)、十二烷基苯磺酸钠(国药集团化学试剂有限公司)、木质素磺酸钠(南京化学试剂有限责任公司);分散剂:聚乙烯醇(南京化学试剂有限责任公司)、羧甲基纤维素纳(国药集团化学试剂有限公司);展着剂:柱层析硅胶(青岛海洋化工有限公司)、薄层层析硅胶(青岛海洋化工有限公司)。以上载体和助剂均为分析纯。
  1.4 种子液制备
  将海洋多黏类芽胞杆菌接种到PDA培养基上活化24 h,在无菌条件下用接种环挑取海洋多黏类芽胞杆菌于装有60 mL种子液培养基的250 mL三角瓶中,28℃,180 r/min振荡培养16 h;调整菌液浓度为108 cfu/mL,作发酵用种子液。
  1.5 可湿性粉剂载体和助剂的筛选
  1.5.1 不同载体和助剂与海洋多黏类芽胞杆菌生物相容性的测定
  将制备好的种子液取6 mL分别接入装有60 mL含4%载体和助剂的PD培养基的250 mL三角瓶中,在28℃,180 r/min的条件下培养24 h,用稀释涂布计数法检测培养液中的含菌量。每个处理3个重复。根据活菌数量判断不同载体和助剂与海洋多黏类芽胞杆菌的生物相容性。
  1.5.2 可湿性粉剂载体和助剂种类的筛选
  载体对海洋多黏类芽胞杆菌吸附量的测定:分别向100 mL烧杯中加入不同载体各2 g,将海洋多黏类芽胞杆菌的发酵液缓慢滴加于烧杯中,滴加的同时用玻璃棒搅拌。当载体粉末开始凝结成团且不散开时,停止向其中继续滴加发酵液。记录滴加到载体中的发酵液的量。每种载体3个重复。
  载体和助剂悬浮率测定采用国家标准农药可湿性粉剂悬浮率测定方法[17]。
  载体和助剂润湿性采用国家标准农药可湿性粉剂润湿时间测定方法[18]。
  1.5.3 可湿性粉剂加工载体与助剂配比及用量筛选
  筛选出的稳定剂与海洋多黏类芽胞杆菌的新鲜干粉按1∶5、1∶10、1∶20的质量比混合均匀。分别在放置5、10、15 d时称取不同配比的试样测定活菌数。确定稳定剂的配比。
  将筛选出的最佳湿润剂、分散剂和展着剂按不同的比例混合,粉碎机混合均匀后过325目筛,测定其润湿时间和悬浮率,筛选出湿润剂、分散剂和展着剂的最佳质量配比。将筛选出的最佳质量配比的分散剂和润湿剂按2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%的不同用量添加到海洋多黏类芽胞杆菌的新鲜菌粉中。综合考虑润湿性和悬浮效果,筛选出湿润剂、分散剂和展着剂的最佳用量。
  1.6 可湿性粉剂的制备及性质测定
  1.6.1 菌粉的制备
  海洋多黏类芽胞杆菌在1 t发酵罐中按优化的发酵条件进行发酵,将筛选出的载体以及絮凝作用的物质添加到发酵液中,进行吸附,板框过濾后,得到菌饼,自然晾干粉碎后得到菌粉。
  1.6.2 可湿性粉剂的加工及其性质测定
  按照优化的海洋多黏类芽胞杆菌菌粉与助剂比例加入优化筛选出的稳定剂、湿润剂和分散剂,混合均匀,粉碎后过325目筛,得到海洋多黏类芽胞杆菌可湿性粉剂,按照国家可湿性粉剂的标准测定悬浮率、润湿时间和含水量,将制得的海洋多黏类芽胞杆菌可湿性粉剂存放于室温条件下(25℃),120 d前每15 d,120 d后每30 d取样,采用平板计数法测定保存不同时间样品的活菌数。
  1.7 海洋多黏类芽胞杆菌可湿性粉剂不同处理方法防治甜瓜枯萎病的田间药效试验
  选择甜瓜枯萎病发病较重地区试验地进行田间药效试验。试验小区按随机区组排列,每小区移栽2行甜瓜,行距为65 cm,株距为29 cm。在盆栽试验不同方法最适用药浓度的基础上,设计拌种、拌土、灌根、拌种+拌土、拌种+灌根、拌种+拌土+灌根、拌土+灌根等7种施药方法。拌种法:取甜瓜种子质量3%的海洋多黏类芽胞杆菌可湿性粉剂对甜瓜种子进行拌种后催芽,接种至土壤中。拌土法:制备质量分数为30%的含药土壤,采用下铺上盖的处理方式将含生防制剂的土壤添加到甜瓜床的土壤中,种植甜瓜时铺上500 g含药剂土壤后播种露白的种子,种子上再盖上500 g含药剂土壤。灌根法:甜瓜生长至子叶期时用20%海洋多黏类芽胞杆菌可湿性粉剂溶液进行灌根处理[19]。7种处理使用以上3种方法及浓度分别对甜瓜进行处理。每种处理3次重复,分别以3%多抗霉素可湿性粉剂(山东鲁抗生物农药有限责任公司)(CK1)和清水(CK2)作对照,最后1次施药后10 d进行第1次调查,之后每隔10 d进行1次药效调查。记录发病率和病情指数,计算防效。甜瓜收获后不同小区单独测产,分别记录单瓜质量、每株果实数及20株产量,计算保产率。   病情指数=∑(各级病苗数×各级代表值)调查总数×最高级代表值×100;
  防病效果=CK病情指数-处理病情指数CK病情指数×100%;
  保产率=处理产量-CK产量CK产量×100%。
  2 结果与分析
  2.1 可湿性粉剂载体和助剂的筛选
  2.1.1 载体的筛选
  添加4%皂土的发酵液中的活菌数最高,为1.22×1010 cfu/mL,在与菌株一起混合培养的载体中,皂土与海洋多黏类芽胞杆菌的生物相容性最好,其对海洋多黏类芽胞杆菌具有促生作用(表1)。
  本试验中所选载体对海洋多黏类芽胞杆菌的吸附效果差异显著,其中皂土对海洋多黏类芽胞杆菌菌液的吸附效果最好,平均吸附量可达2.333 mL/g,其吸附量显著多于其他载体(表2)。添加皂土的制剂润湿时间最短,为25 s,悬浮率也最高,为87%(图1)。综上所述,本试验选择皂土作为海洋多黏类芽胞杆菌可湿性粉剂的载体。
  2.1.2 稳定剂的筛选
  不同的稳定剂与海洋多黏类芽胞杆菌生物相容性有明显差异。与菌株混合培养的稳定剂中,添加4%海藻酸钠的发酵液活菌数最高,为1.76×1010 cfu/mL(表3),显著高于对照,说明该稳定剂对多黏类芽胞杆菌具有促生作用。
  不同稳定剂对制剂性能有明显的影响。添加不同稳定剂的润湿时间由短到长的顺序为:硬脂酸钙<海藻酸钠<荧光素钠<腐植酸<硬脂酸锌<黄原胶,添加硬脂酸钙的润湿时间最短,为63 s;海藻酸钠、荧光素钠次之。海藻酸钠的悬浮率最高,为81%,悬浮效果最佳;其次是荧光素钠、硬脂酸钙(图2)。综合考虑稳定剂与海洋多黏类芽胞杆菌的生物相容性、润湿时间和悬浮率,选择海藻酸钠作为制剂的稳定剂。
  2.1.3 湿润剂的筛选
  添加4%湿润剂与菌株混合培养的发酵液中,活菌数与空白对照相比都有明顯增加,说明几种湿润剂对海洋多黏类芽胞杆菌均具有促生作用。其中添加蔗糖脂肪酸酯的发酵液中的活菌数最高,为8.98×109 cfu/mL(表4)。
  添加不同湿润剂对制剂的湿润时间和悬浮率有明显影响(图3)。添加蔗糖脂肪酸酯时润湿时间最短,润湿时间为9 s,悬浮率也最高,为80%。综上所述,本试验选择蔗糖脂肪酸酯作为制剂的湿润剂。
  2.1.4 分散剂、展着剂的筛选
  添加4%不同分散剂与海洋多黏类芽胞杆菌混合培养,其生物相容性有明显的不同。由表5可以看出,供试分散剂聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠和柱层析硅胶与海洋多黏类芽胞杆菌有较好的生物相容性,对菌株的生长都表现了一定的促进作用;而薄层层析硅胶与海洋多黏类芽胞杆菌的生物相容性较差。
  添加不同分散剂的制剂悬浮率均比较高,表明分散剂能显著提高海洋多黏类芽胞杆菌可湿性粉剂的悬浮性,添加分散剂聚乙烯醇的悬浮率最高,为80%,悬浮时间最短,为10 s。添加展着剂柱层析硅胶和薄层层析硅胶的悬浮率较低,湿润性差。因此在制剂制备的过程中不添加展着剂(表6)。
  综合考虑以上筛选结果,选择聚乙烯醇作为海洋多黏类芽胞杆菌可湿性粉剂的分散剂。
  2.2 可湿性粉剂载体与助剂配比及用量筛选
  2.2.1 稳定剂配比的筛选
  菌粉与稳定剂海藻酸钠的配比不同,保存相同天数活菌数的减少量也不同。存放15 d时,不添加稳定剂海藻酸钠的制剂中活菌数最少,为9.07×108cfu/g,添加不同配比稳定剂海藻酸钠的制剂活菌数均明显高于空白对照,说明添加稳定剂海藻酸钠提高了制剂的稳定性。当菌粉与稳定剂的配比为5∶1时,制剂存放15 d时活菌数最多,说明当菌粉与稳定剂的配比为5∶1时,稳定性最佳。因此可以确定菌粉与稳定剂的最优配比为5∶1(表7)。
  2.2.2 湿润剂与分散剂的质量配比对制剂性质的影响
  随着分散剂聚乙烯醇的增加,制剂的悬浮率提高,同时制剂的润湿时间也随之变长(表8)。说明湿润剂与分散剂的质量配比对制剂性质有显著影响,分散剂质量的增加显著提高了制剂的悬浮率,同时湿润剂质量的减少显著延长了湿润时间。
  综合考虑润湿性与悬浮性,选择分散剂与湿润剂的质量配比为5∶5。
  2.2.3 湿润剂与分散剂的用量对制剂性质的影响
  湿润剂与分散剂的用量对制剂性质有明显的影响(表9)。随着湿润剂和分散剂添加量的增加,制剂的悬浮率随之提高,润湿时间变短。说明增加湿润剂与分散剂的用量将提高制剂的悬浮性和润湿性。同时考虑到湿润剂和分散剂用量的增加将导致制剂有效成分含量的减少,在本试验中,选择湿润剂与分散剂的用量为16%,此时制剂的悬浮率为82%,润湿时间为20 s。
  2.3 海洋多黏类芽胞杆菌可湿性粉剂的制备及性质测定
  2.3.1 海洋多黏类芽胞杆菌菌粉的制备
  结果如表10所示,自然晾干粉碎后,制备的菌粉含菌量达2.60×1011cfu/g,含水率6%,收率86.6%。自然晾干过程中芽胞死亡率低于5%,杂菌率0。
  2.3.2 海洋多黏类芽胞杆菌可湿性粉剂的制备及其性质检测
   测得该制剂的润湿时间为48 s,悬浮率为75%,含水量6%,制剂100%通过325目筛,活菌数为2.36×1011cfu/g,杂菌率为0。达到了国家对农药可湿性粉剂的质量要求。
  由表11可以看出,海洋多黏类芽胞杆菌可湿性粉剂的活菌含量随着储存时间的延长有所下降,但减少的速度较缓慢,保存360 d后活菌数减少较少,说明该菌株的可湿性粉剂稳定性较好。
  2.4 海洋多黏类芽胞杆菌可湿性粉剂菌剂不同处理方法防治甜瓜枯萎病的田间效果
  田间药效试验结果如表12所示(最后一次施药后每隔10 d调查一次),不同处理方法对枯萎病的防治效果不同,综合应用拌种、拌土、灌根的防治效果最好,拌土+灌根的防治效果次之,防效分别为84.9%和79.2%。前者的防效高于CK1(3%多抗霉素)。   3 讨论
  可湿性粉剂作为微生物制剂的主要剂型,相比于液体制剂更容易运输和贮存,与其他固体制剂相比,有效成分、湿润性等多方面都有提高,防病范围更广。可湿性粉剂性能评价常用指标包括有效成分、悬浮率、润湿性、含水量和细度等,其中悬浮率[19]是最重要的性能指标,其次为润湿性和有效成分。载体虽然是一种惰性材料,但不同种类的载体对活体微生物的影响较大。王剑等[20]、贺振宁等[21]研究发现硅藻土作为生防菌的载体时,生物相容性较好,不会影响活菌生长。本研究显示皂土与海洋多黏类芽胞杆菌有较好的生物相容性,但硅藻土会抑制其菌落的生长。因此可见,同一种载体,对不同微生物会产生不一样的效果,所以研制不同微生物可湿性粉剂时,必须针对其所用菌株而选择相关载体和助剂,提高其生防效果。载体和助剂的选择对可湿性粉剂的悬浮率、湿润时间和有效成分均有影响。刘盼西等[22]通过助剂的筛选和混料设计的试验方法优化了海洋芽胞杆菌B-9987可湿性粉剂的制剂配方,其悬浮率为73.13%,润湿时间100 s。由华东理工大学与上海泽元海洋生物技术有限公司联合创制的多黏类芽孢杆菌可湿性粉剂产品的悬浮率为76.10%,润湿时间为95 s,活菌含量为5×1010cfu/g[11]。本研究制得的海洋多黏类芽胞杆菌可湿性粉剂的悬浮率为75%,润湿时间为48 s,活菌数为2.36×1011cfu/g,悬浮率与上述文献报道比较接近,而润湿时间则减少了一半,可能与可湿性粉剂中所选用的载体和助剂有关;本研究制得的可湿性粉剂是通过大罐发酵干燥浓缩得到,其含菌量远高于同类产品。
  本文研制的海洋多黏类芽胞杆菌可湿性粉剂,对甜瓜枯萎病的田间综合防效高达84.9%,高于3%多抗霉素。使用该菌剂后,甜瓜产量增加,显示该菌株具有良好的应用前景,本研究为该菌株可湿性粉剂的工业生产奠定了基础。
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  (责任编辑:田 喆)
  收稿日期: 20190402   修订日期: 20190504
  基金项目:连云港市科技计划项目(现代农业)(NYYQ1619)
  致  谢: 参加本试验部分工作的还有江代礼、谭翰杰、张能和纪烨斌等同学,特此一并致谢。
  通信作者 E-mail:baozenghai@sohu.com
  #为并列第一作者
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