短乳杆菌(Lactobacillus brevis)具有多种生物学功能,如改善人体肠道菌群、调节人体血糖浓度、降低体内胆固醇含量以及增强免疫力等功能,目前在γ-氨基丁酸生产、啤酒酿造以及发酵食品等食品医药工业领域有所应用。硒元素与体内多种酶的合成密切相关,同时研究发现体内硒水平与癌症的发病具有联系。目前市场上大多数的硒元素补充剂原料是亚硒酸钠或有机硒蛋白,前者毒性强生物利用率低,后者造价高、制备周期长,这些特点已成为补硒产品市场进步的局限。利用微生物还原亚硒酸钠的研究已开展多年,开始其主要是应用于微生物降解重金属的领域,近些年有关富硒乳酸菌应用于食品工业的研究数量增多,然而乳酸菌还原亚硒酸钠产生单质硒时,亚硒酸钠对菌体的毒性会造成生物量的下降,并且不同菌种还原含硒盐的能力也大不相同。本实验以一株短乳杆菌CGMCC 6683(L.brevis CGMCC 6683)为研究对象,首先测定了其在含有不同浓度亚硒酸钠肉汤中生长后生物量的变化情况,并利用电子显微镜对菌体表面形态学进行了研究;然后,对还原亚硒酸钠后的短乳杆菌的生理生化指标进行测定以检测其损伤情况;最后,利用高通量转录组测序技术对短乳杆菌转化亚硒酸钠的机理进行了研究。基于以上研究手段得到如下研究结果:1.短乳杆菌在含有不同浓度(0 mM、2 mM、5 mM、10 mM、15 mM和20 mM)亚硒酸钠培养基中培养24 h后,利用平板计数法测定细菌生物量,短乳杆菌生物量发生下降,随着亚硒酸钠添加浓度的增加而更加明显,最多由10~8 CFU/mL下降至10~4 CFU/mL,菌体生长受到抑制。2.利用电子显微镜对富硒后的短乳杆菌的细胞形态学进行了观察,发现菌体在含有亚硒酸钠的培养基中生长后菌体表面出现皱缩、塌陷甚至破损的情况,并且这种变化随着亚硒酸钠浓度的增加而更加明显,同时短乳杆菌富硒后其细胞膜表面会出现一种圆形颗粒状物质,经过X射线能谱分析仪分析,该颗粒为短乳杆菌代谢亚硒酸钠后产生的单质硒。3.菌体在0 mM、2 mM和5 mM亚硒酸钠培养基中培养后,其体内ATP浓度下降、细胞膜电位去极化、细胞内pH降低;利用激光共聚焦荧光显微镜对菌体膜完整性进行检测,发现在对照组中膜完整性检测荧光染料呈绿色,随着亚硒酸钠浓度的增加呈红色荧光的菌体比例增加,在20 mM实验组菌体几乎100%呈红色荧光,说明菌体膜受损。4.利用转录组学测序技术对短乳杆菌代谢亚硒酸钠后体内转录组的变化情况,共有461个基因发生显著差异表达,这些基因主要富集到了丙酮酸盐代谢通路、脂肪酸生物合成路径、硒化物代谢路径以及NOD样受体信号通路,体内巯基氧化还原酶相关基因显著上调表达、与细胞电子传递相关基因显著上调表达还有与菌体无机盐转运蛋白合成相关基因显著上调表达。5.综合分析,预测了短乳杆菌代谢亚硒酸钠的两条主要途径:(1)经过细胞膜转运蛋白的运输,亚硒酸钠进入菌体内被含有巯基基团的物质还原为低价态硒化物,这些硒化物作为前体物质被合成含硒氨基酸再进一步掺入到含硒蛋白质的合成;(2)亚硒酸钠接受来自短乳杆菌电子传递链的电子,逐步被还原为单质硒,这些单质硒聚集在菌体表面形成单质硒颗粒。