1.本发明属于微流控技术在微生物培养领域的应用，特别涉及一种基于微流控技术的菌种驯化与筛选方法。
背景技术：
2.菌种驯化是指通过人工措施使微生物逐步适应某一条件，而定向选育微生物的方法。通常的手段是利用摇瓶培养方式对菌种进行多次传代，在菌种传代过程中增加其生长压力（通常是某些化学因子），最终得到能够耐受高生长压力的菌种。
3.整个驯化过程无法实现完全自动化，人工传代过程中非常容易染菌，菌种的传代操作和生长情况的监测会耗费大量人力，并且检测需要进行取样操作，由于样品量的限制，无法进行密集检测，获得的数据量非常有限。
技术实现要素：
4.本发明的目的是针对上述问题，提供一种基于微流控技术的菌种驯化与筛选方法。该方法具有简单、方便、高效、经济、实用特点，特别实用于细菌、酵母、孢子等微生物驯化与筛选。
5.本发明通过如下技术方案实现：一种基于微流控技术的菌种驯化与筛选方法，使用微生物微滴培养的方式进行菌种驯化与筛选，所述微生物微滴培养的方式是利用高通量微生物液滴培养设备来实现，即通过在设备微流控芯片中形成微液滴单元，进行在线连续培养，并在其培养过程中更换不同浓度的化学因子培养基实现菌种驯化，最终通过菌种od筛选，挑出最优微液滴单元并提取。
6.所述高通量微生物液滴培养设备由进样系统、微流控芯片系统、控温系统、液滴识别系统、液滴检测系统以及控制系统组成，根据专利201920419054. x或201910252767.6制备的产品，可以实现通过微流控芯片装载数百个体积在0.5~10 μl 含有微生物的微液滴，通过在线连续培养、检测和分选，完成微生物选育。
7.所述高通量微生物液滴培养设备中微流控芯片容纳1-200个微液滴单元，每个微液滴单元体积为2-3μl。
8.进一步，所述高通量微生物液滴培养设备中微流控芯片容纳20-200个微液滴单元，每个微液滴单元体积为2-3 μl。
9.对所述微液滴单元检测波长为600 nm，对微液滴单元波长的检测是通过高通量微生物液滴培养设备可以实现液滴检测系统的光纤、光谱仪实现的，光纤光谱仪检测波长为350-800 nm。在本发明中，涉及到菌种驯化，通常检测菌种生长状态，常常测定600nm波长下吸光值，进而检测微生物在生产过程中的微生物量od值。
10.所述微生物微滴培养的方式为在线连续培养，在线连续培养时间不做限制，优选0.5-15天或1-100代。
11.所述一种基于微流控技术的菌种驯化与筛选方法，包括如下步骤：
1）从微生物菌种生长的固体平板上挑取新活化的单菌落接种至液体培养基，振荡培养至对数生长期；2）将步骤1）获得的菌液接种于新鲜液体培养基中，接种量通常在5%-10%；3）将步骤2）获得的接种量为5%-10%含有菌液的培养基装入高通量微生物液滴培养设备的菌液进样瓶中；4）利用高通量微生物液滴培养设备，进行菌种“生长曲线”在线测定，得到微液滴单元中菌种的完整生长曲线及数据；5）将2种不同浓度化学因子的液体培养基分别装入2个培养基进样瓶中；驯化过程中高通量微生物液滴培养设备将2个培养基进样瓶中的培养基按不同比例混合，用于连续培养、多次传代过程中按化学因子浓度梯度更换培养基；6）设置高通量微生物液滴培养设备“适应性进化”参数：液滴数量、od基准波长、化学因子浓度、传代方式、传代参数、梯度重复次数，然后开始驯化培养，利用高通量微生物液滴培养设备自动绘制的数据曲线；7）驯化完成后，根据利用高通量微生物液滴培养设备自动绘制的数据曲线，挑选od最优的微液滴单元进行提取，或进一步将微液滴单元菌株进行摇瓶培养验证。
12.所述步骤1）中，振荡培养至对数生长期，通过生长曲线测定，菌种培养至对数生长期，其活性最高，易于后续实验操作。
13.所述步骤2）和步骤3）中，接种量为5%-10%，以提供较合适的生长浓度。
14.所述步骤4）中，利用高通量微生物液滴培养设备进行在线生长曲线测定，在此过程中，进行微生物微液滴的生成与培养，测定菌种达到对数生长中后期的时间或对数生长中后期的od值，为步骤6）菌种驯化与筛选的“传代参数”提供参考依据。
15.所述步骤5）中，所述利用高通量微生物液滴培养设备将2个培养基进样瓶中的培养基按不同比例混合，是以2个不同浓度化学因子的液体培养基，根据不同比例混合，中间浓度介于2个进样瓶中的培养基的化学因子浓度之间；设备优选1-8个浓度梯度数据即连初始和最终浓度在内，最多能实现8个浓度梯度。
16.所述步骤6）中，按照高通量微生物液滴培养设备界面进行参数数值输入：液滴数量为1-200，优选20-200，进一步优选30-100，进一步优选30-80，进一步优选50；od基准波长，为步骤4）中在线生长曲线测定最佳od值；化学因子浓度，为起始培养基化学因子含量；传代方式与传代参数，按时间或者od进行选择，若选择时间，则传代参数中填入的参数为小时数，若选择od，则传代参数中填入的参数为od值；梯度重复次数，为每个梯度重复试验次数。在此过程中，要进行微生物液滴、不同化学因子浓度梯度更换培养基液滴的生成、微生物液滴的分割及其与不同化学因子浓度梯度更换培养基液滴的融合，及融合后微生物新液滴的培养。
17.所述步骤7）中，挑选od最优的微液滴单元进行提取，所述提取为通过高通量微生物液滴培养设备的芯片自动进行液滴筛选排出操作，取出od最优液滴或将进一步进行摇瓶培养验证。
18.本发明能够大幅度降低菌种驯化过程中人工操作的工作量，并且对驯化全过程中菌种的生长情况进行完整记录，比常规的人工操作可靠性更高；在线进行无损检测，无需取样，对菌株生长环境无影响，且数据更加密集，可以更真实的反应菌株的生长情况；传代过
程在封闭的液滴体系下自动进行，通过高精度注射泵控制，实验的平行性更好，且不易染菌。
附图说明
19.图1 为本发明利用高通量微生物液滴培养设备“生长曲线”功能设置界面图；图2 为本发明利用高通量微生物液滴培养设备“适应性进化”功能设置界面图；图3 为本发明利用高通量微生物液滴培养设备“适应性进化”功能中的化学因子浓度选择界面图；图4 为本发明利用高通量微生物液滴培养设备“适应性进化”功能中的液滴筛选界面图；图5 为本发明大肠杆菌驯化过程中液滴培养单元生长曲线图；图6 为本发明酿酒酵母驯化过程中液滴培养单元生长曲线图；图7为本发明植物乳杆菌驯化过程中液滴培养单元生长曲线图。
具体实施方式
20.为了更好的理解本发明，下面结合实施例对本发明做进一步说明，以下所述，仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更为同等变化的等效实施例。凡是未脱离本发明方案内容，依据本发明的技术实质对以下实施例所做的任何简单修改或等同变化，均落在本发明的保护范围内。
21.实施例中，未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件进行。所用试剂或者仪器未注明生产厂商的，均为市场上通过常规购买可获得的常规试剂。
22.高通量微生物液滴培养设备为洛阳华清天木生物科技有限公司根据专利201920419054. x或201910252767.6制备的产品，产品名称又称全自动高通量微生物液滴培养仪（microbial microdropletculture system, mmc），其由所述高通量微生物液滴培养设备由进样系统、微流控芯片系统、控温系统、液滴识别系统、液滴检测系统以及控制系统组成。
23.实施例1：大肠杆菌驯化与筛选1、实验材料与试剂材料：大肠杆菌dh 5α试剂：lb固体培养基：琼脂20g，胰蛋白胨10g，酵母提取物5g，nacl 10g，蒸馏水定容1l，p h 7.0，121℃灭菌20 min。
24.lb液体培养基a：胰蛋白胨10g，酵母提取物5g，nacl 10g，蒸馏水定容1l，ph 7.0，121℃灭菌20 min。
25.lb液体培养基b：胰蛋白胨10g，酵母提取物5g，nacl 30g，蒸馏水定容1l，ph 7.0，121℃灭菌20 min。
26.2、实验仪器：全自动高通量微生物液滴培养仪（microbial microdropletculture system, mmc）。
27.3、实验步骤：1）将大肠杆菌dh 5α接种在lb固体培养基上，在37℃下培养，培养完毕后挑取单菌落接种于5ml lb液体培养基a中，37℃，200 r/min振荡培养至菌液od
600
为0.5；2）取2ml菌液于40ml新鲜的lb液体培养基a中（接种量约5%）；3）将步骤2）获得的接种量为5%含有菌液的培养基用无菌注射器转移装入高通量微生物液滴培养设备的菌液进样瓶中；4）利用高通量微生物液滴培养设备，进行菌种“生长曲线”在线测定，测定界面如图1所示，微液滴的数量设置为50个（根据需要可以在1-200个液滴数量间进行设定，本次实验参数为50），od基准波长为600 nm（本设备中可以设置350-800 nm的波长，本实验中测定目标是菌种生长状态，优选600 nm）；得到微液滴单元中菌种的完整生长曲线及数据，再根据生长曲线获知菌种生长至对数中后期所需的时间；5）确定驯化目标为耐受3% nacl的大肠杆菌，将lb液体培养基a、lb液体培养基b用无菌注射器转移装入高通量微生物液滴培养设备的培养基进样瓶中，其中lb液体培养基a中的nacl浓度为初始浓度，lb液体培养基b中的nacl浓度为最终浓度；6）高通量微生物液滴培养设备进行初始化，进行高通量微生物液滴培养设备设置“适应性进化”参数设置，如图2所示。
28.设置方式和说明如下：液滴数量选择50，这意味着mmc会同时并以相同的方式对50个液滴培养单元进行培养和传代（根据需要可以在1-200个液滴数量间进行设定）。od基准波长根据菌种特性选择600 nm，本设备中可以设置350-800 nm的波长，本实验中测定目标是菌种生长状态，优选600 nm。化学因子浓度无需设置，该栏用于显示运行当时所处的化学因子传代梯度。传代方式选择time，传代参数根据步骤4）中得到的菌种达到对数中后期所需时间，选择8 h，这意味着每隔8小时高通量微生物液滴培养设备将对所有液滴进行传代操作。梯度重复次数选择3，这意味着使用每一种化学因子浓度的培养基进行传代的次数是3，完成该浓度梯度传代次数将进入下一个化学因子浓度梯度。
29.完成上述设置后点击“开始”按钮，软件弹出化学因子浓度选择窗口，如图3所示，填入2个培养基进样瓶中的nacl浓度，即1%和3%，点击“计算”后，软件列出所有可供选择的nacl浓度，根据需要勾选多个nacl浓度，至多可以选择8种不同比例梯度培养基即至多形成8种不同比例梯度培养基，点击“确定”按钮开始驯化过程。在整个过程中，设备根据实时检测到的每个液滴培养单元的od600值，绘制包含所有液滴培养单元的生长曲线图。
30.7）驯化完成后，根据高通量微生物液滴培养设备自动绘制的数据曲线，挑选最终od600值最优的液滴单元进行提取，点击“液滴筛选”按钮并根据软件提示进行提取（如图4所述），将提取到的液滴培养单元在lb琼脂平板进行划线并培养，得到的单菌落用于后续验证。
31.8）后续验证：挑取5个步骤7）中得到的单菌落，以及5个原始大肠杆菌的单菌落，分别接种至5ml lb培养基a中，37 ℃，200 r/min振荡培养12 h后转接至lb培养基b中，再以37 ℃，200 r/min振荡培养12h，检测菌液od600值。
32.实验结果：a、根据步骤6），大肠杆菌驯化过程生长曲线如图5所示。b、根据步骤8），检测菌液od
600
值，其结果如表1，由表1可知驯化后得到的大肠杆菌在高浓度的nacl条件下生长明显优于原始大肠杆菌。
33.表1 大肠杆菌驯化前后生长最佳od
600
值实施例2：酿酒酵母驯化与筛选酿酒酵母能将糖类物质转化为乙醇，在工业上有广泛应用。但生产过程中产生的高浓度的乙醇会抑制酿酒酵母生长，为了获得耐受高浓度乙醇的酿酒酵母，需要对酿酒酵母进行耐乙醇驯化。
34.1、实验材料与试剂材料：酿酒酵母试剂：ypd固体培养基：琼脂20g，蛋白胨20g，酵母提取物10g，葡萄糖20g，蒸馏水定容1l，115℃灭菌15 min。
35.ypd液体培养基a：蛋白胨20g，酵母提取物10g，葡萄糖20g，蒸馏水定容1l，115℃灭菌15 min。添加乙醇至体积分数为10%。
36.ypd液体培养基b：蛋白胨20g，酵母提取物10g，葡萄糖20g，蒸馏水定容1l，115℃灭菌15 min。添加乙醇至体积分数为15%。
37.2、实验仪器：全自动高通量微生物液滴培养仪（microbial microdropletculture system, mmc）。
38.3、实验步骤：1）将酿酒酵母接种至ypd固体培养基，在28℃下培养，培养完毕后挑取单菌落接种于5ml ypd液体培养基a中，37℃，200 r/min振荡培养至菌液od
600
为2；2）取2ml菌液于40ml新鲜的ypd液体培养基a中（接种量约10%）；3）将步骤2）获得的接种量为10%含有菌液的培养基用无菌注射器转移装入高通量微生物液滴培养设备的菌液进样瓶中；4）利用高通量微生物液滴培养设备，进行菌种“生长曲线”在线测定，测定界面同实施例1中界面窗口，微液滴的数量设置为200个，od基准波长为600 nm，根据生长曲线获知菌种生长至对数中后期所需的时间；5）确定驯化目标为耐受15% 乙醇的酿酒酵母，将ypd液体培养基a、ypd液体培养基b用无菌注射器转移装入高通量微生物液滴培养设备的培养基进样瓶中，其中ypd液体培养基a
中的乙醇浓度为初始浓度，ypd液体培养基b中的乙醇浓度为最终浓度；6）高通量微生物液滴培养设备进行初始化，进行高通量微生物液滴培养设备设置“适应性进化”参数设置：液滴数量：200od基准波长：600nm化学因子浓度：0%传代方式：time传代参数：14 h梯度重复次数：3设置方式和说明如下：液滴数量选择200，这意味着mmc会同时并以相同的方式对200个液滴培养单元进行培养和传代。od基准波长根据菌种特性选择600nm。化学因子浓度无需设置，该栏用于显示运行当时所处的化学因子传代梯度。传代方式选择time，传代参数根据4）中得到的菌种达到对数中后期所需时间，选择14小时，这意味着每隔14小时高通量微生物液滴培养设备将对所有液滴进行传代操作。梯度重复次数选择3，这意味着使用每一种化学因子浓度的培养基进行传代的次数是3，完成该浓度梯度传代次数将进入下一个化学因子浓度梯度。
39.完成上述设置后点击“开始”按钮，软件弹出化学因子浓度选择窗口，填入2个培养基进样瓶中的乙醇浓度，即10%和15%，点击“计算”后，软件列出所有可供选择的乙醇浓度，根据需要勾选多个乙醇浓度，选择6个浓度参数，点击“确定”按钮开始驯化过程。在整个过程中，设备根据实时检测到的每个液滴培养单元的od
600
值，绘制包含所有液滴培养单元的生长曲线图。
40.7）驯化完成后，根据高通量微生物液滴培养设备自动绘制的数据曲线，挑选最终od
600
值最优的液滴单元进行提取，点击“液滴筛选”按钮并根据软件提示进行提取，将提取到的液滴培养单元在ypd固体平板进行划线并培养，得到的单菌落用于后续验证。
41.8）后续验证：挑取5个步骤7）中得到的单菌落，以及5个原始酿酒酵母的单菌落，分别接种至5ml ypd液体培养基a，28 ℃，200 r/min振荡培养12 h后转接至ypd液体培养基b中，再以28℃，200 r/min振荡培养12 h，检测菌液od
600
值。
42.实验结果：a、根据步骤6），酿酒酵母驯化过程生长曲线如图6所示。b、根据步骤8），检测菌液od
600
值，其结果如表2，由表2可知驯化后得到的酿酒酵母在高浓度的乙醇条件下生长明显优于原始酿酒酵母。
43.表2 酿酒酵母驯化前后生长最佳od
600
值
ꢀ
实施例3 植物乳杆菌的驯化与筛选植物乳杆菌是食品工业中被广泛应用的菌种，其发酵过程中的产物乳酸会抑制菌种的生长，为了解除这种产物抑制效应，需要对植物乳杆菌进行耐乳酸驯化。
44.1、实验材料与试剂材料：植物乳杆菌试剂：mrs固体培养基：琼脂20g，蛋白胨10g，牛肉膏10g，酵母提取物5g，柠檬酸氢二铵2g，葡萄糖20g，吐温80 1ml，乙酸钠5g，磷酸氢二钾2g，硫酸镁0.58g，硫酸锰0.25g，蒸馏水定容1l，ph6.2~6.6，115℃灭菌15 min。
45.mrs液体培养基a：蛋白胨10g，牛肉膏10g，酵母提取物5g，柠檬酸氢二铵2g，葡萄糖20g，吐温80 1ml，乙酸钠5g，磷酸氢二钾2g，硫酸镁0.58g，硫酸锰0.25g，蒸馏水定容1l，ph6.2~6.6，115℃灭菌15 min。添加乳酸至终浓度10g/l。
46.mrs液体培养基b：蛋白胨10g，牛肉膏10g，酵母提取物5g，柠檬酸氢二铵2g，葡萄糖20g，吐温80 1ml，乙酸钠5g，磷酸氢二钾2g，硫酸镁0.58g，硫酸锰0.25g，蒸馏水定容1l，ph6.2~6.6，115℃灭菌15 min。添加乳酸至终浓度20g/l。
47.2、实验仪器：全自动高通量微生物液滴培养仪（microbial microdropletculture system, mmc）。
48.3、实验步骤：1）将植物乳杆菌接种至mrs固体培养基，在37℃下培养，培养完毕后挑取单菌落接种于5ml mrs液体培养基a中，37℃，200 r/min振荡培养至菌液od
600
为0.5；2）取2ml菌液于40ml新鲜的mrs液体培养基a中（接种量为5%）；3）将步骤2）获得的接种量为5%含有菌液的培养基用无菌注射器转移装入高通量微生物液滴培养设备的菌液进样瓶中；4）利用高通量微生物液滴培养设备，进行菌种“生长曲线”在线测定，测定界面同实施例1中界面窗口，微液滴的数量设置为20个，od基准波长为600 nm，根据生长曲线获知合适的od值作为后期传代的参考参数；5）确定驯化目标为耐受20g/l 乳酸的植物乳杆菌，将mrs液体培养基a、mrs液体培养基
b用无菌注射器转移装入高通量微生物液滴培养设备的培养基进样瓶中，其中mrs液体培养基a中的乳酸浓度为初始浓度，ypd液体培养基b中的乳酸浓度为最终浓度；6）高通量微生物液滴培养设备进行初始化，进行高通量微生物液滴培养设备设置“适应性进化”参数设置：液滴数量：30od基准波长：600nm化学因子浓度：0%传代方式：od传代参数：2.2梯度重复次数：6设置方式和说明如下：液滴数量选择30，这意味着mmc会同时并以相同的方式对30个液滴培养单元进行培养和传代。od基准波长根据菌种特性选择600nm。化学因子浓度无需设置，该栏仅用于显示运行当时所处的化学因子传代梯度。传代方式选择od，传代参数根据4）中得到的菌种od达到2.2时，将对所有液滴进行传代操作。梯度重复次数选择6，这意味着使用每一种化学因子浓度的培养基进行传代的次数是6，完成该浓度梯度传代次数将进入下一个化学因子浓度梯度。
49.完成上述设置后点击“开始”按钮，软件弹出化学因子浓度选择窗口，如图3所示，填入2个培养基进样瓶中的乳酸浓度，即1%（10g/l）和2%(20g/l)，点击“计算”后，软件列出所有可供选择的乳酸浓度，根据需要勾选多个乳酸浓度，选择5个浓度参数，点击“确定”按钮开始驯化过程。在整个过程中，设备根据实时检测到的每个液滴培养单元的od
600
值，绘制包含所有液滴培养单元的生长曲线图。
50.7）驯化完成后，根据高通量微生物液滴培养设备自动绘制的数据曲线，挑选od
600
值最先达到6）中传代参数值的液滴单元进行提取，点击“液滴筛选”按钮并根据软件提示进行提取，将提取到的液滴培养单元在mrs固体平板进行划线并培养，得到的单菌落用于后续验证。
51.8）后续验证：挑取5个步骤7）中得到的单菌落，以及5个原始植物乳杆菌的单菌落，分别接种至5ml mrs液体培养基a，37 ℃，200 r/min振荡培养12 h后转接至mrs液体培养基b中，再以37℃，200 r/min振荡培养12h，检测菌液od
600
值。
52.实验结果：a、根据步骤6），植物乳杆菌驯化过程生长曲线如图7所示；b、根据步骤8），检测菌液od
600
值，其结果如表3，由表3驯化后得到的植物乳杆菌在高浓度的乳酸条件下生长明显优于原始植物乳杆菌。
53.表3 植物乳杆菌驯化前后生长最佳od
600
值