微生物復合菌群聯(lián)合降解中藥藥渣的研究進展

李亞丹，郭義東，劉逆夫，李三新，鄒 亮，龔 云

（1.株洲千金藥業(yè)股份有限公司，湖南株洲412007；2.四川抗菌素工業(yè)研究所，四川成都610051；3.成都大學生物產(chǎn)業(yè)學院，四川成都610106）

隨著人們對化學藥毒副作用認識的加深以及“治未病”理念的逐步形成，具有悠久歷史的中藥產(chǎn)品備受矚目。隨著市場需求量的不斷上升，中藥材加工產(chǎn)生的中藥藥渣也越來越多，如何合理處理這些藥渣成為亟待解決的問題。

中藥藥渣成分以植物根莖組織為主，含有植物纖維、蛋白質(zhì)、多糖和殘留的藥物成分。而植物纖維含有大量纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和果膠等成分，從而使得中藥藥渣難于被降解利用。近年來，以高產(chǎn)纖維素酶菌株的選育、纖維素酶合成的調(diào)控、復合纖維素酶降解機制以及單一或復合纖維素降解菌的應用為研究方向的課題都取得了很大的進展［1］。目前，雖然已經(jīng)獲得了一批具有纖維素降解能力的菌種，但由于大部分菌種產(chǎn)生的酶受到纖維素分解產(chǎn)物的抑制作用以及培養(yǎng)過程中培養(yǎng)液pH 值過低抑制降解菌生長等問題，要依靠某一菌種徹底實現(xiàn)纖維素類物質(zhì)的轉(zhuǎn)化利用，仍然存在極大的難度［2］。因此，依靠微生物復合菌群的聯(lián)合降解作用，有望實現(xiàn)纖維素類物質(zhì)的降解利用。

鑒于此，作者對微生物復合菌群的來源及組成進行了簡單介紹，并對微生物復合菌群的協(xié)同作用機理進行了討論。

1 微生物復合菌群的來源及組成

獲得降解木質(zhì)纖維素的微生物復合菌群的方法主要有兩種：從自然界中直接篩選、針對性選擇某些功能菌株進行重新組合。

1.1 從自然界中直接篩選

直接從自然環(huán)境中篩選功能菌群的優(yōu)勢在于：能保持自然界中菌群成員之間的協(xié)同關系，有利于獲得穩(wěn)定的木質(zhì)纖維素降解復合菌群。針對天然木質(zhì)纖維素降解過程中材料去木質(zhì)素化問題，目前已發(fā)現(xiàn)了一類特殊厭氧環(huán)境下的微生物菌群——白蟻腸道微生物［3－4］。白蟻腸道內(nèi)存在多種具有木質(zhì)纖維素降解能力的厭氧細菌和厭氧真菌，可以產(chǎn)生多種纖維素降解酶和半纖維素降解酶，雖然目前還未發(fā)現(xiàn)這類微生物能產(chǎn)生針對木質(zhì)素的降解酶，但白蟻腸道內(nèi)的雞樅菌（Termitomyces）卻發(fā)揮了“梳子”的作用，通過菌絲生長來破壞降解底物的木質(zhì)素保護，將木質(zhì)素“松動”“預處理”后，暴露出材料的纖維素和半纖維素，使材料更容易被腸道內(nèi)其它微生物產(chǎn)生的復合酶系高效降解［3，5］。

從其它自然環(huán)境體系中篩選具有木質(zhì)纖維素降解能力復合菌群的研究報道層出不窮［6－8］。潘虎等［9］研究了紅樹林根際土壤中微生物菌群，從中篩選得到纖維素降解復合菌群，包含8個屬的好氧性細菌和3個屬的真菌；Feng等［10］從土壤中富集到木質(zhì)纖維素降解細菌菌群，包含瘡皰丙酸桿菌（Propionibacterium acnes）、梭菌屬細菌（Clostridiumsp.）、未培養(yǎng)厚壁菌門細菌（unculturedFirmicutes）、未培養(yǎng)β－變形桿菌（unculturedBetaproteobacterium）、泛桿菌屬細菌（Pantoeasp.）等6種細菌，以該菌群作用于玉米秸稈粉末，發(fā)現(xiàn)該復合菌群培養(yǎng)8d可降解51%的玉米秸稈粉末，主產(chǎn)物為醋酸；崔宗均等［11］以4種堆肥樣品為對象，篩選到4組纖維素降解復合菌群，后通過酸堿反應互補原則馴化出復合菌系MC1，纖維素降解能力強且十分穩(wěn)定；Wang等［12］從腐熟堆肥中分離到了包括9種菌在內(nèi)的復合菌群，50 ℃培養(yǎng)3d可降解99%的濾紙、77%的棉花和81%的水稻秸稈。

1.2 針對性選擇某些功能菌株進行重新組合

陳耀寧［13］研究發(fā)現(xiàn)，將一株黃孢原毛平革菌（Phanerochaetechrysosporium）和一株岐皺青霉菌（Penicilliumsteckii）混合培養(yǎng)可提高降解體系中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的降解率，分別比二者純培養(yǎng)體系提高52.7%、53.1%和54.9%；黃茜等［14］利用白腐真菌中木質(zhì)素降解能力較強的平菇HF（Pleurotus ostreatus）與纖維素降解能力較強的康氏木霉（Trichodermakoningii）混合發(fā)酵小麥秸稈，發(fā)現(xiàn)混合發(fā)酵的效果均優(yōu)于單獨發(fā)酵；Muhammad等［15］將綠色木霉（Trichodermaviride）MSK－10與黑曲霉（Aspergillus niger）MSK－7混合培養(yǎng)，培養(yǎng)基中各種酶的含量較單獨培養(yǎng)增加了30%～50%。

通過上述研究不難發(fā)現(xiàn)，具有較強纖維素、半纖維素降解作用的細菌多為嚴格厭氧的梭桿菌屬Clostridiumsp.［16－17］，另外，嚴格厭氧菌擬桿菌屬Bacteriodessp.也是公認的纖維素降解菌［18－20］，真菌中白腐真菌、木霉、曲霉中的一些種類也能分泌多種木質(zhì)纖維素降解酶。

2 微生物復合菌群的協(xié)同作用機理

微生物復合菌群之所以能夠穩(wěn)定傳代并保持功能不變，是因為復合菌群成員間以一種互相影響、互相制衡的方式穩(wěn)定共存［21］。以往對復合菌群的研究主要著眼于微生物的代謝產(chǎn)物對整個體系的影響，對復合菌群成員協(xié)同關系研究相對較少，因此，深入研究復合菌群成員之間的相互影響（如菌群成員之間存在的互養(yǎng)關系、對營養(yǎng)成分的競爭關系以及某一種微生物對其它成員產(chǎn)生一定程度的促進作用或抑制作用）、綜合把握復合菌群的特點有助于更好地利用復合菌群。

Kato等［22］從堆肥中篩選出一組具有纖維素降解能力的細菌，經(jīng)鑒定其中包括具有降解纖維素能力的厭氧細菌S（ClostridiumstraminisolvensCSK1），具有利用多糖能力的F（Clostridiumsp.FG4），可利用多肽、醋酸鹽的好氧菌1－3（Pseudoxanthomonassp.M1－3），可利用多肽、葡萄糖、乙醇的好氧菌1－5（Brevibacillussp.M1－5）等4種菌。為了更進一步探討各菌株間的相互作用關系，將各菌株過濾后的培養(yǎng)液加入其它3種菌單一或兩兩組合或3種菌混合的培養(yǎng)基中，通過綜合分析各種菌在培養(yǎng)過程中的數(shù)量動態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)菌株S依賴于菌株1－5而存在，而菌株1－5又受到菌株1－3的負調(diào)節(jié)，菌株F 又會抑制菌株1－3的生長。因此，菌株F 對菌株1－5具有非直接的促進作用，同樣就促進了菌株S的生長，這種復合菌群間的相互影響，尤其是非直接作用的存在，維持了復合菌群的穩(wěn)定傳代。

Kato等［23］還篩選到一組纖維素降解復合菌群SF356，經(jīng)鑒定其中包含5種細菌，分別為Clostridium straminisolvensCSK1（厭氧纖維素降解菌）、Clostridiumsp.FG4（厭氧非纖維素降解菌）、Pseudoxanthomonassp.M1－3（兼性厭氧菌）、Brevibacillussp.M1－5（好氧菌）、Bordetellasp.M1－6（好氧菌）。采用依次培養(yǎng)減少某一種菌種的方法，研究種類減少后的復合菌群發(fā)酵產(chǎn)物種類、各種菌的生長速率、發(fā)酵產(chǎn)酶情況以及對底物的降解作用，綜合分析復合菌群成員之間的協(xié)同作用和對整個體系的作用，發(fā)現(xiàn)CSK1為纖維素降解菌，刪除了CSK1 后復合菌群中的FG4、M1－5、M1－3也會依次消失，說明后三者依賴于纖維素的降解才能生長；M1－5不能利用纖維素而只能利用葡萄糖為發(fā)酵底物，而FG4可實現(xiàn)多糖降解為葡萄糖的過程，從而維持了M1－5的生長；M1－6不受纖維素降解的制約，但受到M1－5的抑制作用，正是這一作用使得整個體系中各種菌的數(shù)量比例穩(wěn)定，未呈現(xiàn)出M1－6的絕對優(yōu)勢；M1－3、M1－5、M1－6在發(fā)酵過程中起到消耗氧氣、調(diào)節(jié)pH 值的作用。

3 結語

通過微生物復合菌群的協(xié)同作用而實現(xiàn)的木質(zhì)纖維素的降解是完成地球生物圈碳循環(huán)的基礎，也是成功實現(xiàn)生物質(zhì)能源開發(fā)的必經(jīng)步驟［24］。微生物種群的多樣性影響系統(tǒng)功能［25－26］。深入研究不同菌種間的協(xié)同作用，探明微生物復合菌群各成員在發(fā)酵反應全過程中的作用，結合分子生物學技術闡明菌群成員在降解過程中的動態(tài)變化，都將為高效降解木質(zhì)纖維素復合菌群的選育、優(yōu)化提供有力支持。另外，利用分子生物學技術對纖維素酶編碼基因進行改造、調(diào)控或修飾操縱基因達到減弱底物抑制作用是當前提高纖維素降解菌產(chǎn)酶量和促進酶活力的有效方法［27－30］。

微生物復合菌群的培養(yǎng)已在實際應用方面進行了有效的嘗試［31－32］，今后關于復合菌群中各菌種之間的相互作用以及對木質(zhì)纖維素聯(lián)合降解作用的研究將有助于更好地認識并利用這類復雜的微生物體系。利用微生物復合菌群聯(lián)合降解中藥藥渣，可將木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為小分子的單糖，釋放出中藥藥渣中的藥物活性物質(zhì)，產(chǎn)生的豐富代謝產(chǎn)物對動植物生長發(fā)育具有一定的促進作用。因此，微生物復合菌群聯(lián)合降解中藥藥渣有助于實現(xiàn)中藥藥渣的循環(huán)利用，是減輕環(huán)境污染、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的創(chuàng)新技術。

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