細菌對廢棄羽毛的降解及在可持續(xù)農(nóng)業(yè)中應(yīng)用

王琳 魏啟舜 周影 張培 郭成寶

摘要：羽毛質(zhì)量約占雞總質(zhì)量的5%～7%，已成為家禽屠宰的主要廢棄物。羽毛中90%以上的成分為角蛋白，可作為多肽、氨基酸類有機肥來源。利用傳統(tǒng)理化方法降解羽毛能耗大，且可造成氨基酸結(jié)構(gòu)破壞。相比之下，利用角蛋白降解細菌降解羽毛高效節(jié)能、反應(yīng)條件溫和，具有廣闊的市場前景。本文著重介紹角蛋白降解細菌種類、產(chǎn)酶特點以及角蛋白降解機制，角蛋白降解產(chǎn)物及降解細菌對植物具有抗病促生作用，廢棄羽毛的生物降解及肥料化利用可促進有機農(nóng)業(yè)發(fā)展、改善農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)和提高土壤生物活性。

關(guān)鍵詞：生物肥料;羽毛角蛋白;角蛋白降解菌;有機肥料

中圖分類號：X172;X713?文獻標志碼：A?文章編號：1002-1302（2020）21-0040-06

我國目前已成為世界上第二大家禽生產(chǎn)國，2018年我國家禽出欄量達到130億只，根據(jù)推算產(chǎn)生的干羽毛量約為130萬t，其中江蘇省家禽出欄量達6.420 1億只，產(chǎn)生的干羽毛量約為6.4萬t，為避免禽流感等病害危害人們健康，全國已基本實現(xiàn)家禽的集中屠宰，屠宰產(chǎn)生的以羽毛為主的角蛋白類廢棄物產(chǎn)量越來越大，目前只有少量優(yōu)質(zhì)的羽毛被服裝、工藝品等行業(yè)利用，或者經(jīng)理化方法處理后添加到飼料中，大多數(shù)羽毛均被廢棄，而角蛋白在自然環(huán)境下降解緩慢，有時甚至造成局部的環(huán)境污染。角蛋白被認為是一種除了纖維素和幾丁質(zhì)外第三大蘊藏豐富高分子化合物的資源[1]。羽毛角蛋白含量達到90%左右，還包含鉀、鈣、鎂、鐵、鋅、銅等礦物質(zhì)，是很好的蛋白質(zhì)與氨基酸來源。

角蛋白有多種存在形式，包括蹄甲、魚鱗、角、動物皮毛等，由于角蛋白結(jié)構(gòu)中含有較多的二硫鍵且高度交聯(lián)，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，不易在環(huán)境中降解，成為固體廢物管理的一部分。傳統(tǒng)的角蛋白處理工藝包括高溫、高壓和酸堿水解等，這不僅能耗大，成本高，會對環(huán)境造成二次污染，而且還會破壞部分氨基酸，從而影響角蛋白的利用率。利用產(chǎn)角蛋白酶的微生物或角蛋白酶對富含角蛋白的有機廢棄物進行降解是一種效率高、成本低和環(huán)境友好的方式，通過生物轉(zhuǎn)化羽毛廢棄物形成的營養(yǎng)均衡易消化物質(zhì)中含有氨基酸、多肽和銨離子，既可以作為動物飼料又能作為生物肥料原料。細菌產(chǎn)生的角蛋白酶已經(jīng)在皮革工業(yè)中有了一定應(yīng)用，利用產(chǎn)角蛋白酶的細菌對角蛋白廢棄物進行降解在有機肥料產(chǎn)業(yè)中具有相當(dāng)大的應(yīng)用潛力。

1 細菌角蛋白酶特點

角蛋白是一種機械強度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、不溶性的硬質(zhì)蛋白，根據(jù)二級結(jié)構(gòu)的不同，可分為α-角蛋白和β-角蛋白。α-角蛋白是由具有螺旋構(gòu)象的多肽鏈構(gòu)成的纖維狀蛋白[1-2]，其亞基間的氨基酸序列由富含α螺旋的中央棒狀區(qū)和兩側(cè)的非螺旋區(qū)構(gòu)成，亞基之間形成大量的二硫鍵;β-角蛋白由反向平行的β-折疊片以平行的方式堆積而成[2]。由于內(nèi)部具有高度交聯(lián)的二硫鍵、氫鍵，且分子間具有相互疏水作用，角蛋白很難被一般蛋白酶如木瓜蛋白酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶等所降解[3]。

角蛋白酶是一種特殊的蛋白酶，它能夠降解羽毛、蹄甲、毛發(fā)、羊毛等難溶的硬質(zhì)角蛋白。這類酶對角蛋白具有較高的底物特異性。很多微生物包括細菌、真菌、放線菌都能產(chǎn)生角蛋白酶。產(chǎn)角蛋白酶的微生物廣泛存在于自然界中，目前國內(nèi)外已經(jīng)分離篩選到很多能降解角蛋白的菌株，已報道的具有降解角蛋白能力的細菌主要來源于芽孢桿菌屬，如地衣芽孢桿菌（Bacillus licheniformis）、枯草芽孢桿菌（B. subtilis）、短小芽孢桿菌（B. pumilus）和蠟樣芽孢桿菌（B. cereus）[4-7]，還有革蘭氏陰性菌如嗜麥芽寡養(yǎng)單胞菌（Stenotrophomonas maltophilia）[8];已報道的能降解角蛋白的放線菌主要屬于馬杜拉放線菌屬（Actinomadura sp. ）、鏈霉菌屬（Streptomyces sp.）[9-10]。

Lin等最早從地衣芽孢桿菌中純化到屬于S8蛋白酶家族的角蛋白酶[11]。早期對角蛋白酶的研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)角蛋白酶屬于絲氨酸蛋白酶中的枯草桿菌蛋白酶，主要來源于芽孢桿菌屬和放線菌屬微生物[12]。后來也有一些金屬蛋白酶中的角蛋白酶被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)。來源于金黃桿菌（Chryseobacterium sp. ） kr6的角蛋白酶Q1被鑒定屬于M14金屬蛋白酶家族[13]。來源于鏈霉菌（Streptomyces sp.） 594[14]、溶桿菌（Lysobacter sp.）NCIMB 9497[15]、金黃桿菌（Chryseobacterium sp.） [16]、枯草芽孢桿菌（B. subtilis） MTCC 9102 [17]、微桿菌（Microbacterium sp.） kr10[18]和銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）[19]的金屬蛋白酶也能降解角蛋白，這些金屬蛋白酶對金屬抑制劑乙二酸四乙酸（EDTA）敏感。

角蛋白酶的特性取決于產(chǎn)酶微生物。大多數(shù)角蛋白酶都為胞外酶，一般為堿性或中性酶，最適反應(yīng)pH值為7.5～9.0，但也有少數(shù)角蛋白酶具有極強的耐堿性[20]，部分角蛋白酶在酸性條件下具有酶解活性[17]。有些角蛋白酶有著較寬的最適反應(yīng)pH值范圍，巨大芽孢桿菌（Bacillus megatherium）的角蛋白酶在pH值為7～11時都具有角蛋白酶活性，但在pH值為7～8之間活性最高[21]。 芽孢桿菌比如枯草芽孢桿菌、短小芽孢桿菌、蠟樣芽孢桿菌的角蛋白酶最適反應(yīng)溫度為40～50 ℃，最適pH值為5～9[22]。嗜麥芽寡養(yǎng)單胞菌的角蛋白酶最適反應(yīng)溫度為60 ℃，最適pH值為10[23]。不同微生物來源的角蛋白酶最適反應(yīng)溫度差異較大，有些細菌角蛋白酶的耐熱性較好，最適反應(yīng)溫度在40～70 ℃之間，比如微白黃鏈霉菌（Streptomyces albidoflavus）、熱紫鏈霉菌（Streptomyces thermoviolaceus）和Streptomyces gulbargensis[24-26];閃爍桿菌（Fervidobacterium pennavorans） 的角蛋白酶最適反應(yīng)溫度為80 ℃[27];高溫菌F. islandicum AW-1的角蛋白酶最適反應(yīng)溫度達到100 ℃[28]。

羽毛水解液可以促進種子發(fā)芽率的提高和作物生長。盆栽條件下澆施羽毛生物降解液的處理，小白菜的葉片SPAD值、株高、地上部分生物量均顯著高于CK處理，葉片SPAD值顯著大于澆施三元素水溶復(fù)合肥（FH）的處理，株高、地上部分生物量和氮肥利用率與FH處理沒有顯著差異[37]。Paul等研究表明，羽毛水解液能夠促進孟加拉鷹嘴豆的出芽和生長，添加羽毛水解液的處理側(cè)根數(shù)與根瘤菌數(shù)量是其他處理的3倍，主要是由于羽毛水解液的施用增加了土壤中可直接利用的氨基酸或營養(yǎng)物質(zhì)濃度，促進了根表面積的提高，更有利于固氮菌在根部附著、入侵和生長，從而促進根瘤的形成[49]。

施加羽毛水解液可以增加土壤中的有益菌群數(shù)量，Paul等認為，施加羽毛水解液的處理相比空白對照土壤中固氮菌和溶磷細菌的數(shù)量分別增加了1.9倍和5.8倍[49]，與Rai等的研究結(jié)果[51]一致。土壤中加入含有角蛋白降解細菌的羽毛水解液后，有益菌群數(shù)量顯著增加[42]，但過量添加則會減少有益菌群的數(shù)量，可能是因為高濃度的NaCl會對土壤中土著微生物產(chǎn)生毒性[49-50]。

4 農(nóng)業(yè)方面其他應(yīng)用

利用角蛋白降解細菌降解羽毛釋放游離氨基酸的工藝在制藥、飼料、可生物降解膜制作、制膠行業(yè)均可應(yīng)用[12，40，52-53]。羽毛是一種很好的氨基酸來源。不同的菌降解羽毛后獲得的氨基酸組分有所差異（表1）[54-55]。羽毛粉經(jīng)過微生物酶解之后營養(yǎng)特性提高，更利于動物吸收[56-57]。羽毛降解后產(chǎn)物中的營養(yǎng)組成類似于大豆蛋白。地衣芽孢桿菌已經(jīng)在工業(yè)中被用于生產(chǎn)商業(yè)角蛋白酶。在含有羽毛的堆肥中添加角蛋白降解菌可起到除臭的作用，同時還能產(chǎn)生抗生素，抑制病原菌的產(chǎn)生[58]。

5 總結(jié)

目前，我國農(nóng)田尤其是集約化農(nóng)業(yè)區(qū)，化肥過量投入現(xiàn)象十分普遍。過量化肥投入并未帶來作物產(chǎn)量的同步提升，化肥（尤其是氮肥）過量施用引發(fā)了一系列環(huán)境問題，如溫室氣體排放量增加、水體富營養(yǎng)化等。來自家禽業(yè)的羽毛廢棄物是很好的氮碳來源，利用角蛋白降解細菌將廢棄羽毛轉(zhuǎn)化為含氨基酸的肥料，替代化肥提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)，有利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

利用角蛋白降解菌降解羽毛形成一種優(yōu)質(zhì)的有機肥料在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用，既能促進植物生長、提高作物品質(zhì)，還能起到生物防治作用，是一種非常經(jīng)濟、環(huán)境友好的有機廢棄物利用方式。利用微生物降解羽毛的產(chǎn)物作為肥料，既能提供有利于植物生長的大量元素C、N及微量元素，同時還產(chǎn)生促進植物細胞分裂的植物生長激素IAA。有的角蛋白降解菌不僅具有降解羽毛的作用，同時也是一種植物益生菌，通過分泌蛋白酶抑制病原菌生長，起到生物防治的作用。因此利用角蛋白降解菌降解羽毛廢棄物生產(chǎn)的生物有機肥料，對于農(nóng)田生態(tài)、環(huán)境保護、人類健康、土壤生物活性維持起著重要作用，有利于有機農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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