短小芽胞桿菌的益生作用及其生物降解功能

向 軍， 余金鳳， 周 魏， 丁功濤， 馬忠仁， 田曉靜, ， 高丹丹, ， 周雪雁, *

(1. 西北民族大學(xué) 生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730124；2. 西北民族大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)研究中心，甘肅 蘭州 730030)

短小芽胞桿菌(Bacilluspumilus)營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞呈桿狀，單個(gè)或鏈狀排列，革蘭染色陽(yáng)性[1]。好氧或兼性厭氧生長(zhǎng)，亞硝酸鹽還原和吲哚反應(yīng)呈陰性，麥芽糖、木糖和甘露醇等13種生化指標(biāo)呈陽(yáng)性[2]。短小芽胞桿菌的全基因組大小為3 665 590 bp，編碼序列為3 614 bp，G+C含量為41.2%，結(jié)合其形態(tài)特征與生化特性，短小芽胞桿菌屬于硅藻科芽胞桿菌屬。到目前為止提交到NCBI獲得GenBank登記的菌株有40 960株[3]。應(yīng)用全基因組系統(tǒng)發(fā)育分析方法，對(duì)短小芽胞桿菌和其他芽胞桿菌基因組進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析，利用軟件MEGA 7.0構(gòu)建以全基因組序列為基礎(chǔ)的Neighbor-Joining 系統(tǒng)進(jìn)化樹(圖1)，顯示與地衣芽胞桿菌(Bacilluslicheniformis)同源性為95.83%，與枯草芽胞桿菌(Bacillussubtilis)同源性為96.94%，與解淀粉芽胞桿菌(Bacillusamyloliquefaciens)同源性為95.66%，與耐鹽芽胞桿菌(Bacillushalotolerans)同源性為96.87%。短小芽胞桿菌大多存在于土壤或定殖在某些植物的根部，其耐受性強(qiáng)，能夠抑制土壤傳播的真菌疾病和線蟲[4]。短小芽胞桿菌能夠分泌活性很強(qiáng)的幾丁質(zhì)酶[5]、脂肪酶[6]、堿性絲氨酸角化酶[7]、木聚糖酶[8]等代謝產(chǎn)物，有利于大分子物質(zhì)的降解。此外，還可以產(chǎn)生拮抗性物質(zhì)抗菌素、抗菌蛋白[9]、單?；咸烟腔视椭琜10]等，能夠?qū)Χ喾N病原菌產(chǎn)生抑制作用。短小芽胞桿菌對(duì)動(dòng)植物的益生作用和在生物降解等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，為更好地挖掘短小芽胞桿菌的生物降解功能和對(duì)動(dòng)植物的益生作用及其在其他方面的應(yīng)用，以期發(fā)現(xiàn)新型活性代謝產(chǎn)物。本文通過(guò)對(duì)短小芽胞桿菌生物學(xué)功能及其代謝產(chǎn)物的應(yīng)用研究進(jìn)行綜述，進(jìn)一步研究其抗菌、抗病毒、促進(jìn)植物生長(zhǎng)和生物降解等生物學(xué)功能，為該菌在各領(lǐng)域廣泛應(yīng)用提供參考。

圖1 基于全基因序列建立的Bacillus pumilus系統(tǒng)進(jìn)化樹Fig.1 Phylogenetic tree of Bacillus pumilus based on genomic sequence

1 益生作用

1.1 對(duì)植物益生作用

短小芽胞桿菌主要通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)作用[11]、拮抗作用[12]、寄生或溶菌作用[13]、誘導(dǎo)抗性[14]和促進(jìn)植物生長(zhǎng)[15]五個(gè)方面，對(duì)土壤中病原菌進(jìn)行微生物防治。植物各組織器官及其賴以生存的根際土壤中定殖多種具有生防能力的細(xì)菌、真菌、放線菌、病毒等[16]，利用有益的微生物和微生物代謝產(chǎn)物來(lái)防治作物病害是一項(xiàng)重要的技術(shù)和方法[17]。短小芽胞桿菌作用于不同植物的根、莖、葉，對(duì)植物病原有很強(qiáng)的抗菌和抗真菌活性，具有維持微觀生態(tài)平衡，促進(jìn)植物生長(zhǎng)的作用(表1)。將短小芽胞桿菌菌液噴灑在煙葉上，在45 ℃、60%溫濕度條件下發(fā)酵21 d，煙葉中總糖、還原糖和鉀含量增加，纖維素、蛋白質(zhì)、總氮和煙堿含量降低，煙葉品質(zhì)得到改善[18]。

表1 短小芽胞桿菌對(duì)植物益生作用效果及作用機(jī)制

1.2 對(duì)動(dòng)物益生作用

短小芽胞桿菌具有促進(jìn)機(jī)體消化與吸收、調(diào)節(jié)動(dòng)物腸道微生態(tài)平衡、增強(qiáng)動(dòng)物免疫功能、提高動(dòng)物生產(chǎn)性能等益生作用[26]，是一種新型的微生態(tài)制劑。在患白化病大鼠的飼料中添加8%～9%的短小芽胞桿菌菌懸液，喂養(yǎng)28 d后測(cè)定糞便中大腸埃希菌和乳酸桿菌的數(shù)量，大腸埃希菌數(shù)量明顯降低，大鼠腸道菌群中乳酸菌群的數(shù)量增加，發(fā)現(xiàn)短小芽胞桿菌有機(jī)體與大鼠腸道中的乳酸菌可以協(xié)同作用[27]。從短小芽胞桿菌的濃縮發(fā)酵液中分離出3種具有抗菌活性的化合物，對(duì)金黃色葡萄球菌、黃體微球菌、多殺性巴氏桿菌、豬沙門氏菌、雞大腸埃希菌等均有較強(qiáng)地抑制作用[28]。短小芽胞桿菌的抗菌活性、提高動(dòng)物免疫、促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)等特性，能夠改善動(dòng)物腸道的感染程度，抑制微生物的生長(zhǎng)和調(diào)控腸道菌群的穩(wěn)定(表2)。

表2 短小芽胞桿菌對(duì)動(dòng)物機(jī)體的益生作用

2 生物降解功能

短小芽胞桿菌能夠產(chǎn)生多種酶，其中活性較強(qiáng)的有十幾種。木聚糖酶和堿性蛋白酶分泌最多，堿性纖維素酶、耐熱角蛋白酶、果膠裂解酶、脂肪酶、脫氫酶、氧化脫羧酶、胰蛋白酶等分泌較少[34]，而短小芽胞桿菌的生物降解功能主要是利用其代謝產(chǎn)物對(duì)大分子物質(zhì)進(jìn)行降解。因此，可根據(jù)短小芽胞桿菌的代謝產(chǎn)物對(duì)碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂類和其他類物質(zhì)廢棄物的降解進(jìn)行分類研究，將工業(yè)廢棄物、動(dòng)植物廢棄物以及皮革產(chǎn)品最大程度地降解利用，并挖掘短小芽胞桿菌作為微生物制劑應(yīng)用于生物降解及其他方面的潛在價(jià)值。

2.1 對(duì)碳水化合物的降解

碳源是短小芽胞桿菌生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，能夠?yàn)槎绦⊙堪麠U菌代謝產(chǎn)物合成提供碳骨架和細(xì)胞生命活動(dòng)所需的能量[35]。植物中含有大量的含碳化合物，短小芽胞桿菌可以利用植物中的碳元素以及對(duì)其他物質(zhì)的吸收合成代謝產(chǎn)物降解植物源性廢棄物。木聚糖酶是短小芽胞桿菌分泌最多的一種酶，其產(chǎn)酶量高達(dá)18 249.82 U/mL，木聚糖酶由內(nèi)切木聚糖酶和外切木聚糖酶組成，這兩種酶可將木聚糖降解成低聚糖和還原糖木糖，從而破壞植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，使植物中的養(yǎng)分釋放出來(lái)，并在纖維素酶的協(xié)同作用下，達(dá)到降解植物的效果[36]。利用短小芽胞桿菌GBSW19發(fā)酵液以每公頃450 L(108cfu/g)噴撒在田間的小麥秸稈上，32 d后降解效率達(dá)到68.6%，后期作物生長(zhǎng)株高并且根長(zhǎng)，增加了作物的產(chǎn)量[37]。短小芽胞桿菌對(duì)水稻秸稈、稻草、玉米秸稈、麥麩等有降解作用，能夠提高碳水化合物的降解效率，可以對(duì)碳水化合物類的廢棄物進(jìn)行降解并再次利用(表3)。

表3 短小芽胞桿菌對(duì)碳水化合物的降解應(yīng)用

2.2 對(duì)蛋白質(zhì)的降解

短小芽胞桿菌主要降解動(dòng)物源性蛋白質(zhì)，如動(dòng)物的羽毛、角、血液等。其原理是短小芽胞桿菌代謝所產(chǎn)生的角蛋白酶(酶活力為1 270 U/mL)和血紅蛋白酶(酶活力為22.84 U/mL)[36]，能夠催化和抑制一些蛋白，使蛋白質(zhì)失活酶解，以達(dá)到生物降解的效果[42]。短小芽胞桿菌LZ013-2菌株發(fā)酵上清液中具有降解活性的蛋白酶，能夠高效降解大豆胰蛋白酶抑制劑的活性, 2 h可將胰蛋白酶抑制劑抑制率降低73.6%[43]。短小芽胞桿菌產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物酶對(duì)家畜廢棄物具有高效的生物降解作用，能夠減少動(dòng)物廢棄物對(duì)環(huán)境的污染，改善養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境，使蛋白質(zhì)降解轉(zhuǎn)化得到再次利用(表4)。因此，可以動(dòng)物的血液、毛、蹄等為原料，利用生物降解技術(shù)生產(chǎn)氨基酸液體肥料，這一技術(shù)亟待進(jìn)一步研究和開發(fā)利用[44]。

表4 短小芽胞桿菌的酶類代謝產(chǎn)物對(duì)蛋白質(zhì)的生物降解功能

2.3 對(duì)脂類物質(zhì)的降解

通過(guò)馴化短小芽胞桿菌篩選的功能性菌株所產(chǎn)生的堿性蛋白酶和脂肪酶的酶活力分別為383 U/mL和1.5 U/mL。堿性蛋白酶先將蛋白質(zhì)分解成可溶性的肽鍵，再分解成氨基酸，使蛋白質(zhì)大部分水解[51]。而脂肪酶能夠吸收和降解油污類固體物，乳化油污中的成分，同時(shí)代謝出脂類表面活性劑，有效促進(jìn)脂類物質(zhì)的降解[52]。作為處理高油脂餐飲污水的微生物制劑，短小芽胞桿菌能夠有效去除餐飲污水中的油脂，應(yīng)用于工業(yè)中生產(chǎn)微生物除污劑，具有較好的應(yīng)用前景。產(chǎn)脂肪酶的短小芽胞桿菌對(duì)廢水中棕櫚油降解3 h后，降解率達(dá)到96%[53]。因此，短小芽胞桿菌可以替代一些傳統(tǒng)的清潔劑，不僅避免對(duì)環(huán)境造成污染，而且投入成本低，具有很好的開發(fā)利用前景。

2.4 對(duì)其他物質(zhì)的降解

微生物可以修復(fù)污染的土壤，降解工業(yè)廢水中大分子有機(jī)化合物，降低真菌代謝產(chǎn)物的毒性，減少?gòu)U棄物對(duì)環(huán)境的污染[54]。短小芽胞桿菌的代謝產(chǎn)物脫氫酶、脫羧酶、氧化酶等能夠高效分解碳系污染物[55-56]，通過(guò)對(duì)其物質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行酶解，達(dá)到降解的目的；對(duì)石油[57]、有機(jī)化合物[58]、真菌代謝產(chǎn)物[59]等多種物質(zhì)具有降解作用。采用多因素分析方法對(duì)石油油污、多菌靈、硝基苯、雙酚、黃曲霉毒素等物質(zhì)進(jìn)行降解試驗(yàn)，在最適降解條件下對(duì)石油油污、有機(jī)化合物等其他類物質(zhì)高效降解情況見表5。

表5 短小芽胞桿菌對(duì)其他物質(zhì)的生物降解

3 展 望

短小芽胞桿菌的生物降解功能及其代謝產(chǎn)物的應(yīng)用引起了各界的廣泛關(guān)注。目前，對(duì)短小芽胞桿菌的研究已經(jīng)取得了一些成果，但是在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一些問(wèn)題：①篩選出的拮抗菌株容易受到外界因素和植物微觀生態(tài)平衡等多種因素的影響，難以發(fā)揮穩(wěn)定有效的防治效果；②當(dāng)短小芽胞桿菌的代謝產(chǎn)物應(yīng)用于生物防治時(shí)，其發(fā)酵產(chǎn)量低且生產(chǎn)性能不穩(wěn)定；③需要開發(fā)具有較強(qiáng)蛋白酶活性的短小芽胞桿菌，其生物降解以及對(duì)動(dòng)植物的益生作用還有待進(jìn)一步研究。根據(jù)目前存在的問(wèn)題，可以通過(guò)優(yōu)化配方提高活菌制劑的穩(wěn)定性，根據(jù)地區(qū)和不同生物利用程度開發(fā)特殊的微生物制劑，以提高防治效果和穩(wěn)定性；利用基因突變育種或基因工程育種優(yōu)化菌株，以提高有效代謝物的產(chǎn)量，并促進(jìn)代謝物在生物防治和醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用；結(jié)合傳統(tǒng)方法和現(xiàn)代生物技術(shù)，基于其殺蟲抗菌特性，開發(fā)轉(zhuǎn)基因抗蟲、抗病作物；繼續(xù)篩選高效穩(wěn)定的新生物活性產(chǎn)品，促進(jìn)短小芽胞桿菌的代謝產(chǎn)物在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。