枯草芽孢桿菌在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

邱月

（遼寧省檢驗檢測認證中心，遼寧 沈陽 110016）

枯草芽孢桿菌廣泛存在于自然環(huán)境中，是一類種類繁多、分布廣泛、生長速度快、易繁殖的益生菌[1]?？莶菅挎邨U菌發(fā)酵可產(chǎn)生多種酶，如蛋白酶、淀粉酶等，其在生長過程中能分泌活性物質(zhì)，如枯草菌素、制霉菌素等，可有效抑制多種致病菌，而其芽孢體具有耐酸、耐鹽、耐高溫、耐擠壓等特點[2]，具有較高的穩(wěn)定性。

枯草芽孢桿菌的作用到20 世紀末逐漸被人們廣泛認識，并在種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)和土壤改良方面得到廣泛應(yīng)用。2015年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部提出了“一控兩減三基本”目標，2019年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部提出標志促生長類藥物（除中藥）飼料添加劑退出了中國飼料歷史舞臺，也為“減抗/替抗”提出了新的挑戰(zhàn)。該文將梳理和分析近年來枯草芽孢桿菌在農(nóng)業(yè)各領(lǐng)域的相關(guān)研究，以期闡明枯草芽孢桿菌在未來農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景和研究熱點。

1 應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 枯草芽孢桿菌在種植業(yè)中的應(yīng)用

化學防治是植物保護中最廉價、最有效的防控方法，然而由于長期、大量化學農(nóng)藥的使用，也產(chǎn)生了一系列的負面作用，如病原菌的抗性增加、農(nóng)產(chǎn)品化學殘留及環(huán)境污染嚴重等問題，不僅嚴重制約了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，還嚴重威脅著人類的健康[3]。隨著人們對農(nóng)產(chǎn)品安全意識和期待的不斷增強，綠色、有機農(nóng)產(chǎn)品已被消費者廣泛認知與接受，其需求量逐年增加，進而促進了高效、無殘留、無污染的生物農(nóng)藥、生物肥料、土壤改良劑等產(chǎn)品的快速發(fā)展。

1.1.1 防治植物病蟲害。枯草芽孢桿菌的殺菌機理與傳統(tǒng)殺菌劑不同，其菌體本身對病原菌并沒有殺傷作用，而是通過分泌的有益物質(zhì)誘導植物自身的生理、生化防衛(wèi)反應(yīng)來阻止外來病原菌的侵染，達到防治病害的目的[3]。研究表明，枯草芽孢桿菌可以很好地防治水稻、小麥、茶樹、馬鈴薯、油菜、棉花、甘蔗等作物的病害，減少植株的病死率[4-6]。該菌對植物病蟲害防治的作用機理主要有4 種作用方式。

（1）競爭作用。枯草芽孢桿菌可以在植物根際、體表或體內(nèi)及土壤中快速、大量繁衍和定殖，有效地排斥、阻止和干擾植物病原微生物在植物上的定殖與侵染，從而達到抑菌和防病的效果[7]。韓長志[8]等對鉤狀木霉與枯草芽孢桿菌在核桃根際土壤中定殖的研究表明，2 種菌在核桃根際土壤中定殖良好。李健等人[9]對枯草芽孢桿菌L1-21在柑橘上的定殖能力及其防治綠霉病效果開展了研究，結(jié)果表明，枯草芽孢桿菌L1-21 能高效定殖于柑橘葉片及果實內(nèi)，可以利用該菌株防治柑橘病害。楊可欣等人[10]研究證實枯草芽孢桿菌對盆栽大豆土壤酶系和微生物區(qū)系具有明顯的影響作用，使用枯草芽孢桿菌后土壤中細菌數(shù)量增加8.5%~72.5%，真菌數(shù)量抑制率最高達37.2%。

（2）拮抗作用?？莶菅挎邨U菌可以通過核糖體和非核糖體的合成途徑產(chǎn)生細菌素、酶類、蛋白類抑菌物質(zhì)和抗生素等，從而產(chǎn)生抗菌物質(zhì)來抑制有害病原物的生長。祖雪等人[11]篩選的枯草芽孢桿菌K-268 對稻瘟病菌菌絲生長抑制率達86.30%±0.70%，同時對供試的水稻紋枯病菌、玉米大斑病菌及柑橘沙皮病菌等植物病原菌均有抑制作用。鄭小亮等人[12]的研究發(fā)現(xiàn)，枯草芽孢桿菌分泌的抗菌蛋白能夠降低小麥赤霉病的發(fā)病率。噴灑枯草芽孢桿菌還可以控制水稻紋枯病發(fā)生[13-14]，對蘋果樹腐爛病菌菌絲生長也具有明顯的抑制和破壞作用[15]。

（3）誘導植物產(chǎn)生抗性?？莶菅挎邨U菌在生長過程中能夠產(chǎn)生枯草菌素、多粘菌素、制霉菌素等活性物質(zhì)，可直接抑制植物病原菌，而且能通過誘發(fā)植物自身的抗病潛能從而增強植物的抗病性[7]。Benitez S 等人[16]開展了枯草芽孢桿菌ATCC55033 發(fā)酵小米產(chǎn)物對軸索黃單胞菌的生物防治研究，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵產(chǎn)物可以作為植物系統(tǒng)抗性的誘導劑，觸發(fā)對軸突黃單胞菌感染的防御反應(yīng)。王翠梅等人[3]研究表明枯草芽孢桿菌可以通過分泌有益物質(zhì)誘導蔬菜植物自身的生理、生化防衛(wèi)系統(tǒng)來阻止外來病原菌的侵染，從而達到防治病害的目的。此外，枯草芽孢桿菌經(jīng)低能N+離子束注入后對小麥全蝕病菌的菌絲生長具有較好的抑制作用，而且能降低全蝕病的發(fā)病程度和促進麥苗的生長[4]。

（4）促進植物生長。枯草芽孢桿菌可將土壤中的無效磷轉(zhuǎn)化為能被作物吸收的有效磷，也可增加吲哚乙酸等生長素的形成，刺激作物根系發(fā)育，增強光合作用，從而促進種子、作物根系及植株生長，提高植物的抗病性，減少植物病害的發(fā)生。周游等人[17]通過田間試驗發(fā)現(xiàn)接種復(fù)合的枯草芽孢桿菌（BLG010）和綠色木霉（H06）能促進芹菜的生長，且芹菜CAT 和POD 活性、蘋果酸、甘露醇和蔗糖的含量在不同處理間呈現(xiàn)規(guī)律性的差異。

1.1.2 促進植物營養(yǎng)元素的吸收。含枯草芽孢桿菌活菌制劑在種植中的應(yīng)用不僅能夠增加土壤微生物數(shù)量，提高土壤微生物多樣性，同時也能促進植物對營養(yǎng)元素的吸收，增加農(nóng)作物產(chǎn)量。研究表明，枯草芽孢桿菌菌劑的使用能夠提高土壤中氮、磷、鉀元素的含量，且隨著施用劑量的增加而顯著提升，并可將土壤中的無效磷轉(zhuǎn)化為能被作物吸收的有效磷。此外，枯草芽孢桿菌對小麥種子的發(fā)芽率、株高和根系的發(fā)育均有一定的促進作用，顯著增加葉片中葉綠素含量和POD 酶活性[18]。也可促進黃瓜植株對N、K 的吸收，增加葉片N、K 的含量，降低Na 的含量[19]。李婧等人[20]采用盆栽試驗研究枯草芽孢桿菌發(fā)酵上清液沖施對玉米植株生長和養(yǎng)分吸收的影響表明，不同用量上清液沖施均能明顯地促進玉米生長，其中30 000 L/hm2沖施處理表現(xiàn)最好，與對照相比，可使玉米株高增加10.9%，莖粗增加10.0%，葉綠素SPAD 值增加29.2%，地上部干重增加27.4%，根系干重增加51.1%，玉米地上部氮，磷，鉀含量增加15.1%，25.1%，32.9%；根系氮，磷，鉀含量增加30.6%，38.4%和22.1%.。張祖銜等人[21]和武慧等人[22]在研究施加枯草芽孢桿菌和哈茨木霉對黃瓜幼苗生長的影響中發(fā)現(xiàn)，施加枯草芽孢桿菌與哈茨木霉混合菌液處理的黃瓜幼苗根系發(fā)達，生長旺盛，根長、根表面積、根體積、分支數(shù)、交叉數(shù)均有顯著增加，并能使黃瓜幼苗凈光合速率最大化，保持較高的水分利用效率和良好的生理狀態(tài)，促進植株進行光合作用。

1.1.3 提升作物產(chǎn)量和品質(zhì)。黃小琴等人[23]發(fā)現(xiàn)枯草芽孢桿菌不僅能夠提升春茶的品質(zhì)，還能促進茶樹抽梢，增加茶樹的枝芽量，提高春茶產(chǎn)量和品質(zhì)。李國敬等人[24]研究指出枯草芽孢桿菌可以促進油菜根、莖、葉的生長，明顯提升油菜的營養(yǎng)價值。于鯤鵬等人[25]研究指出枯草芽孢桿菌KD1 發(fā)酵代謝產(chǎn)物能提升香菇菌絲生長速度，改良子實體性狀，增加產(chǎn)量，豐富香菇中游離氨基酸含量和種類。黃亞麗等人[26]研究表明施用枯草芽孢桿菌菌劑可增加甜瓜的株高、莖粗、葉面積。此外，枯草芽孢桿菌能減少黃瓜畸形果率，提高黃瓜產(chǎn)量、維生素C、糖酸比、粗蛋白含量，降低果實中可溶性固形物含量[27-28]。

1.1.4 土壤改良?？莶菅挎邨U菌產(chǎn)生的多種活性物質(zhì)，可改變土壤微生物的結(jié)構(gòu)和多樣性，其分泌物可加速氮、磷與鉀的礦化與釋放，使土壤中脲酶、蛋白酶和蔗糖酶等的活性加強，分解殘留的農(nóng)藥，使氮、磷與鉀的礦化與釋放速度加快，從而增加土壤養(yǎng)分，在土壤鹽漬化、重金屬污染和有機物污染治理方面具有重要作用[29]。土壤鹽漬化是制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要問題。施加枯草芽孢桿菌可有效提高土壤含水量，降低土壤含鹽量及改善土壤的團粒結(jié)構(gòu)，有效提升土壤主要養(yǎng)分的含量，對細菌、真菌、放線菌種群數(shù)量有著良好的影響，促進農(nóng)作物生長[30-32]。侯亞玲等人[33]通過枯草芽孢桿菌對鹽堿土面蒸發(fā)及水鹽分布的影響研究發(fā)現(xiàn)，在鹽堿地中施用3 g/kg 的枯草芽孢桿菌菌劑，能夠有效地使鹽堿土壤抑鹽，明顯提高土壤的保水性能。楊璐[31]通過試驗發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫下施用枯草芽孢桿菌不僅能增加棉花各部分的氮素吸收量，還能對棉花植株生長有促進作用，株高、莖粗、葉面積指數(shù)隨菌肥施用量的增加均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。此外，枯草芽孢桿菌也可增強黃瓜植株的耐鹽性，提高黃瓜植株根系的活力，促進根系的生長，增加株高與葉面積，提高植株葉片SOD、POD 和CAT 保護酶的活性，降低葉片MDA 的含量[19]?？莶菅挎邨U菌作為土壤改良劑還可以改善土壤環(huán)境，減少附加污染。紀宏偉[34]研究表明枯草芽孢桿菌能夠鈍化土壤中的鎘等重金屬，從而修復(fù)土壤，改善農(nóng)作物的種植環(huán)境。李琪等人[35]研究表明枯草芽孢桿菌能夠阻隔早熟禾吸收鎘，增加土壤酶活性，降低土壤有效態(tài)鎘含量，并且將土壤中總鎘的去除率提高約49%；對于紫花苜蓿，枯草芽孢桿菌能夠促進紫花苜蓿吸收鎘，顯著提高生物量，增加土壤酶活性以及有效態(tài)鎘含量，并且將土壤中總鎘去除率提高約140%。劉晉秀[36]通過研究發(fā)現(xiàn)枯草芽孢桿菌QM3 菌液浸種可緩解Pb2+脅迫對種子萌發(fā)的抑制作用，使發(fā)芽率、發(fā)芽勢以及發(fā)芽指數(shù)分別提高68.57%、44.93%、51.32%，還能明顯提高Pb2+脅迫下小麥葉片光合作用，使葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量分別增加14.7%、57.24%、33.6%。

枯草芽孢桿菌的繁殖也會加速土壤養(yǎng)料的礦質(zhì)化，促進團粒結(jié)構(gòu)的形成，加速土壤有機質(zhì)分解成腐殖質(zhì)，分泌植酸酶，降解土壤中的植酸鹽，增加土壤疏松度，提高土壤保水、保肥能力。枯草芽孢桿菌對菲和苯并芘污染的土壤也有很好的修復(fù)作用。羅雪梅等人[37]的研究表明枯草芽孢桿菌不僅能修復(fù)、改善被菲和苯并芘污染的土壤，還能夠?qū)ζ溥M行降解與吸附。魏海燕等人[38]研究發(fā)現(xiàn)，枯草芽孢桿菌能夠刺激土壤的脲酶活性和呼吸強度增加，且施用量越大，刺激作用越強。張琳穎等[39]研究表明黑麥草和苜蓿草接種枯草芽孢桿菌可以有效修復(fù)菲污染土壤，且土壤中的菲可以通過自然揮發(fā)、微生物降解、植物根系降解、植物吸收累積等途徑得以去除。基于枯草芽孢桿菌對于土壤的優(yōu)化作用，目前已經(jīng)有大量含有枯草芽孢桿菌的有機肥投入土壤改良中。

1.2 枯草芽孢桿菌在畜禽養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用

當前，在我國大力倡導減抗、替抗的形勢之下，在抗病營養(yǎng)等多種交叉學科快速發(fā)展的驅(qū)動下，極大地促進了健康替抗產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用。市場上主流的替抗產(chǎn)品主要有酶制劑、酸化劑和微生物菌劑等?？莶菅挎邨U菌作為綠色養(yǎng)殖中重要的微生物添加劑之一，也是農(nóng)業(yè)農(nóng)村部最早批準使用的微生物菌種之一，在提高動物免疫力、促生長和改善圈舍養(yǎng)殖環(huán)境方面均具有較好的應(yīng)用價值。

1.2.1 改善動物抗病性?？莶菅挎邨U菌被動物腸道吸收后，能快速活化，消耗大量的游離氧，抑制需氧致病菌的生長，產(chǎn)生的活性物質(zhì)和多種抗生素物質(zhì)，能明顯抑制腸道內(nèi)致病菌的生長，改善腸道微生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)抗病作用[40-42]。楊曦等[43]指出枯草芽孢桿菌可以明顯增強雛雞的免疫功能，減少發(fā)病率。張雪、楊福劍等[44-45]在研究中發(fā)現(xiàn)飼料中添加枯草芽孢桿菌能顯著改善種雞的生產(chǎn)性能和回腸絨毛高度/隱窩深度，促進種雞生長，提高產(chǎn)蛋率和孵化率，降低死淘率。賀長青等[46]指出，飼料中添加枯草芽孢桿菌可在一定程度上改善肥育豬機體代謝，優(yōu)化腸道菌群，增強機體免疫功能。邢帥兵等[47]指出枯草芽孢桿菌可以改善斷奶仔豬小腸形態(tài)結(jié)構(gòu)，增加腸道內(nèi)有益菌的數(shù)量，提高小腸黏膜免疫功能，達到部分替代抗生素的作用。此外，在飼料中添加枯草芽孢桿菌可提高斷奶仔豬的生長速度，降低生豬料重比，改善腸道屏障功能，減少腹瀉率，有效地讓生豬增重[48-49]。

1.2.2 促進動物營養(yǎng)吸收?？莶菅挎邨U菌在生長過程中會代謝產(chǎn)生大量有機酸、維生素和部分氨基酸，能促進腸道微生態(tài)調(diào)控能力，提高動物機體對維生素的吸收和營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，產(chǎn)生的蛋白酶可與體內(nèi)的內(nèi)源酶共同作用，能促進腸道消化吸收，提高飼料利用率，實現(xiàn)促生長作用[50-51]。謝鵬等[52]、肖鳳平[53]指出枯草芽孢桿菌可以促進動物的小腸絨毛發(fā)育，增強腸道消化吸收營養(yǎng)物質(zhì)的能力，提高飼料利用率。同時可以降低大腸菌群數(shù)量和增加有益菌的數(shù)量，從而維持腸道健康。鄭超等[54]的研究結(jié)果表明，在飼料中添加枯草芽孢桿菌能緩解高溫對產(chǎn)蛋雞生產(chǎn)性能和蛋品質(zhì)造成的負面影響，并能有效延長雞蛋的存放時間，改善血清生化指標。周曉輝等[55]研究明確指出枯草芽孢桿菌能增強犢牛的抗病性，促進其生長發(fā)育，增加奶牛的產(chǎn)奶量。此外，在飼料中添加枯草芽孢桿菌和姜黃素，能維持奶牛激素穩(wěn)態(tài)，提高乳蛋白和非乳脂固體含量，降低體細胞數(shù)，改善牛奶品質(zhì)[56]。

1.2.3 改善養(yǎng)殖環(huán)境?？莶菅挎邨U菌的應(yīng)用還可以減少糞便中氮、磷、鈣的排泄量，降低了氨、生物胺、吲哚、硫化氫等有害氣體的產(chǎn)生，減少糞便臭味及有害氣體排放，實現(xiàn)改善養(yǎng)殖環(huán)境的目的[57]。陳繼發(fā)等[58]研究指出枯草芽孢桿菌能夠減少動物腸道中微生物發(fā)酵的底物，使排泄物中揮發(fā)性脂肪酸的成分發(fā)生改變，減少惡臭物質(zhì)排放，加快糞便分解。史慧玲等[59]研究發(fā)現(xiàn)，枯草芽孢桿菌等益生菌組合能有效提高保育豬的氮、磷和粗纖維的表觀消化率，減少糞便中氮和磷含量。Lan 等[60]研究發(fā)現(xiàn)，日糧中添加枯草芽孢桿菌能顯著增加斷奶仔豬糞便乳酸菌數(shù)量，降低大腸桿菌數(shù)量，減少NH3和H2S 排放量，改善豬舍養(yǎng)殖環(huán)境。

1.3 枯草芽孢桿菌在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用

枯草芽孢桿菌能夠有效降低水體中的硝酸鹽和亞硝酸鹽含量，維持水體pH 及溶氧量，豐富水中細菌群落，維持水體微生態(tài)的穩(wěn)定，提高魚蝦免疫力、抗病力和成活率，改善養(yǎng)殖環(huán)境。因此，在水產(chǎn)養(yǎng)殖中適量使用枯草芽孢桿菌已成為一種健康養(yǎng)殖方式[61-63]。王月霞等[64]在研究枯草芽孢桿菌對魚類養(yǎng)殖池塘的生態(tài)作用影響中提出，投放適量濃度的枯草芽孢桿菌能有效改善養(yǎng)殖水體狀況，對水質(zhì)起到進一步凈化作用。劉慧玲等[65]研究結(jié)果顯示，在養(yǎng)殖水體中投放適合濃度的枯草芽孢桿菌，能提高魚類機體免疫力和成活率。張書環(huán)等[66]用枯草芽孢桿菌投喂雜交鱘后發(fā)現(xiàn)，可顯著降低餌料系數(shù)，增強魚體對血糖和脂肪的利用和轉(zhuǎn)化能力，改善腸道的微生態(tài)環(huán)境。董春光[67]研究發(fā)現(xiàn)添加適當?shù)目莶菅挎邨U菌能夠有效改善刺參養(yǎng)殖水體水質(zhì)，提高機體消化酶和非特異性免疫酶活性，從而促進刺參生長。張雯等人[68]在研究枯草芽孢桿菌對冰鮮羅非魚腸道菌群的影響中發(fā)現(xiàn)，枯草芽孢桿菌對羅非魚的腸道菌群的變化具有阻遏作用，使菌群多樣性維持在一個相對穩(wěn)定的水平，可顯著延緩冰鮮魚的腐敗程度。羅燕兒等[69]研究發(fā)現(xiàn)在飼料中添加枯草芽孢桿菌可以增強草魚的抗氧化能力，緩解機體因嗜水氣單胞菌感染造成的肝臟損傷，調(diào)節(jié)肝臟脂質(zhì)代謝功能，減少脂質(zhì)在肝臟中的積累，并促進草魚的生長。此外，枯草芽孢桿菌能改善凡納濱對蝦幼體的養(yǎng)殖水質(zhì)，提高凡納濱對蝦幼體的抗病力，還能顯著提高斑點叉尾鮰魚的增重率及特定生長率[70-71]。

2 存在問題

2.1 普遍存在使用不規(guī)范、濫用現(xiàn)象

亟待研究確定不同種類動物和其不同的生長階段，使用枯草芽孢桿菌的最佳添加量；確定土壤改良中不同土壤類型、不同的土傳病害和不同耕作方式等如何使用枯草芽孢桿菌。尤其含枯草芽孢桿菌的化學物質(zhì)混合型產(chǎn)品、復(fù)合型微生物制劑的研發(fā)需要更多安全性的評估，避免抗性和誘導性突變的產(chǎn)生。

2.2 研究開發(fā)與生產(chǎn)使用脫節(jié)

枯草芽孢桿菌的研究成果較多，但大多數(shù)處于基礎(chǔ)研究階段，并未實際應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。在科技成果的轉(zhuǎn)化與應(yīng)用、產(chǎn)學研的良性發(fā)展方面存在欠缺。

2.3 生產(chǎn)工藝落后，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊

由于飼料生產(chǎn)準入門檻較低，導致大量生產(chǎn)規(guī)模小、管理不善、生產(chǎn)條件較差的企業(yè)混跡其中，造成市售飼用微生物制劑產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊。

2.4 含枯草芽孢桿菌的產(chǎn)品劑型單一

含枯草芽孢桿菌的產(chǎn)品多為液體制劑、粉劑和顆粒劑，而具有緩釋、控釋效果的劑型十分稀少。實際應(yīng)用中粉劑具有加工方便、成本低廉的特點，但是也會將微生物直接暴露于環(huán)境中，對于含量的穩(wěn)定性具有較大影響。應(yīng)開發(fā)新劑型，提高微生物菌劑產(chǎn)品的適用性。

2.5 技術(shù)支撐不足

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的枯草芽孢桿菌產(chǎn)品存在質(zhì)量標準不健全等問題，尤其是潛在的生物危害性因子的檢測仍未提上日程，各級監(jiān)管部門監(jiān)管力度有待加強，并提供技術(shù)支撐。

3 展望

枯草芽孢桿菌是自然界提供給人類的重要生物資源，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用已近半個世紀，其穩(wěn)定性和良好作用效果已經(jīng)得到了科研工作者的充分證實，應(yīng)科學合理地使用，將研究重點轉(zhuǎn)換到科學化、規(guī)范化、標準化使用上。隨著現(xiàn)代分子技術(shù)、蛋白基因組學和制劑學等多學科的發(fā)展，對枯草芽孢桿菌的研究將更加深入，同時也會獲得穩(wěn)定性更好、生物安全性更高的工業(yè)菌株應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。