纤维素分解功能菌及其在草业系统界面中的利用潜势

芦光新，陈秀蓉，杨成德，薛 莉，贾 辉，王 艳

(1.甘肃农业大学草业学院 草业生态系统教育部重点实验室 中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070；2.青海大学农牧学院草业科学系，青海 西宁 810016)

承受人口增长、能源短缺、环境劣变的巨大压力，世界各国不得不依然承担发展经济和保护环境的双重使命。随着能源危机和环境污染的不断加剧，生物质能源将逐渐成为全球主导性的、清洁的、可再生替代能源[1]。纤维素类物质是其中一类在自然界中分布最广、数量最大的可再生性生物质资源[2]，如何合理开发和利用生物质资源，依然是提升经济发展速度和改善环境品质等方面急需亟待解决的课题。

人们对农业生态系统中微生物功能群及其生态系统功能早有成熟的认识[3]，所谓的功能群是物质流中具有特定生物学功能的微生物集合体[4]。在草地农业生态系统中，纤维素分解功能菌是其中的一大类重要功能群资源。从不同层面上认识纤维素分解功能菌资源及其生态服务功能，必将对草地农业生态系统产生重大而深远的意义。

系统学和自组织发生理论为草地发生学和草业科学的发生、发展具有重要的指导意义[5]，草业系统界面的研究为草业科学建立了新的方法论，为草业生产打开了系统耦合的广阔前景[6]。以草业系统界面论为理论依据，从界面的层次认识纤维素分解功能菌资源在草业系统中的利用潜势，对于理解草地农业生态系统的可持续发展的议题具有积极的意义。

1 草业系统的3个界面

2007年，任继周先生提出了草业科学的3个界面,即草丛-地境界面(A)、草地-动物界面(B) 和草畜-经营管理界面(C),将草业4个生产层(前植物生产层、植物生产层、动物生产层、后生物生产层)连缀而成完整的草业系统[6]。草业系统的界面论促进了草地系统论的延伸和发展，进一步完善了草业科学的理论。

2 纤维素分解功能菌资源

2.1纤维素分解功能菌的物种资源 细菌、真菌和放线菌都具有纤维素分解能力[7],但研究报道主要集中于真菌及部分细菌[8]。真菌被认为是对纤维素分解能力较强的微生物资源[9]，到目前为止，报道具有纤维素降解能力的真菌主要有以下一些菌:曲霉(Aspergillus)、青霉(Penicillium)、葡萄状穗霉(Stachybotrys)、毛壳霉(Chaetomium)、木霉(Trichoderma)、葡萄孢霉(Botrytis)、褐腐菌(brown rot fungi)等[10]。通过不断努力，国内外学者[11-16]已经从土壤、温泉、油井、堆肥、朽木、反刍动物体内、农作物秸秆、动物肠道、城市垃圾等不同环境中做了大量的纤维素分解菌的分离和筛选工作，并且分离筛选到了种类比较多的分解纤维素的菌株，从特殊生境及地域性方面，极大地丰富了纤维素分解功能菌物种资源。

2.2微生物分泌纤维素酶资源 土壤微生物是维持生态系统平衡重要的组成部分[17]，在自然界营养元素的生物地球化学循环中扮演着重要的角色[18]。研究证实，纤维素分解菌是自然物质循环不可缺少的成员，担负着分解动植物残体的重要作用，尤其是分泌一些纤维素分解酶类物质[19]，在生态系统碳素循环中发挥着重要作用[20]。

纤维素酶是一组能够降解纤维素生成葡萄糖的酶的总称，一般一个纤维素酶中有十几到几十个组分，这些组分可分为3类[21]：葡聚糖内切酶(endoglucanases,EG)，能在纤维素分子的内部任意断裂β-1,4-糖苷键；葡聚糖外切酶或纤维二糖水解酶(exoglucanses or cellobiohydrolases，CBH)，能从纤维素分子的非还原端依次裂解β-1,4-糖苷键，释放出纤维二糖分子；β-葡萄糖苷酶(β-glucosidases，BG)，能将纤维二糖及其他低分子纤维糊精分解为葡萄糖。在纤维素酶水解纤维素的过程中，目前普遍认为是纤维素酶3种组分协同作用的结果[22]。

纤维素酶广泛存在于自然界的生物体中，细菌、真菌、动物体内等都能产生纤维素酶[23]。一般用于生产的纤维素酶来自于真菌，比较典型的有木霉属、曲霉属和青霉属。木霉属真菌及其近缘菌株是目前公认的较好的纤维素酶生产菌[24]。不同微生物合成的纤维素酶在组成上有显著的差异，同种微生物一般也不会只合成一种纤维素酶组分。纤维素酶在类型、性质、数量以及品质等各方面均呈现出诱人的前景，随着人们对微生物酶认识的不断深入，自然界中越来越多的纤维素酶会被合理地开发和利用。

2.3纤维素酶基因资源 20世纪70年代末就开始了纤维素酶基因的克隆[25]。现已从80多种细菌和数种真菌中克隆到了80 余个纤维素酶基因并被测序，并且几乎所有已克隆的纤维素酶基因都已在大肠杆菌(Escherichiacoli)中表达[26]。研究发现，丝状真菌木霉属真菌的纤维素分解酶系较全，并且产生的量大。因此，近十几年来对真菌木霉属纤维素酶基因做了大量的研究，并测定了这些基因的核苷酸序列。研究报道，仅仅从瑞氏木霉(T.reesei)中就克隆出了8个纤维素酶基因，包括编码纤维二糖水解酶的cbh1、cbh2和编码内切葡聚糖酶的egl1、egl2、egl3、egl4和egl5[27]，以及编码β-葡萄糖苷酶的bgl4 和它的类似物bgl2(两者有73.1%的同源性)[28]。可以看出，纤维素酶基因资源非常丰富。

研究表明，目前土壤中仅有0.1%～1.0%的微生物已培养，还有相当多的微生物因为无法培养而未被人类所认识[29],这暗示其中蕴含着大量未知的遗传信息，它们所包含的大量的遗传信息是一笔无法估计的财富。随着微生物群落基因组学和相关的分子生物学手段的逐渐展开，相信大量的功能基因会被发掘。克隆纤维素酶基因有利于研究纤维素酶基因的多样性，也有利于高效纤维素酶基因工程菌的构建。从未培养的微生物中克隆新的纤维素分解酶基因，获取功能更强、结构更新的基因及基因家族，将会成为一大研究热点领域。

3 纤维素分解功能菌在草业系统界面中的利用潜势分析

纤维素分解功能菌是草地生态系统中的分解者，在生态系统物质循环、能量流动、信息传递中发挥着重要作用。来自于草地生态系统的纤维素分解功能菌，在系统及系统外延形成的不同界面中，同样具有它固有的属性和功能，并且同样会发挥它的价值，甚至比外来元素的贡献力大，这符合逻辑和辩证关系、生态学的规律。因此，具有纤维素分解功能的微生物自身的强大功能将会在草业系统界面中发挥它的巨大潜力。

3.1草丛-地境界面(A)和土壤有机质分解、资源循环利用及环境保护 草丛-地境界面是草业系统中最基本的界面，反映草地发生学机理，如草地土壤结构、营养元素、水盐动态、土壤微生物等组分的结构、功能；它们与植物互作及反馈机制；草地系统中碳素循环的源与汇的动态等[6]。认识和了解纤维素分解功能微生物与草丛-地境界面的相互关系，至少对促进纤维素分解功能微生物在草地生态系统中土壤有机质的分解、转化和实现人类居住环境中生活垃圾的清洁两方面具有积极意义。

草原土壤中有机质积累的主要原因是冷季长，气温低，微生物处于休眠或半休眠状态，分解有机质能力弱[30]。研究表明, 纤维素分子的连接键在25 ℃下半衰期是5～8 百万年[31],Hankin和Anagnostakis[32]认为有机质在自然状态下极难分解。对于地处青藏高原的高寒草地生态系统可能已经储存了上千年的有机碳的分解过程，日益成为各国科学家研究的热点。因此，有学者提出了筛选分解有机质能力强的偏低温型有益纤维分解菌，制成菌剂施入草原土壤中，促进有机质分解的科研思路[30]。因此，纤维素分解功能菌资源研究和开发工作任重而道远，尚需进一步加强。

有些区域性的草地农业生态系统(如青藏高原高寒草地生态系统)主要以自然农业生态为主导，是世界环境组织公认的“环境污染最轻的区域”。近年来，随着生态移民、定居工程、易地扶贫搬迁等项目的实施，原来的分散居住方式转变为聚集居住方式，日常生活产生的城市垃圾及生活废弃物变成了居住环境中的主要污染物之一，由此带来的环境污染和人类聚居状况恶化等问题，已成为人们共同关注的问题。到目前为止，依靠自然界广泛分布的微生物的作用，采用生物处理技术进行生活垃圾处理的研究已经起步[33-34]。具有对垃圾降解能力的大部分微生物可以分解纤维素。因此，纤维素分解菌资源在人居环境生活垃圾的处理方面具有一定的应用和发展潜力。

另外，畜禽粪便的处理问题长期困扰着养殖业的发展[35-37]，畜禽粪便需长期堆积才能腐烂，造成大量病原菌、病虫害繁殖传播,尤其是人畜共患病由蚊子、苍蝇等生物的传播严重危害人类健康，同时还会造成大量碳素营养流失于“土壤-植物”系统之外。利用纤维素分解菌资源，如何将富含木质纤维素类有机废弃物无害化、资源化处理是实现环境保护和资源循环利用的重要课题。

3.2草地-动物界面(B)和系统相悖孕育缓解草畜矛盾的潜势 草原是以土-草-畜为主体构成的一个相对独立的生态系统，土、草、畜3个子系统之间相互独立，相互统一，维持整个草地农业生态系统的有机协调发展。

草地农业生态系统中客观存在子系统相悖理论分析了在草地子系统和动物子系统间固有的系统性的不协调因素群[38]。任继周等[6]认为，草地子系统和动物子系统的相悖集中体现在3个方面：时间性系统相悖、空间性系统相悖和种间性系统相悖[6]。正是因为系统间的相悖，草畜矛盾日益尖锐成为了一个阻碍草业系统可持续发展的最实际、最根本的问题。近年来实施的“休牧、禁牧、草畜平衡”等制度的执行，极大地拉动了饲草料的需求量；在牧区，牲畜承包到户之后，牲畜数量猛增，草地退化面积大幅度的增长，打破了土-草-畜三位一体的生态平衡。究其原因，家畜对牧草的需求越来越迫切，但草地的供给能力不断下降, 仍然存在一个潜在的问题，就是对牧草的开发利用的力度不够。万里强等[39]认为，系统相悖既是系统耦合的障碍，也是有待克服、解放系统耦合生产潜力的关键。系统相悖导致系统耦合的不完善运行，但任何形式的系统相悖都有可能同时孕育生产潜势和机遇。我国草原资源丰富，牧草种类繁多，但有些根茎植物资源，如芨芨草(Achnatherumsplendens)，其小茎和叶可以作为牲畜草料，具有一定的饲用价值[40-41]，但成熟后适口性较差，需要加工调制才能作为饲草饲料。有研究报道通过化学处理方法可以提高芨芨草的饲用价值[42-44]，但没有采用微生物技术处理的相关研究。因此，利用具有对天然纤维素强分解能力的微生物资源，对纤维素含量高而不宜家畜采食的牧草进行加工和处理，对缓解草畜矛盾具有积极的意义。

3.3草畜-经营管理界面(C)和家畜-作物系统深度耦合及可持续发展 草地农业的发展经历了原始游牧、传统农业和现代农业3个主要发展阶段。随着可持续发展思想的提出，草地农业可持续发展已成为国内外共同关注的问题。在草业生产经营过程中，通过人类的生产经营活动，在草地生态系统与社会系统(人类活动) 之间架起经常畅通的桥梁，通过资源-技术加工-经营管理-市场调控-市场分配一系列渠道，进行宏观调控和产业化经营，追求更高的能量转化效率、效益与环境效应。这是现代草业科学可持续发展的集中体现，也是草畜-经营管理界面(C)的主要内涵[45]。

在草地农业生态系统的家畜-作物系统耦合过程中，家畜急需牧草或饲料作物，而浪费农作物秸秆，两个子系统间实际存在的矛盾很难统一。这种生产模式自然而然成为阻碍草业经济发展的重要因素，也是草地生产系统封闭性与以系统耦合为特征的开放性之间存在尖锐矛盾的外在表现。这就是人类农业生产长期以来以利用动植物资源为主,而在微生物资源利用方面未能得到大力发展的结果。统计资料显示[46]，我国每年产生的秸秆总量约7亿t，目前已有的利用途径有：秸秆还田(约占20%)，能源(沼气、发电、固体燃料棒，占15%～20%)，建筑材料、造纸原料和各种添加剂等(约占15%)。尚有占总量一半的秸秆未找到出路，政府部门也希望通过非传统的农业方法来解决家畜养殖中的饲料来源问题，缓冲和解决草畜矛盾的根本问题。

到目前为止，农作物秸秆的各种处理和利用技术在成熟性和经济性方面尚有差距，相当一部分被焚烧或废弃，但难以被大量利用，由此形成的资源浪费和环境污染问题已经相当严重[47]。油菜(Brassicacampestris)秸秆属于一种丰富的农业副产资源，已有的研究发现，油菜秸秆是高蛋白、高脂肪的优质粗饲料。油菜秸秆粗脂肪、粗蛋白的含量总和明显高于小麦(Triticumaestivum)秸、玉米(Zeamays)秸和豆(Viciafaba)秸，应具有较高的草食及杂食动物饲用价值[48]。关于油菜秸秆的饲料利用方面的研究报道较多，宋新南等[49]对油菜秸秆资源化利用技术进行了综述研究，认为油菜秸秆作为饲料利用具有较大的动物营养价值和经济价值，但由于油菜秸秆化学成分、物理性状和动物适口性方面的局限性，以及油菜秸秆各部分的性质差异很大，并不能够简单、全部、直接地利用。因此，在草地和农业生态系统耦合过程中，利用纤维素功能菌资源，采用相应的微生物技术，尽快研发大规模、工业化和经济合理的农作物秸秆资源化技术是亟待人们急需解决的一项重要课题。

4 纤维素分解功能菌在草业系统中的几个研究方向

尽管前人对纤维素分解菌资源做了大量的研究，但是鉴于微生物的物种多样性和不同环境中的空间分布的差异，还有许多纤维素分解功能微生物资源有待于人们去研究和开发，以便更好地利用自然赐予人们的资源。界面的理论孕育了现代草业科学的生长点[6]，拓宽了视角，为进一步认识纤维素分解功能菌在草业系统界面中的利用价值和潜力，提供了有力的理论依据。因此，为促进草地农业生态系统资源与环境的可持续发展，可以继续开展如下几个方面的研究：1)进一步研究草地农业生态系统中纤维素分解菌群落结构特征和优良菌株的筛选，进而探索微生物多样性与生态系统服务功能之间的关系。另外，纤维素分解菌资源在碳素循环中和实现环境保护及资源循环利用中意义重大。2)应用一系列相应的微生物生物处理技术，对纤维素含量较高不宜家畜采食的牧草进行微生物生物发酵处理，提高营养价值，缓解草地的载畜压力，恢复和保护草地生态环境。3)利用高产纤维素酶活性的微生物种类，进行秸秆的处理和资源化利用，深度开发和合理利用当地饲料资源，普及资源高效转化和循环利用技术体系，通过非传统的农业方法来解决家畜养殖中的饲料来源问题。

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