短小芽胞杆菌的益生作用及其生物降解功能

向 军， 余金凤， 周 魏， 丁功涛， 马忠仁， 田晓静, ， 高丹丹, ， 周雪雁, *

(1. 西北民族大学 生命科学与工程学院，甘肃 兰州 730124；2. 西北民族大学 生物医学研究中心，甘肃 兰州 730030)

短小芽胞杆菌(Bacilluspumilus)营养细胞呈杆状，单个或链状排列，革兰染色阳性[1]。好氧或兼性厌氧生长，亚硝酸盐还原和吲哚反应呈阴性，麦芽糖、木糖和甘露醇等13种生化指标呈阳性[2]。短小芽胞杆菌的全基因组大小为3 665 590 bp，编码序列为3 614 bp，G+C含量为41.2%，结合其形态特征与生化特性，短小芽胞杆菌属于硅藻科芽胞杆菌属。到目前为止提交到NCBI获得GenBank登记的菌株有40 960株[3]。应用全基因组系统发育分析方法，对短小芽胞杆菌和其他芽胞杆菌基因组进行系统发育分析，利用软件MEGA 7.0构建以全基因组序列为基础的Neighbor-Joining 系统进化树(图1)，显示与地衣芽胞杆菌(Bacilluslicheniformis)同源性为95.83%，与枯草芽胞杆菌(Bacillussubtilis)同源性为96.94%，与解淀粉芽胞杆菌(Bacillusamyloliquefaciens)同源性为95.66%，与耐盐芽胞杆菌(Bacillushalotolerans)同源性为96.87%。短小芽胞杆菌大多存在于土壤或定殖在某些植物的根部，其耐受性强，能够抑制土壤传播的真菌疾病和线虫[4]。短小芽胞杆菌能够分泌活性很强的几丁质酶[5]、脂肪酶[6]、碱性丝氨酸角化酶[7]、木聚糖酶[8]等代谢产物，有利于大分子物质的降解。此外，还可以产生拮抗性物质抗菌素、抗菌蛋白[9]、单酰基二葡萄糖基甘油脂[10]等，能够对多种病原菌产生抑制作用。短小芽胞杆菌对动植物的益生作用和在生物降解等方面具有广阔的应用前景，为更好地挖掘短小芽胞杆菌的生物降解功能和对动植物的益生作用及其在其他方面的应用，以期发现新型活性代谢产物。本文通过对短小芽胞杆菌生物学功能及其代谢产物的应用研究进行综述，进一步研究其抗菌、抗病毒、促进植物生长和生物降解等生物学功能，为该菌在各领域广泛应用提供参考。

图1 基于全基因序列建立的Bacillus pumilus系统进化树Fig.1 Phylogenetic tree of Bacillus pumilus based on genomic sequence

1 益生作用

1.1 对植物益生作用

短小芽胞杆菌主要通过竞争作用[11]、拮抗作用[12]、寄生或溶菌作用[13]、诱导抗性[14]和促进植物生长[15]五个方面，对土壤中病原菌进行微生物防治。植物各组织器官及其赖以生存的根际土壤中定殖多种具有生防能力的细菌、真菌、放线菌、病毒等[16]，利用有益的微生物和微生物代谢产物来防治作物病害是一项重要的技术和方法[17]。短小芽胞杆菌作用于不同植物的根、茎、叶，对植物病原有很强的抗菌和抗真菌活性，具有维持微观生态平衡，促进植物生长的作用(表1)。将短小芽胞杆菌菌液喷洒在烟叶上，在45 ℃、60%温湿度条件下发酵21 d，烟叶中总糖、还原糖和钾含量增加，纤维素、蛋白质、总氮和烟碱含量降低，烟叶品质得到改善[18]。

表1 短小芽胞杆菌对植物益生作用效果及作用机制

1.2 对动物益生作用

短小芽胞杆菌具有促进机体消化与吸收、调节动物肠道微生态平衡、增强动物免疫功能、提高动物生产性能等益生作用[26]，是一种新型的微生态制剂。在患白化病大鼠的饲料中添加8%～9%的短小芽胞杆菌菌悬液，喂养28 d后测定粪便中大肠埃希菌和乳酸杆菌的数量，大肠埃希菌数量明显降低，大鼠肠道菌群中乳酸菌群的数量增加，发现短小芽胞杆菌有机体与大鼠肠道中的乳酸菌可以协同作用[27]。从短小芽胞杆菌的浓缩发酵液中分离出3种具有抗菌活性的化合物，对金黄色葡萄球菌、黄体微球菌、多杀性巴氏杆菌、猪沙门氏菌、鸡大肠埃希菌等均有较强地抑制作用[28]。短小芽胞杆菌的抗菌活性、提高动物免疫、促进动物生长等特性，能够改善动物肠道的感染程度，抑制微生物的生长和调控肠道菌群的稳定(表2)。

表2 短小芽胞杆菌对动物机体的益生作用

2 生物降解功能

短小芽胞杆菌能够产生多种酶，其中活性较强的有十几种。木聚糖酶和碱性蛋白酶分泌最多，碱性纤维素酶、耐热角蛋白酶、果胶裂解酶、脂肪酶、脱氢酶、氧化脱羧酶、胰蛋白酶等分泌较少[34]，而短小芽胞杆菌的生物降解功能主要是利用其代谢产物对大分子物质进行降解。因此，可根据短小芽胞杆菌的代谢产物对碳水化合物、蛋白质、脂类和其他类物质废弃物的降解进行分类研究，将工业废弃物、动植物废弃物以及皮革产品最大程度地降解利用，并挖掘短小芽胞杆菌作为微生物制剂应用于生物降解及其他方面的潜在价值。

2.1 对碳水化合物的降解

碳源是短小芽胞杆菌生长所必需的营养物质，能够为短小芽胞杆菌代谢产物合成提供碳骨架和细胞生命活动所需的能量[35]。植物中含有大量的含碳化合物，短小芽胞杆菌可以利用植物中的碳元素以及对其他物质的吸收合成代谢产物降解植物源性废弃物。木聚糖酶是短小芽胞杆菌分泌最多的一种酶，其产酶量高达18 249.82 U/mL，木聚糖酶由内切木聚糖酶和外切木聚糖酶组成，这两种酶可将木聚糖降解成低聚糖和还原糖木糖，从而破坏植物细胞壁结构，使植物中的养分释放出来，并在纤维素酶的协同作用下，达到降解植物的效果[36]。利用短小芽胞杆菌GBSW19发酵液以每公顷450 L(108cfu/g)喷撒在田间的小麦秸秆上，32 d后降解效率达到68.6%，后期作物生长株高并且根长，增加了作物的产量[37]。短小芽胞杆菌对水稻秸秆、稻草、玉米秸秆、麦麸等有降解作用，能够提高碳水化合物的降解效率，可以对碳水化合物类的废弃物进行降解并再次利用(表3)。

表3 短小芽胞杆菌对碳水化合物的降解应用

2.2 对蛋白质的降解

短小芽胞杆菌主要降解动物源性蛋白质，如动物的羽毛、角、血液等。其原理是短小芽胞杆菌代谢所产生的角蛋白酶(酶活力为1 270 U/mL)和血红蛋白酶(酶活力为22.84 U/mL)[36]，能够催化和抑制一些蛋白，使蛋白质失活酶解，以达到生物降解的效果[42]。短小芽胞杆菌LZ013-2菌株发酵上清液中具有降解活性的蛋白酶，能够高效降解大豆胰蛋白酶抑制剂的活性, 2 h可将胰蛋白酶抑制剂抑制率降低73.6%[43]。短小芽胞杆菌产生的代谢产物酶对家畜废弃物具有高效的生物降解作用，能够减少动物废弃物对环境的污染，改善养殖生态环境，使蛋白质降解转化得到再次利用(表4)。因此，可以动物的血液、毛、蹄等为原料，利用生物降解技术生产氨基酸液体肥料，这一技术亟待进一步研究和开发利用[44]。

表4 短小芽胞杆菌的酶类代谢产物对蛋白质的生物降解功能

2.3 对脂类物质的降解

通过驯化短小芽胞杆菌筛选的功能性菌株所产生的碱性蛋白酶和脂肪酶的酶活力分别为383 U/mL和1.5 U/mL。碱性蛋白酶先将蛋白质分解成可溶性的肽键，再分解成氨基酸，使蛋白质大部分水解[51]。而脂肪酶能够吸收和降解油污类固体物，乳化油污中的成分，同时代谢出脂类表面活性剂，有效促进脂类物质的降解[52]。作为处理高油脂餐饮污水的微生物制剂，短小芽胞杆菌能够有效去除餐饮污水中的油脂，应用于工业中生产微生物除污剂，具有较好的应用前景。产脂肪酶的短小芽胞杆菌对废水中棕榈油降解3 h后，降解率达到96%[53]。因此，短小芽胞杆菌可以替代一些传统的清洁剂，不仅避免对环境造成污染，而且投入成本低，具有很好的开发利用前景。

2.4 对其他物质的降解

微生物可以修复污染的土壤，降解工业废水中大分子有机化合物，降低真菌代谢产物的毒性，减少废弃物对环境的污染[54]。短小芽胞杆菌的代谢产物脱氢酶、脱羧酶、氧化酶等能够高效分解碳系污染物[55-56]，通过对其物质结构进行酶解，达到降解的目的；对石油[57]、有机化合物[58]、真菌代谢产物[59]等多种物质具有降解作用。采用多因素分析方法对石油油污、多菌灵、硝基苯、双酚、黄曲霉毒素等物质进行降解试验，在最适降解条件下对石油油污、有机化合物等其他类物质高效降解情况见表5。

表5 短小芽胞杆菌对其他物质的生物降解

3 展 望

短小芽胞杆菌的生物降解功能及其代谢产物的应用引起了各界的广泛关注。目前，对短小芽胞杆菌的研究已经取得了一些成果，但是在实际应用中仍然存在一些问题：①筛选出的拮抗菌株容易受到外界因素和植物微观生态平衡等多种因素的影响，难以发挥稳定有效的防治效果；②当短小芽胞杆菌的代谢产物应用于生物防治时，其发酵产量低且生产性能不稳定；③需要开发具有较强蛋白酶活性的短小芽胞杆菌，其生物降解以及对动植物的益生作用还有待进一步研究。根据目前存在的问题，可以通过优化配方提高活菌制剂的稳定性，根据地区和不同生物利用程度开发特殊的微生物制剂，以提高防治效果和稳定性；利用基因突变育种或基因工程育种优化菌株，以提高有效代谢物的产量，并促进代谢物在生物防治和医学中的应用；结合传统方法和现代生物技术，基于其杀虫抗菌特性，开发转基因抗虫、抗病作物；继续筛选高效稳定的新生物活性产品，促进短小芽胞杆菌的代谢产物在各个领域的应用。