枯草芽孢杆菌在现代农业中的应用

邱月

（辽宁省检验检测认证中心，辽宁 沈阳 110016）

枯草芽孢杆菌广泛存在于自然环境中，是一类种类繁多、分布广泛、生长速度快、易繁殖的益生菌[1]。枯草芽孢杆菌发酵可产生多种酶，如蛋白酶、淀粉酶等，其在生长过程中能分泌活性物质，如枯草菌素、制霉菌素等，可有效抑制多种致病菌，而其芽孢体具有耐酸、耐盐、耐高温、耐挤压等特点[2]，具有较高的稳定性。

枯草芽孢杆菌的作用到20 世纪末逐渐被人们广泛认识，并在种植业、畜禽养殖业和土壤改良方面得到广泛应用。2015年农业农村部提出了“一控两减三基本”目标，2019年农业农村部提出标志促生长类药物（除中药）饲料添加剂退出了中国饲料历史舞台，也为“减抗/替抗”提出了新的挑战。该文将梳理和分析近年来枯草芽孢杆菌在农业各领域的相关研究，以期阐明枯草芽孢杆菌在未来农业领域的应用前景和研究热点。

1 应用现状

1.1 枯草芽孢杆菌在种植业中的应用

化学防治是植物保护中最廉价、最有效的防控方法，然而由于长期、大量化学农药的使用，也产生了一系列的负面作用，如病原菌的抗性增加、农产品化学残留及环境污染严重等问题，不仅严重制约了现代农业的可持续发展，还严重威胁着人类的健康[3]。随着人们对农产品安全意识和期待的不断增强，绿色、有机农产品已被消费者广泛认知与接受，其需求量逐年增加，进而促进了高效、无残留、无污染的生物农药、生物肥料、土壤改良剂等产品的快速发展。

1.1.1 防治植物病虫害。枯草芽孢杆菌的杀菌机理与传统杀菌剂不同，其菌体本身对病原菌并没有杀伤作用，而是通过分泌的有益物质诱导植物自身的生理、生化防卫反应来阻止外来病原菌的侵染，达到防治病害的目的[3]。研究表明，枯草芽孢杆菌可以很好地防治水稻、小麦、茶树、马铃薯、油菜、棉花、甘蔗等作物的病害，减少植株的病死率[4-6]。该菌对植物病虫害防治的作用机理主要有4 种作用方式。

（1）竞争作用。枯草芽孢杆菌可以在植物根际、体表或体内及土壤中快速、大量繁衍和定殖，有效地排斥、阻止和干扰植物病原微生物在植物上的定殖与侵染，从而达到抑菌和防病的效果[7]。韩长志[8]等对钩状木霉与枯草芽孢杆菌在核桃根际土壤中定殖的研究表明，2 种菌在核桃根际土壤中定殖良好。李健等人[9]对枯草芽孢杆菌L1-21在柑橘上的定殖能力及其防治绿霉病效果开展了研究，结果表明，枯草芽孢杆菌L1-21 能高效定殖于柑橘叶片及果实内，可以利用该菌株防治柑橘病害。杨可欣等人[10]研究证实枯草芽孢杆菌对盆栽大豆土壤酶系和微生物区系具有明显的影响作用，使用枯草芽孢杆菌后土壤中细菌数量增加8.5%~72.5%，真菌数量抑制率最高达37.2%。

（2）拮抗作用。枯草芽孢杆菌可以通过核糖体和非核糖体的合成途径产生细菌素、酶类、蛋白类抑菌物质和抗生素等，从而产生抗菌物质来抑制有害病原物的生长。祖雪等人[11]筛选的枯草芽孢杆菌K-268 对稻瘟病菌菌丝生长抑制率达86.30%±0.70%，同时对供试的水稻纹枯病菌、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。郑小亮等人[12]的研究发现，枯草芽孢杆菌分泌的抗菌蛋白能够降低小麦赤霉病的发病率。喷洒枯草芽孢杆菌还可以控制水稻纹枯病发生[13-14]，对苹果树腐烂病菌菌丝生长也具有明显的抑制和破坏作用[15]。

（3）诱导植物产生抗性。枯草芽孢杆菌在生长过程中能够产生枯草菌素、多粘菌素、制霉菌素等活性物质，可直接抑制植物病原菌，而且能通过诱发植物自身的抗病潜能从而增强植物的抗病性[7]。Benitez S 等人[16]开展了枯草芽孢杆菌ATCC55033 发酵小米产物对轴索黄单胞菌的生物防治研究，发现发酵产物可以作为植物系统抗性的诱导剂，触发对轴突黄单胞菌感染的防御反应。王翠梅等人[3]研究表明枯草芽孢杆菌可以通过分泌有益物质诱导蔬菜植物自身的生理、生化防卫系统来阻止外来病原菌的侵染，从而达到防治病害的目的。此外，枯草芽孢杆菌经低能N+离子束注入后对小麦全蚀病菌的菌丝生长具有较好的抑制作用，而且能降低全蚀病的发病程度和促进麦苗的生长[4]。

（4）促进植物生长。枯草芽孢杆菌可将土壤中的无效磷转化为能被作物吸收的有效磷，也可增加吲哚乙酸等生长素的形成，刺激作物根系发育，增强光合作用，从而促进种子、作物根系及植株生长，提高植物的抗病性，减少植物病害的发生。周游等人[17]通过田间试验发现接种复合的枯草芽孢杆菌（BLG010）和绿色木霉（H06）能促进芹菜的生长，且芹菜CAT 和POD 活性、苹果酸、甘露醇和蔗糖的含量在不同处理间呈现规律性的差异。

1.1.2 促进植物营养元素的吸收。含枯草芽孢杆菌活菌制剂在种植中的应用不仅能够增加土壤微生物数量，提高土壤微生物多样性，同时也能促进植物对营养元素的吸收，增加农作物产量。研究表明，枯草芽孢杆菌菌剂的使用能够提高土壤中氮、磷、钾元素的含量，且随着施用剂量的增加而显著提升，并可将土壤中的无效磷转化为能被作物吸收的有效磷。此外，枯草芽孢杆菌对小麦种子的发芽率、株高和根系的发育均有一定的促进作用，显著增加叶片中叶绿素含量和POD 酶活性[18]。也可促进黄瓜植株对N、K 的吸收，增加叶片N、K 的含量，降低Na 的含量[19]。李婧等人[20]采用盆栽试验研究枯草芽孢杆菌发酵上清液冲施对玉米植株生长和养分吸收的影响表明，不同用量上清液冲施均能明显地促进玉米生长，其中30 000 L/hm2冲施处理表现最好，与对照相比，可使玉米株高增加10.9%，茎粗增加10.0%，叶绿素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，钾含量增加15.1%，25.1%，32.9%；根系氮，磷，钾含量增加30.6%，38.4%和22.1%.。张祖衔等人[21]和武慧等人[22]在研究施加枯草芽孢杆菌和哈茨木霉对黄瓜幼苗生长的影响中发现，施加枯草芽孢杆菌与哈茨木霉混合菌液处理的黄瓜幼苗根系发达，生长旺盛，根长、根表面积、根体积、分支数、交叉数均有显著增加，并能使黄瓜幼苗净光合速率最大化，保持较高的水分利用效率和良好的生理状态，促进植株进行光合作用。

1.1.3 提升作物产量和品质。黄小琴等人[23]发现枯草芽孢杆菌不仅能够提升春茶的品质，还能促进茶树抽梢，增加茶树的枝芽量，提高春茶产量和品质。李国敬等人[24]研究指出枯草芽孢杆菌可以促进油菜根、茎、叶的生长，明显提升油菜的营养价值。于鲲鹏等人[25]研究指出枯草芽孢杆菌KD1 发酵代谢产物能提升香菇菌丝生长速度，改良子实体性状，增加产量，丰富香菇中游离氨基酸含量和种类。黄亚丽等人[26]研究表明施用枯草芽孢杆菌菌剂可增加甜瓜的株高、茎粗、叶面积。此外，枯草芽孢杆菌能减少黄瓜畸形果率，提高黄瓜产量、维生素C、糖酸比、粗蛋白含量，降低果实中可溶性固形物含量[27-28]。

1.1.4 土壤改良。枯草芽孢杆菌产生的多种活性物质，可改变土壤微生物的结构和多样性，其分泌物可加速氮、磷与钾的矿化与释放，使土壤中脲酶、蛋白酶和蔗糖酶等的活性加强，分解残留的农药，使氮、磷与钾的矿化与释放速度加快，从而增加土壤养分，在土壤盐渍化、重金属污染和有机物污染治理方面具有重要作用[29]。土壤盐渍化是制约农业可持续发展的主要问题。施加枯草芽孢杆菌可有效提高土壤含水量，降低土壤含盐量及改善土壤的团粒结构，有效提升土壤主要养分的含量，对细菌、真菌、放线菌种群数量有着良好的影响，促进农作物生长[30-32]。侯亚玲等人[33]通过枯草芽孢杆菌对盐碱土面蒸发及水盐分布的影响研究发现，在盐碱地中施用3 g/kg 的枯草芽孢杆菌菌剂，能够有效地使盐碱土壤抑盐，明显提高土壤的保水性能。杨璐[31]通过试验发现，盐胁迫下施用枯草芽孢杆菌不仅能增加棉花各部分的氮素吸收量，还能对棉花植株生长有促进作用，株高、茎粗、叶面积指数随菌肥施用量的增加均呈现先增加后降低的趋势。此外，枯草芽孢杆菌也可增强黄瓜植株的耐盐性，提高黄瓜植株根系的活力，促进根系的生长，增加株高与叶面积，提高植株叶片SOD、POD 和CAT 保护酶的活性，降低叶片MDA 的含量[19]。枯草芽孢杆菌作为土壤改良剂还可以改善土壤环境，减少附加污染。纪宏伟[34]研究表明枯草芽孢杆菌能够钝化土壤中的镉等重金属，从而修复土壤，改善农作物的种植环境。李琪等人[35]研究表明枯草芽孢杆菌能够阻隔早熟禾吸收镉，增加土壤酶活性，降低土壤有效态镉含量，并且将土壤中总镉的去除率提高约49%；对于紫花苜蓿，枯草芽孢杆菌能够促进紫花苜蓿吸收镉，显著提高生物量，增加土壤酶活性以及有效态镉含量，并且将土壤中总镉去除率提高约140%。刘晋秀[36]通过研究发现枯草芽孢杆菌QM3 菌液浸种可缓解Pb2+胁迫对种子萌发的抑制作用，使发芽率、发芽势以及发芽指数分别提高68.57%、44.93%、51.32%，还能明显提高Pb2+胁迫下小麦叶片光合作用，使叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量分别增加14.7%、57.24%、33.6%。

枯草芽孢杆菌的繁殖也会加速土壤养料的矿质化，促进团粒结构的形成，加速土壤有机质分解成腐殖质，分泌植酸酶，降解土壤中的植酸盐，增加土壤疏松度，提高土壤保水、保肥能力。枯草芽孢杆菌对菲和苯并芘污染的土壤也有很好的修复作用。罗雪梅等人[37]的研究表明枯草芽孢杆菌不仅能修复、改善被菲和苯并芘污染的土壤，还能够对其进行降解与吸附。魏海燕等人[38]研究发现，枯草芽孢杆菌能够刺激土壤的脲酶活性和呼吸强度增加，且施用量越大，刺激作用越强。张琳颖等[39]研究表明黑麦草和苜蓿草接种枯草芽孢杆菌可以有效修复菲污染土壤，且土壤中的菲可以通过自然挥发、微生物降解、植物根系降解、植物吸收累积等途径得以去除。基于枯草芽孢杆菌对于土壤的优化作用，目前已经有大量含有枯草芽孢杆菌的有机肥投入土壤改良中。

1.2 枯草芽孢杆菌在畜禽养殖业中的应用

当前，在我国大力倡导减抗、替抗的形势之下，在抗病营养等多种交叉学科快速发展的驱动下，极大地促进了健康替抗产品的开发与应用。市场上主流的替抗产品主要有酶制剂、酸化剂和微生物菌剂等。枯草芽孢杆菌作为绿色养殖中重要的微生物添加剂之一，也是农业农村部最早批准使用的微生物菌种之一，在提高动物免疫力、促生长和改善圈舍养殖环境方面均具有较好的应用价值。

1.2.1 改善动物抗病性。枯草芽孢杆菌被动物肠道吸收后，能快速活化，消耗大量的游离氧，抑制需氧致病菌的生长，产生的活性物质和多种抗生素物质，能明显抑制肠道内致病菌的生长，改善肠道微生态环境，实现抗病作用[40-42]。杨曦等[43]指出枯草芽孢杆菌可以明显增强雏鸡的免疫功能，减少发病率。张雪、杨福剑等[44-45]在研究中发现饲料中添加枯草芽孢杆菌能显著改善种鸡的生产性能和回肠绒毛高度/隐窝深度，促进种鸡生长，提高产蛋率和孵化率，降低死淘率。贺长青等[46]指出，饲料中添加枯草芽孢杆菌可在一定程度上改善肥育猪机体代谢，优化肠道菌群，增强机体免疫功能。邢帅兵等[47]指出枯草芽孢杆菌可以改善断奶仔猪小肠形态结构，增加肠道内有益菌的数量，提高小肠黏膜免疫功能，达到部分替代抗生素的作用。此外，在饲料中添加枯草芽孢杆菌可提高断奶仔猪的生长速度，降低生猪料重比，改善肠道屏障功能，减少腹泻率，有效地让生猪增重[48-49]。

1.2.2 促进动物营养吸收。枯草芽孢杆菌在生长过程中会代谢产生大量有机酸、维生素和部分氨基酸，能促进肠道微生态调控能力，提高动物机体对维生素的吸收和营养物质的吸收，产生的蛋白酶可与体内的内源酶共同作用，能促进肠道消化吸收，提高饲料利用率，实现促生长作用[50-51]。谢鹏等[52]、肖凤平[53]指出枯草芽孢杆菌可以促进动物的小肠绒毛发育，增强肠道消化吸收营养物质的能力，提高饲料利用率。同时可以降低大肠菌群数量和增加有益菌的数量，从而维持肠道健康。郑超等[54]的研究结果表明，在饲料中添加枯草芽孢杆菌能缓解高温对产蛋鸡生产性能和蛋品质造成的负面影响，并能有效延长鸡蛋的存放时间，改善血清生化指标。周晓辉等[55]研究明确指出枯草芽孢杆菌能增强犊牛的抗病性，促进其生长发育，增加奶牛的产奶量。此外，在饲料中添加枯草芽孢杆菌和姜黄素，能维持奶牛激素稳态，提高乳蛋白和非乳脂固体含量，降低体细胞数，改善牛奶品质[56]。

1.2.3 改善养殖环境。枯草芽孢杆菌的应用还可以减少粪便中氮、磷、钙的排泄量，降低了氨、生物胺、吲哚、硫化氢等有害气体的产生，减少粪便臭味及有害气体排放，实现改善养殖环境的目的[57]。陈继发等[58]研究指出枯草芽孢杆菌能够减少动物肠道中微生物发酵的底物，使排泄物中挥发性脂肪酸的成分发生改变，减少恶臭物质排放，加快粪便分解。史慧玲等[59]研究发现，枯草芽孢杆菌等益生菌组合能有效提高保育猪的氮、磷和粗纤维的表观消化率，减少粪便中氮和磷含量。Lan 等[60]研究发现，日粮中添加枯草芽孢杆菌能显著增加断奶仔猪粪便乳酸菌数量，降低大肠杆菌数量，减少NH3和H2S 排放量，改善猪舍养殖环境。

1.3 枯草芽孢杆菌在水产养殖业中的应用

枯草芽孢杆菌能够有效降低水体中的硝酸盐和亚硝酸盐含量，维持水体pH 及溶氧量，丰富水中细菌群落，维持水体微生态的稳定，提高鱼虾免疫力、抗病力和成活率，改善养殖环境。因此，在水产养殖中适量使用枯草芽孢杆菌已成为一种健康养殖方式[61-63]。王月霞等[64]在研究枯草芽孢杆菌对鱼类养殖池塘的生态作用影响中提出，投放适量浓度的枯草芽孢杆菌能有效改善养殖水体状况，对水质起到进一步净化作用。刘慧玲等[65]研究结果显示，在养殖水体中投放适合浓度的枯草芽孢杆菌，能提高鱼类机体免疫力和成活率。张书环等[66]用枯草芽孢杆菌投喂杂交鲟后发现，可显著降低饵料系数，增强鱼体对血糖和脂肪的利用和转化能力，改善肠道的微生态环境。董春光[67]研究发现添加适当的枯草芽孢杆菌能够有效改善刺参养殖水体水质，提高机体消化酶和非特异性免疫酶活性，从而促进刺参生长。张雯等人[68]在研究枯草芽孢杆菌对冰鲜罗非鱼肠道菌群的影响中发现，枯草芽孢杆菌对罗非鱼的肠道菌群的变化具有阻遏作用，使菌群多样性维持在一个相对稳定的水平，可显著延缓冰鲜鱼的腐败程度。罗燕儿等[69]研究发现在饲料中添加枯草芽孢杆菌可以增强草鱼的抗氧化能力，缓解机体因嗜水气单胞菌感染造成的肝脏损伤，调节肝脏脂质代谢功能，减少脂质在肝脏中的积累，并促进草鱼的生长。此外，枯草芽孢杆菌能改善凡纳滨对虾幼体的养殖水质，提高凡纳滨对虾幼体的抗病力，还能显著提高斑点叉尾鮰鱼的增重率及特定生长率[70-71]。

2 存在问题

2.1 普遍存在使用不规范、滥用现象

亟待研究确定不同种类动物和其不同的生长阶段，使用枯草芽孢杆菌的最佳添加量；确定土壤改良中不同土壤类型、不同的土传病害和不同耕作方式等如何使用枯草芽孢杆菌。尤其含枯草芽孢杆菌的化学物质混合型产品、复合型微生物制剂的研发需要更多安全性的评估，避免抗性和诱导性突变的产生。

2.2 研究开发与生产使用脱节

枯草芽孢杆菌的研究成果较多，但大多数处于基础研究阶段，并未实际应用在农业生产中。在科技成果的转化与应用、产学研的良性发展方面存在欠缺。

2.3 生产工艺落后，产品质量参差不齐

由于饲料生产准入门槛较低，导致大量生产规模小、管理不善、生产条件较差的企业混迹其中，造成市售饲用微生物制剂产品质量良莠不齐。

2.4 含枯草芽孢杆菌的产品剂型单一

含枯草芽孢杆菌的产品多为液体制剂、粉剂和颗粒剂，而具有缓释、控释效果的剂型十分稀少。实际应用中粉剂具有加工方便、成本低廉的特点，但是也会将微生物直接暴露于环境中，对于含量的稳定性具有较大影响。应开发新剂型，提高微生物菌剂产品的适用性。

2.5 技术支撑不足

农业生产中使用的枯草芽孢杆菌产品存在质量标准不健全等问题，尤其是潜在的生物危害性因子的检测仍未提上日程，各级监管部门监管力度有待加强，并提供技术支撑。

3 展望

枯草芽孢杆菌是自然界提供给人类的重要生物资源，在农业生产中的应用已近半个世纪，其稳定性和良好作用效果已经得到了科研工作者的充分证实，应科学合理地使用，将研究重点转换到科学化、规范化、标准化使用上。随着现代分子技术、蛋白基因组学和制剂学等多学科的发展，对枯草芽孢杆菌的研究将更加深入，同时也会获得稳定性更好、生物安全性更高的工业菌株应用于现代农业生产中。