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枯草芽孢杆菌的前世今生

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枯草芽孢杆菌的前世今生

发布日期:2021/6/6 14:34:17 点击:181

正文

一、 枯草芽孢杆菌的发现和特性

  芽孢杆菌是人们最早开始接触并研究的益生菌类群,而枯草芽孢杆菌是其属中比较受关注的一种细菌。


  1835年Ehrenberg发现枯草芽孢杆菌,并将其命名为“Vibrio subtilis”。

  1872年随着细菌分类系统的建立,Cohn又将其命名为“Bacillus subtilis”。

  1997年,Kunst F.等人首先完成了枯草芽孢杆菌的完整基因组序列测定,并将结果发表在《Nature》杂志上。


枯草芽孢杆菌基因组

  枯草芽孢杆菌隶属于芽孢杆菌科、芽孢杆菌属,作为芽孢杆菌科(Bacilaceae)的模式菌株,菌体呈杆状,无荚膜,周生鞭毛能运动,是自然界中广泛存在的革兰氏阳性菌。



  枯草芽孢杆菌是一种能生成抗逆性孢子的好氧性细菌,便于筛选分离,其所需营养成分简单、生长繁殖速度快、适应性及抗逆性极强,利于大量培养。枯草芽孢杆菌的芽孢有较强耐受力,能耐酸碱、耐挤压、耐高温,在环境不佳时可保持休眠状态,等适宜时再发挥其功能。


  枯草芽孢杆菌具有液化明胶、还原硝酸盐以及水解淀粉的功能,对动植物及人体均有益无害。目前,枯草芽孢杆菌已广泛应用于医药、食品、养殖和种植等多个行业。


二、 枯草芽孢杆菌的选育和生产


  高活性枯草芽孢杆菌菌株是其广泛应用的重要前提。枯草芽孢杆菌筛选可依据形态特性、产酶能力、抑菌能力和抗逆性分析等方法在动物肠道、植物根际、土壤环境、发酵体等环境中分离,并进行分子生物学及生理生化鉴定,以挑选出性能优良的菌株。


  筛选出性能优良的菌株后,如何获得有效生物量更高的产品,是枯草芽孢杆菌工业化生产中的核心问题。目前,应用于工业化的发酵工艺主要有以下3种:液态发酵、固态发酵和液固两相发酵。实际生产中,以液态发酵为主。


  液态发酵是将活化菌种接种到发酵罐中,进行液体培养的方法。其一般流程为菌种接种,发酵罐培养、过滤、浓缩、干燥从而得到菌剂。

固态发酵是一种培养基呈固态、培养基中没有或几乎没有流动水、利用自然底物作为碳源和能源或利用惰性底物作为支持物的发酵过程。

  液固两相发酵指的是先通过液态发酵,快速培养大量高活力菌体,然后通过无菌输送将高活力菌体接种到固态培养基进行发酵。

干燥是微生物制品发酵的重要后处理环节,对于保证菌剂稳定性,后续贮存及运输具有重要意义。干燥通常需采用高温、真空、冷冻、辐射等方式进行。


三、 枯草芽孢杆菌在医药上的应用


  枯草芽孢杆菌医药上的应用主要分为两类,一类是将芽孢直接加工成为生物制品药品,一类是将枯草芽孢杆菌分泌的有益物质加工成为医药。


  常见的妈咪爱为枯草杆菌二联活菌颗粒,用于儿童因肠道菌群失调引起的腹泻、便秘、胀气、消化不良等。



  枯草芽孢杆菌活菌胶囊的安全性较高、基本无不良反应,且口感较好,在临床上使用枯草芽孢杆菌活菌胶囊加蓝光照射共同治疗早期新生儿高胆红素血症得到了很好的效果,而且具有住院时间短、复发率低等特点。



  枯草芽孢杆菌分泌的多种胞外酶,已应用到许多不同领域中。脂肪酶具有多种催化能力,其在动物或人体的消化道中与原本存在的消化酶类共同发挥作用,使消化道处于健康的平衡状态。



四、 枯草芽孢杆菌在食品上的应用


  枯草芽孢杆菌还未直接用于食品中,但有研究表明枯草芽孢杆菌在酿酒过程中起到了非常重要的作用。


  芽孢杆菌,包括嗜热芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌以及地衣芽孢杆菌等都有较强的水解淀粉和蛋白质的能力,是酱香型白酒的风味物生成和风格形成的重要菌类。由于芽孢杆菌能够产生蛋白酶与淀粉酶,其水解原料形成丰富的前体环境,有利于风味物质的生成。


  四川省的研发人员,从高温大曲中分离得到的枯草芽孢杆菌,添加至酱香型二次酒高温堆积前和入池发酵前的糟醅中,制成菌粉酒的香味物质种类、特征香味含量、酒体感官质量均有明显改善。


五、 枯草芽孢杆菌在养殖上的应用


1、动物养殖


枯草芽孢杆菌是动物饲料中常添加的益生菌种,它以芽孢的形式添加于动物饲料中。


  枯草芽孢杆菌在动物肠道中复苏增殖后就可发挥其益生特性,包括改善动物肠道菌群、增强机体免疫力以及提供多种动物所需的酶类等,可以弥补动物体内源酶的不足,促进动物的生长发育,具有显著的益生作用。


2、水产养殖


  枯草芽孢杆菌具有单一菌株,对抗生素无抗性,对水生动物无毒。在水产养殖中,有两种使用枯草芽孢杆菌的方法。


  用于水净化,用于改善水质,抑制有害藻类的过度繁殖,消除底部淤积,改良底质,用10倍水稀释浸泡1h后全塘均匀泼洒。

口服给药,其用作水生动物的饲料添加剂。添加到鱼饲料中的枯草芽孢杆菌可以改善鱼的胃肠功能,提高饲料利用率,改善肉质,促进生长,并具有良好的防病效果。

六、 枯草芽孢杆菌在农药上的应用


  植物病害是由病原真菌或细菌侵害引起的,常表现为叶片发黄、萎蔫及溃烂等症状。常用的植物病害防治方法为化学防治,即喷洒农药等。但是,化学防治有多种弊端。因此,生物防治植物病害成为研究的热点,而枯草芽孢杆菌是其中极具代表性的生防菌种。


  枯草芽孢杆菌分泌的抗菌物质主要包括:①脂肽类物质;②蛋白类抗菌物质;③酚类物质;④多烯类物质。


  芽孢杆菌分泌的抗菌物质可能通过以下几种途径来抑制病原菌:①阻碍病原菌的细胞壁合成,并损伤细胞膜;②作用于病原菌的蛋白质合成系统,阻碍蛋白质合成;③作用于能量代谢系统,使真菌无法生成孢子;④加速植物种子萌发,增强植物自身抗病能力。


  枯草芽孢杆菌作为防治植物病害的主要生防菌,其主要作用机制如下:①影响植物根际土壤中关键酶活性。②影响植物根际土壤中微生物多样性。在植物根际土壤施加生防枯草芽孢杆菌菌剂,主要受影响的是土壤中真菌和细菌的数量与种类变化。


  查询农药登记信息,截止2020年2月15日,用作杀菌剂的微生物制剂(不含母药、原药)共有101个证件,其中枯草芽孢杆菌为58个。登记数据表明,枯草芽孢杆菌是目前应用最为广泛的微生物农药。


七、 枯草芽孢杆菌在肥料上的应用


  枯草芽孢杆菌用作微生物肥料主要体现在:


促进植物生长。枯草芽孢杆菌能够分泌促进植物生长的活性物质,通过自身合成α-淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶等酶类,与其它植株体内酶协同发挥作用。同时,通过自身合成B1、B2、B6、烟酸等多种B族维生素,促进植物生长发育促进作物生长,有助于增产增收。

改善土壤结构。枯草芽孢杆菌改良土壤主要表现在调节土壤养分、改变土壤微生物菌群结构、分解土壤残留农药等方面。施用枯草芽孢杆菌可以显著增加土壤碱解氮和速效磷含量、速效钾和全钾含量。衡量土壤肥力的重要指标有机质也能够在枯草芽孢杆菌的作用下,随菌剂用量的增加而显著增加,从而改善和调节耕层养分,利于作物生长所需营养的供给。

提高作物品质。枯草芽孢杆菌在土壤中定殖后,会产生大量的植物激素和有机酸,刺激根系的生长,改良土壤质量,促进作物生理代谢,形成良性的植物-土壤-微生物生态系统,从而有效提高作物品质。

  用于有机废弃物。处理有机废弃物在高温条件下通过微生物的生长代谢作用,使不稳定的有机物矿质化、腐殖化和无害化进而变成腐熟肥料的过程被称为“堆肥”。为了加快和改善堆肥腐熟进程和质量,通常在堆肥过程中添加有机物料腐熟剂。枯草芽孢杆菌作为一种高效的有机物料腐熟剂,被广泛用于有机废弃物处理。

查询农业部微生物肥料监督检验测试中心的登记信息,除了光合细菌菌剂和根瘤菌菌剂,枯草芽孢杆菌可用作大部分类型的微生物肥料,而且占比非常高。