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地衣芽孢杆菌的研究进展
作者:   时间:2012-10-30

 


山东宝来利来生物工程股份有限公司 张菊* 李金敏 张志焱 李伟 谷巍

   摘要:地衣芽孢杆菌是芽孢杆菌中较具应用潜力的菌种之一。近年来,国内外对于地农芽孢杆菌各方面应用的研究日益增多,主要对地衣芽孢杆菌的作用机理、饲料生产和环境防治中的应用做一综述。
   关键词:地衣芽孢杆菌;作用机制;饲料;环境防治

           Research Advances of Bacillus licheniformis
   Abstract: Bacillus licheniformis is one of more application potential in Bacillus strains. In recent years, all aspects of application to Bacillus are increasing. It was reviewed about main mechanism of action, feed production and environmental control applications of Bacillus licheniformis.
   Keywords: Bacillus licheniformis; mechanism; feed; environmental prevention

   抗生素滥用引起的畜禽耐药性问题和食品安全问题日益严重,寻找安全可靠的抗生素替代品成为人们关注的焦点。微生态制剂因其安全、无毒副作用及不污染环境等优点受到人们的关注,其中的有益菌能刺激肠道免疫器官生长发育,提高抗体水平,促进动物的生长,增加养殖效益。地衣芽孢杆菌是目前具有应用潜力的菌种之一,本文就地衣芽孢杆菌的作用机理、畜牧生产和环境防治中的应用做一综述。
1. 地衣芽孢杆菌的生物学特性
   地衣芽孢杆菌为中生芽孢的革兰氏阳性需氧菌,它的最适生长温度大约为50℃,但也能在更高的温度下存活。酶分泌的最适温度为37℃。它可能以孢子形式存在,从而抵抗恶劣的环境;在良好环境下,则可以生长态存在。地衣芽孢杆菌是我国农业部2003年3l8号公告批准使用的饲料级菌株之一。与传统的益生菌、双歧杆菌和乳酸菌相比,地衣芽孢杆菌的活菌成份是芽孢休眠体,并具有耐高温、耐干燥、耐酸性、耐胆盐和人工胃液等特点(刘燕等,2002;全艳玲,2002)。
2. 地衣芽孢杆菌作用机制研究
   地衣芽孢杆菌在医药和畜牧养殖方面具有较高的应用价值。具有调节动物微生态平衡,促进肠道有益菌生长,降低病原菌的数量,增加动物机体的抗病力,提高机体的免疫功能。具体作用机理如下:
2.1 生物夺氧
   动物的肠道的原籍菌群大多是厌氧菌,而且是优势菌群。动物肠道内按照需氧菌、兼性厌氧菌、严格厌氧菌的顺序变化,最终形成以乳酸杆菌和双歧杆菌等厌氧菌为优势菌群。地衣芽孢杆菌为需氧菌,在生长过程中消耗大量的氧气,使得肠道内氧气浓度降低,为肠道内的生理性厌氧菌如双歧杆菌、乳酸杆菌、消化链球菌、类杆菌等菌的生长繁殖创造有利条件。同时使得需氧的有害病原菌(如大肠杆菌)的生长由于缺氧受到抑制。通过支持生理性厌氧菌的增殖.抑制致病菌的生长,使菌群失调得以调整,使肠道功能得以恢复。最终使得动物的抗病能力提高,胃肠道的微生态体系处在健康平衡的状态(Verschuere等,2000;唐娟等,2008)。
2.2 生物拮抗
   地农芽孢杆菌对葡萄球菌、白色念珠菌体外实验有很强的拮抗作用。因为地衣芽孢杆菌在生长代谢过程能产生多种抗菌物质.如短杆菌肽、枯草菌素、多粘菌素、制霉菌素和头孢菌素C等。地衣芽孢杆菌对常见的致病性大肠杆菌、沙门氏菌和金黄色葡萄球菌都有较强的抑制作用。
2.3 产生多种酶类和营养物质
   地衣芽孢杆菌在生长过程中,可分泌蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶等多种有助于消化吸收的酶类,在降低和消除抗营养因子的抗营养作用也具有重要作用。地衣芽孢杆菌DSM13含有高度保守的蛋白分泌系统,没有聚酮体合成体系,但能形成脂肽性地衣素。已经确定的胞外酶有淀粉酶、β-半乳糖苷酶、纤维素酶、几丁质酶、果聚糖酶、麦芽糖淀粉酶、多聚糖降解酶、碱性蛋白酶、锌蛋白酶等。目前,已经从地衣芽孢杆菌不同菌株中克隆出的有关重要酶编码基因有:青霉素酶 、α-淀粉酶 、果胶裂解酶 、多酚氧化酶 、γ-谷氨酰转肽酶、β-1,3-1,4-葡聚糖酶、蛋白酶、纤维素酶 、β-半乳糖苷酶 、碱性磷酸酶等编码基因(Veith等,2004;牛丹丹等,2009)。这些酶具有降解饲料中复杂碳水化合物,如果胶、葡聚糖、纤维素等物质的作用,而许多酶是动物本身不具的。
   地衣芽孢杆菌在一定条件下能产生抗逆性内生孢子,可以产生脂肽类、肽类、磷脂类、多烯类和氨基酸类等多种抗生素,对多种病原菌起到很好的抑制作用。地衣芽孢杆菌同时能产生多种营养物质如维生素、氨基酸、有机酸、促生长因子等,参与动物机体新陈代谢,为机体提供营养物质(Kim等,2004)。
2.4 增强机体免疫功能
   地衣芽孢杆菌生长条件要求低,繁殖快,能迅速定植在肠黏膜上,在短时间内成为肠道的优势菌群。地衣芽孢杆菌能调节动物肠道菌群平衡,改善肠道微生态环境,促进动物生长、减少动物肠道疾病的发生,提高动物机体的抗病力。同时它还可通过免疫抑制、竞争性吸附及合成抑菌物质等多方面的作用。地衣芽孢杆菌能刺激动物免疫器官的生长发育,激活淋巴细胞,提高免疫球蛋白和抗体水平,增强细胞免疫和体液免疫功能,提高机体免疫力(Duc等,2004)。
   潘康城等(1998,1997)等实验发现,仔兔饲喂地衣芽孢杆菌20天及40天后,实验组仔兔的免疫器官生长发育较对照组迅速,成熟快,实验组的胸腺、脾脏重量等显著提高。地衣芽孢杆菌的免疫促进作用的机理是由于口服芽孢杆菌后,其作用于肠道集合淋巴结的抗原结合位点或通过调整动物的微生物群尤其是增加双歧杆菌菌群数量,从而间接地发挥免疫赋活的作用,提高机体的局部或全部防御功能,从而达到抗应激、防病和抗病的作用。
   帅智闯(2011)研究地衣芽孢杆菌在预防广谱抗生素致抗生素相关性腹泻中的作用表明:在AECOPD患者中应用四代头孢菌素合并甲基强的松龙常规加用地衣芽孢杆菌, 能大大降低抗生素相关性腹泻的发生。
3.地衣芽孢杆菌饲料中的应用
   地衣芽孢杆菌作为饲料添加剂广泛应用于饲料中。研究表明,饲用地衣芽孢杆菌具有拮抗肠道病原细菌,维护和调节肠道微生态平衡的作用,增强动物机体的抗病力和免疫力,可有效的提高饲料的转化率,增加畜禽产品的生产量。
3.1 在猪饲料中的应用
   戴国俊等(2007)研究不同剂量地衣芽孢杆菌对断奶仔猪腹泻的影响表明,与空白对照组相比,地衣芽孢杆菌不同添加组均具显著抑制仔猪肠道内大肠杆菌和葡萄球菌增殖的作用(P<0.05)。不同剂量地衣芽孢杆菌添加组间仔猪肠道内大肠杆菌和葡萄球菌的数量差异不显著(P>0.05),且呈不规则变化。
3.2 在家禽饲料中的应用
   李福彬等(2010)试验表明,在基础日粮中添加1xlO9,2xlO9和3x lO9 CFU/kg地农芽孢杆菌,蛋鸡的免疫性能有随其添加量增加而提高趋势,其中以日粮中添加2×lO9CFU/kg的地衣芽孢杆菌改善蛋品质的效果较好。燕淑海等(2010)试验表明,在基础日粮中添加6o克/吨的地衣芽孢杆菌制剂喂养蛋鸡,在100天饲喂阶段内能够提高蛋鸡的产蛋率1.5-4%。 陈家祥等(2010)研究地衣芽孢杆菌对麻羽肉鸡肠道组织结构及盲肠微生物区系的影响发现,在肉鸡日粮中添加地衣芽孢杆菌能够优化肠道组织结构,抑制肠道有害菌的生长、促进有益菌的生长或共生,从而提高了消化器官功能,有利于营养物质的吸收,促进机体的生长。日粮中添加地衣芽孢杆菌有益于肉鸡的肠道发育和盲肠微生物区系平衡,饲养前期50 mg/kg添加水平,饲养后期200 mg/kg添加水平显著优化了肉鸡的肠道组织结构,抑制了盲肠中有害菌的生长。
3.3 在反刍饲料中的应用
   周振峰(2006)研究添加地衣芽孢杆菌制剂对泌乳奶牛生产性能的影响发现:每千克精饲料中添加20亿单位的地衣芽孢杆菌产奶性能最好(p<0.05);奶品质有了改善但差异不显著(P>0.05)。同时能增强奶牛抵抗热应激的能力。
3.4 在水产饲料中的应用
   赵卫红等(2008)研究表明:光合细菌、地衣芽孢杆菌及其1:1的混合制剂均能提高异育银鲫鱼种血液中白细胞的免疫机能,其中混合制剂作用效果最佳,其次地衣芽孢杆菌,效果最差的是光合细菌,且在5×10 8、5×109 、5×10 10CFU/m 浓度范围内,微生态制剂的作用效果随着添加量的增加而增加。沈文英等(2009)研究地衣芽孢杆菌对三角帆蚌消化酶活性、免疫指标和抗氧化指标的影响表明, 养殖水体中添加地衣芽孢杆菌可显著提高三角帆蚌的消化酶活性、免疫指标和抗氧化指标活性,促进蚌体生长;从促生长效果和经济效益考虑,地衣芽孢杆菌最适添加量为1.0 X 106 cfu/mL,适宜间隔时问为15 d。
4.地衣芽孢杆菌在环境防治中的应用
4.1 对猪粪的无公害化处理
   由于地衣芽孢杆菌生存能力强,能充分利用猪粪液中的营养物质大量繁殖,抢夺了沙门氏菌与志贺氏菌生长的生存空间和营养来源,限制了病原菌的繁殖.这种拮抗作用在生物界是普遍的。要对畜禽粪便进行无害化处理,应该对微生物之间的拮抗关系加以利用,应用地衣芽孢杆菌处理猪粪液,既能将NH3转化为生物量,又能抑制病原菌,是一种理想途径【19】。
4.2 应用于环境中的重金属污染
   周鸣等(2006)研究采用地衣芽孢杆菌死菌体吸附水中的Cr6+,其研究结果与报道的同类研究相比较,地衣芽孢杆菌死菌体对Cr6+具有更好的吸附效果。在优化条件下,即温度为50℃ ,摇床转速140 r/min,溶液pH值2.5,吸附时间2 h,菌体浓度1 g/L,Cr6+起始浓度300 mg/L,菌体对Cr6+有最大吸附量60.5 mg/g。胡洪波等(2006)报道了利用微生物吸附回收金、银、铂、铅等贵金属研究结果:地衣芽孢杆菌R08死菌体吸附Pd2+,吸附量可以达到每克菌体吸附224.8mg Pd2+。
4.3 降解养殖水体中的污染物
   微生态制剂的调控技术已经成为解决养殖水域污染病害问题的有效手段之一(杨学芬等,2003),相对于传统的物理和化学方法而言, 微生态技术具有成本低、收效大、无二次污染等优点,是当前环境治理尤其是水环境污染治理的研究热点。张庆华等(2011)研究地衣芽孢杆菌对养殖水体氨氮、残饵降解特性,实验结果表明接种5%菌量的降解率均高于1%菌量的降解率, 其中, 48h 内接种5%菌量的蛋白质和淀粉的降解率分别为35.2% 和52.6%。地衣芽孢杆菌X3914 菌株具有较好的氨氮、饲料蛋白质和淀粉的降解能力, 在水产养殖上具有潜在的应用价值。
5.应用前景
   目前,地衣芽孢杆菌已经形成了较为完整成熟的生产工艺,在饲料生产和环境污染治理等方面也只是处在起步阶段,以后还有很广阔的发展空间。
地衣芽孢杆菌具有耐热、酶系丰富、产酶量更高和安全等诸多优良特性,被认为是较理想的工业生产菌株。傅明亮等(2011)研究表明地衣芽孢杆菌能高效表达弹性蛋白酶,并采用两步法纯化得到的弹性蛋白酶。张浩等(2010)利用盐析、离子交换层析、凝胶过滤分离纯化了由地衣芽孢杆菌2709 发酵所产的一种高活性碱性蛋白酶,经测定纯化后碱性蛋白酶的去酰氨度为20.9%。解鑫等(2011)所报道的β-甘露聚糖酶高产菌株在发酵罐中的产酶能力处于领先水平,而且该菌株还有发酵周期短,不易染菌等优点,适于工业生产。地衣芽孢杆菌作为工业生产菌株将随研究的不断深入进一步丰富和发展。
随着分子生物技术在微生物领域的广泛应用,地衣芽孢杆菌作为基因高效表达的宿主细胞具有极大吸引力,这与其高效的蛋白表达能力密不可分。地衣芽孢杆菌作为表达载体,将所要表达的目的基因导入地衣芽孢杆菌基因组,构建基因工程菌表达目的蛋白,这将成为以后地衣芽孢杆菌研究的热点。

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