芽孢杆菌在发酵产品中的应用 齐鲁工业大学 生物工程学院 赵林 博士

目 录 一、芽孢杆菌的发现及历史 二、芽孢杆菌发酵产品在工业的应用 三、芽孢杆菌发酵产品在农业的应用 四、芽孢杆菌发酵产品在医药行业的应用

一、芽孢杆菌的发现及历史 早在1835年，Ehrenberg就发现并命名了枯草芽孢杆菌Vibrio subtilis。1872年，德国植物学家Cohn建立了第一个细菌分类系统，根据细菌的形态特征命名了芽孢杆菌属(Bacillus)，并将枯草芽孢杆菌重命名为Bacillus subtilis。

芽孢杆菌的分类 2004年出版的第九版《伯杰氏细菌系统学手册：原核生物分类纲要》将芽孢杆菌类细菌分为35个属; 2005年核准种名目录(Approved Lists)收集的芽孢杆菌种名有175个; 2006年NCBI数据库上收集的芽孢杆菌种名有182个; 2006年德国菌种保存中心种名目录(DSMZ)收集的芽孢杆菌种名有187个；

芽孢杆菌是一类好氧型/兼性厌氧、内生抗逆孢子的杆状细菌，广泛存在于土 壤湖泊、海洋和动植物的体表，自身没有致病性，只具有单层细胞外膜，能 直接将许多蛋白分泌到培养基中。在营养缺乏的条件下，枯草芽孢杆菌停止 生长，同时加快代谢作用，产生多种大分子的水解酶和抗生素，并诱导自身 的能动性和趋化性，从而恢复生长。在极端的条件下，还可以诱导产生抗逆 性很强的内源孢子。正是由于枯草芽孢杆菌无致病性，并可以分泌多种酶和 抗生素，而且还具有良好的发酵基础，所以用途十分广泛。

二、芽孢杆菌发酵产品在工业中的应用 酶是活细胞产生的一种生物催化剂，广泛应用于工业生产上。芽孢杆菌能大量产生淀粉酶和蛋白酶等，由于它的这种特性，芽孢杆菌在工业上得到了广泛的应用。

纤维素酶 碱性纤维素酶是重要的洗涤添加剂，可以增强洗涤效果，除去衣物上的污溃，软化衣物和增加衣物的鲜艳度。据郭成栓等报道，嗜碱芽孢杆菌是生产碱性纤维素酶的主要菌种。

淀粉酶 淀粉酶的生产和应用在产量和用途上都占各种酶制剂的首位，大多数芽孢杆菌都能产生胞外淀粉酶。工业上用的耐高温的α-淀粉酶大部分是由地衣芽孢杆菌产生的。

水处理 此外，芽孢杆菌在环境污水处理中也发挥着重要作用。芽孢杆菌产生的酶可以降解水中的污染物，以达到环境净化目的。据相关报道，以盾叶薯蓣淀粉为唯一碳源，探讨不同淀粉浓度对1株污染地分离菌α-淀粉酶活性的影响。经鉴定该菌为枯草芽孢杆菌，32 ℃恒温摇床发酵试验表明: 32 ℃下，淀粉浓度与枯草芽孢杆菌α-淀粉酶活性成正相关，为选择微生物降解淀粉导致的水源污染提供了依据，可将枯草芽孢杆菌应用到工业上，解决淀粉造成的水污染问题。

三、芽孢杆菌发酵产品在农业中的应用 芽孢杆菌在农业有着广泛的应用，有些菌株可用于养殖业上，提高动物肉的品质。蜡状芽孢杆菌可做饲用微生物制剂，由于芽孢抗热性可耐胃中pH较低的酸性环境。

添加芽孢杆菌制剂可提高饲料利用率，降低饲料成本，同时可减少疾病。养猪生产中减少抗生素生长促进剂使用量或取消某些抗生素的使用，会使猪的生产性能受到严重影响，寻找抗生素替代物非常重要。研究表明，生长肥育猪饲料中添加凝结芽孢杆菌制剂可显著提高猪的平均日增重，降低饲料成本，饲养效果与抗菌药没有显著差异。

生物农药 很多生物农药是利用芽孢杆菌制成的，尤其苏云金芽孢杆菌及其伴胞晶体是农业上良好的杀虫剂，已成为世界上产量最大的生物农药。芽孢杆菌的许多种类是昆虫的病原菌。

农用芽孢杆菌 枯草芽孢杆菌——促生菌 枯草芽孢杆菌土壤定殖能力强，且能够在适当条件下长期保存，能够合成多种天然促生成分，同时该菌可以合成多种对作物生长有益的氨基酸，可以显著促进作物生长。

形态特征：枯草芽孢杆菌细胞杆状，直径0. 6µm～1. 0µm，长1. 5µm～2 形态特征：枯草芽孢杆菌细胞杆状，直径0.6µm～1.0µm，长1.5µm～2.0µm，芽孢中生，椭圆，孢囊不膨大，革兰氏反应阳性。在营养琼脂平板上37℃培养36h形成的菌落为圆形，直径3.0mm～10.0mm，淡黄色，中间色深，表面平整不光滑，无光泽，边缘不整齐。 枯草芽孢杆菌菌落及菌体细胞显微照片

该菌在土壤中具有很强的繁殖能力和抗逆性，能够在作物根际或体内定殖，通过其自身的生长繁殖活动，可以显著增加土壤团粒结构，提高土壤透气性，增加呼吸强度，促进根系的生长，加强呼吸代谢作用。此外，枯草芽孢杆菌也具有一定的生防效果，即拮抗微生物通过合成次级代谢产物在低浓度下就能够对病原微生物的生长和代谢产生抑制作用，从而来影响病原微生物的生存和活动，有效防止或减轻病原菌对作物的危害。

地衣芽孢杆菌——有机磷分解菌 地衣芽孢杆菌扩繁能力强，且能够在适当条件下长期保存，经鉴定与枯草芽孢杆菌一样也能够合成一定量的天然促生成分，促进作物生长，该菌可以降解有机磷，因此可以将作物难以直接利用的卵磷脂、核酸等有机磷快速分解，释放并供作物吸收，提高肥料中磷元素的利用率。该菌是典型的拮抗菌，在其自身生长繁殖过程中可以合成多种活性物质，对葡萄球菌、白色念珠菌等病原菌有较强的拮抗作用，承担抗病功效。

地衣芽孢杆菌菌落（左）和显微镜下细胞形态（右）照片 形态特征：地衣芽孢杆菌细胞呈杆状、单生，直径0.8µm，长1.5-3.5µm。可以产生近中生的椭圆形芽孢。在营养培养基上菌落扁平、呈暗红色、边缘不整齐。 地衣芽孢杆菌菌落（左）和显微镜下细胞形态（右）照片

巨大芽孢杆菌——无机磷分解菌 巨大芽孢杆菌是具有很强的分解无机磷功能优良菌种，可以将土壤中蕴藏的铝硅酸盐、磷灰石中的无机磷快速分解，释放并供作物吸收，提高肥料中磷元素的利用率。同时，该菌在土壤中尤其是作物根际定殖后通过其自身的生长繁殖可以提高土壤透气性，促进作物根系生长。

巨大芽孢杆菌菌落（左）和显微镜下细胞形态（右）照片 形态特征：巨大芽孢杆菌为革兰氏阳性杆菌、末端圆形，单个或呈短链排列。直径1.2-1.5µm，长约2.0-4.0µm。芽孢中生或次端生，椭圆形。在营养培养基上菌落呈圆形凸起，表面有光泽，淡黄色，边缘整齐。 巨大芽孢杆菌菌落（左）和显微镜下细胞形态（右）照片

胶质芽孢杆菌——解钾菌 胶质芽孢杆菌又称硅酸盐细菌、胶冻样。该菌可在土壤中繁殖生长，并产生有机酸、荚膜多糖等代谢产物，破坏硅铝酸盐的晶格结构、难溶性磷化合物等，分解释放出可溶的磷钾元素及钙、硫、镁、铁、锌、钼、锰等中微量元素，既增进了土壤肥力，又为作物提供了可吸收利用的营养元素，同时产生赤霉素、细胞激动素、微生物酶、细菌多糖等生理活性物质，促进作物营养吸收和生长代谢。

胶质芽孢杆菌菌落（左）和显微镜下细胞形态（右）照片 形态特征：胶质芽孢杆菌为革兰氏阳性杆菌，两端钝圆，直径1.0-1.2µm，长约2.5µm，菌体周围有厚荚膜层。芽孢呈椭圆形，中生或近端生。在培养基上菌落呈浑浊半透明状，中央有肉眼可见白色菌团，圆形凸起，边缘整齐且表面光滑，菌落粘稠。 胶质芽孢杆菌菌落（左）和显微镜下细胞形态（右）照片

解淀粉芽孢杆菌——抗病菌 解淀粉芽孢杆菌是一种与枯草芽孢杆菌亲缘性很高的细菌，该菌在自身生长过程中可以产生大量代谢产物，起到抑制真菌和细菌的活性，对于尖孢镰刀菌、草莓蛇眼病菌、黑曲霉、灰葡萄孢、辣椒疫霉等作物病原菌具有很强的拮抗能力，施用后可以起到很好的生防效果。

解淀粉芽孢杆菌菌落（左）和显微镜下细胞形态（右）照片 形态特征：解淀粉芽孢杆菌属于革兰氏阳性芽孢杆菌，两端钝圆，直径1.2-1.5µm，长约2.0-4.0µm。芽孢中生或次端生，椭圆形。在营养培养基上单菌落近似圆形，边缘不规则，表面褶皱不透明，干燥，呈浅黄色。 解淀粉芽孢杆菌菌落（左）和显微镜下细胞形态（右）照片

Baclicus lincheniformis Bacillus mucilaginosus 常用农用益生芽孢杆菌菌种 枯草芽孢杆菌 Bacillus. subtilis 地衣芽孢杆菌 Baclicus lincheniformis 巨大芽孢杆菌 Bacillus megaterium 胶质芽孢杆菌 Bacillus mucilaginosus

地衣芽孢杆菌 Baclicus lincheniformis 巨大芽孢杆菌 Bacillus megaterium

四、芽孢杆菌发酵产品在医药行业中的应用 随着医学技术的发展，芽孢杆菌逐渐被应用到医学上。活菌制剂是根据微生态学原理，利用对人体无害甚至有益活菌来拮抗外籍菌或过盛菌，通过生物拮抗作用来达到防治疾病和提高健康水平为目的的生物制剂。目前主要应用的芽孢杆菌活菌制剂有蜡样芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌等。

枯草芽孢杆菌可能将成为新型的药物或蛋白载体，可利用芽孢表面展示技术研制重组外源抗原疫苗。纳豆枯草芽孢杆菌产生的纳豆激酶能直接作用于纤维蛋白，激活体内的纤溶酶原，从而表现出很强的溶血作用。

蜡状芽孢杆菌可以降解Hb 。凝结芽孢杆菌TQ33在乳酸发酵过程中能产生抑菌物质，这种抑菌物质的产生与培养基的组成有密切关系，同时通过对该抑菌的分离和提取，以及其理化性质和抑菌谱的测定，发现这种抑菌物质对酸、热和蛋白酶稳定，对碱敏感，能抑制常见的肠道病原菌。若将凝结芽孢杆菌TQ33加入到食品中对胃肠功能会有明显的调理作用,对人的身体健康有重要意义。