李亞丹，郭義東，劉逆夫，李三新，鄒 亮，龔 云

（1.株洲千金藥業(yè)股份有限公司，湖南株洲412007；2.四川抗菌素工業(yè)研究所，四川成都610051；3.成都大學(xué)生物產(chǎn)業(yè)學(xué)院，四川成都610106）

隨著人們對化學(xué)藥毒副作用認(rèn)識的加深以及“治未病”理念的逐步形成，具有悠久歷史的中藥產(chǎn)品備受矚目。隨著市場需求量的不斷上升，中藥材加工產(chǎn)生的中藥藥渣也越來越多，如何合理處理這些藥渣成為亟待解決的問題。

中藥藥渣成分以植物根莖組織為主，含有植物纖維、蛋白質(zhì)、多糖和殘留的藥物成分。而植物纖維含有大量纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和果膠等成分，從而使得中藥藥渣難于被降解利用。近年來，以高產(chǎn)纖維素酶菌株的選育、纖維素酶合成的調(diào)控、復(fù)合纖維素酶降解機制以及單一或復(fù)合纖維素降解菌的應(yīng)用為研究方向的課題都取得了很大的進展［1］。目前，雖然已經(jīng)獲得了一批具有纖維素降解能力的菌種，但由于大部分菌種產(chǎn)生的酶受到纖維素分解產(chǎn)物的抑制作用以及培養(yǎng)過程中培養(yǎng)液pH 值過低抑制降解菌生長等問題，要依靠某一菌種徹底實現(xiàn)纖維素類物質(zhì)的轉(zhuǎn)化利用，仍然存在極大的難度［2］。因此，依靠微生物復(fù)合菌群的聯(lián)合降解作用，有望實現(xiàn)纖維素類物質(zhì)的降解利用。

鑒于此，作者對微生物復(fù)合菌群的來源及組成進行了簡單介紹，并對微生物復(fù)合菌群的協(xié)同作用機理進行了討論。

1 微生物復(fù)合菌群的來源及組成

獲得降解木質(zhì)纖維素的微生物復(fù)合菌群的方法主要有兩種：從自然界中直接篩選、針對性選擇某些功能菌株進行重新組合。

1.1 從自然界中直接篩選

直接從自然環(huán)境中篩選功能菌群的優(yōu)勢在于：能保持自然界中菌群成員之間的協(xié)同關(guān)系，有利于獲得穩(wěn)定的木質(zhì)纖維素降解復(fù)合菌群。針對天然木質(zhì)纖維素降解過程中材料去木質(zhì)素化問題，目前已發(fā)現(xiàn)了一類特殊厭氧環(huán)境下的微生物菌群——白蟻腸道微生物［3－4］。白蟻腸道內(nèi)存在多種具有木質(zhì)纖維素降解能力的厭氧細(xì)菌和厭氧真菌，可以產(chǎn)生多種纖維素降解酶和半纖維素降解酶，雖然目前還未發(fā)現(xiàn)這類微生物能產(chǎn)生針對木質(zhì)素的降解酶，但白蟻腸道內(nèi)的雞樅菌（Termitomyces）卻發(fā)揮了“梳子”的作用，通過菌絲生長來破壞降解底物的木質(zhì)素保護，將木質(zhì)素“松動”“預(yù)處理”后，暴露出材料的纖維素和半纖維素，使材料更容易被腸道內(nèi)其它微生物產(chǎn)生的復(fù)合酶系高效降解［3，5］。

從其它自然環(huán)境體系中篩選具有木質(zhì)纖維素降解能力復(fù)合菌群的研究報道層出不窮［6－8］。潘虎等［9］研究了紅樹林根際土壤中微生物菌群，從中篩選得到纖維素降解復(fù)合菌群，包含8個屬的好氧性細(xì)菌和3個屬的真菌；Feng等［10］從土壤中富集到木質(zhì)纖維素降解細(xì)菌菌群，包含瘡皰丙酸桿菌（Propionibacterium acnes）、梭菌屬細(xì)菌（Clostridiumsp.）、未培養(yǎng)厚壁菌門細(xì)菌（unculturedFirmicutes）、未培養(yǎng)β－變形桿菌（unculturedBetaproteobacterium）、泛桿菌屬細(xì)菌（Pantoeasp.）等6種細(xì)菌，以該菌群作用于玉米秸稈粉末，發(fā)現(xiàn)該復(fù)合菌群培養(yǎng)8d可降解51%的玉米秸稈粉末，主產(chǎn)物為醋酸；崔宗均等［11］以4種堆肥樣品為對象，篩選到4組纖維素降解復(fù)合菌群，后通過酸堿反應(yīng)互補原則馴化出復(fù)合菌系MC1，纖維素降解能力強且十分穩(wěn)定；Wang等［12］從腐熟堆肥中分離到了包括9種菌在內(nèi)的復(fù)合菌群，50 ℃培養(yǎng)3d可降解99%的濾紙、77%的棉花和81%的水稻秸稈。

1.2 針對性選擇某些功能菌株進行重新組合

陳耀寧［13］研究發(fā)現(xiàn)，將一株黃孢原毛平革菌（Phanerochaetechrysosporium）和一株岐皺青霉菌（Penicilliumsteckii）混合培養(yǎng)可提高降解體系中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的降解率，分別比二者純培養(yǎng)體系提高52.7%、53.1%和54.9%；黃茜等［14］利用白腐真菌中木質(zhì)素降解能力較強的平菇HF（Pleurotus ostreatus）與纖維素降解能力較強的康氏木霉（Trichodermakoningii）混合發(fā)酵小麥秸稈，發(fā)現(xiàn)混合發(fā)酵的效果均優(yōu)于單獨發(fā)酵；Muhammad等［15］將綠色木霉（Trichodermaviride）MSK－10與黑曲霉（Aspergillus niger）MSK－7混合培養(yǎng)，培養(yǎng)基中各種酶的含量較單獨培養(yǎng)增加了30%～50%。

通過上述研究不難發(fā)現(xiàn)，具有較強纖維素、半纖維素降解作用的細(xì)菌多為嚴(yán)格厭氧的梭桿菌屬Clostridiumsp.［16－17］，另外，嚴(yán)格厭氧菌擬桿菌屬Bacteriodessp.也是公認(rèn)的纖維素降解菌［18－20］，真菌中白腐真菌、木霉、曲霉中的一些種類也能分泌多種木質(zhì)纖維素降解酶。

2 微生物復(fù)合菌群的協(xié)同作用機理

微生物復(fù)合菌群之所以能夠穩(wěn)定傳代并保持功能不變，是因為復(fù)合菌群成員間以一種互相影響、互相制衡的方式穩(wěn)定共存［21］。以往對復(fù)合菌群的研究主要著眼于微生物的代謝產(chǎn)物對整個體系的影響，對復(fù)合菌群成員協(xié)同關(guān)系研究相對較少，因此，深入研究復(fù)合菌群成員之間的相互影響（如菌群成員之間存在的互養(yǎng)關(guān)系、對營養(yǎng)成分的競爭關(guān)系以及某一種微生物對其它成員產(chǎn)生一定程度的促進作用或抑制作用）、綜合把握復(fù)合菌群的特點有助于更好地利用復(fù)合菌群。

Kato等［22］從堆肥中篩選出一組具有纖維素降解能力的細(xì)菌，經(jīng)鑒定其中包括具有降解纖維素能力的厭氧細(xì)菌S（ClostridiumstraminisolvensCSK1），具有利用多糖能力的F（Clostridiumsp.FG4），可利用多肽、醋酸鹽的好氧菌1－3（Pseudoxanthomonassp.M1－3），可利用多肽、葡萄糖、乙醇的好氧菌1－5（Brevibacillussp.M1－5）等4種菌。為了更進一步探討各菌株間的相互作用關(guān)系，將各菌株過濾后的培養(yǎng)液加入其它3種菌單一或兩兩組合或3種菌混合的培養(yǎng)基中，通過綜合分析各種菌在培養(yǎng)過程中的數(shù)量動態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)菌株S依賴于菌株1－5而存在，而菌株1－5又受到菌株1－3的負(fù)調(diào)節(jié)，菌株F 又會抑制菌株1－3的生長。因此，菌株F 對菌株1－5具有非直接的促進作用，同樣就促進了菌株S的生長，這種復(fù)合菌群間的相互影響，尤其是非直接作用的存在，維持了復(fù)合菌群的穩(wěn)定傳代。

Kato等［23］還篩選到一組纖維素降解復(fù)合菌群SF356，經(jīng)鑒定其中包含5種細(xì)菌，分別為Clostridium straminisolvensCSK1（厭氧纖維素降解菌）、Clostridiumsp.FG4（厭氧非纖維素降解菌）、Pseudoxanthomonassp.M1－3（兼性厭氧菌）、Brevibacillussp.M1－5（好氧菌）、Bordetellasp.M1－6（好氧菌）。采用依次培養(yǎng)減少某一種菌種的方法，研究種類減少后的復(fù)合菌群發(fā)酵產(chǎn)物種類、各種菌的生長速率、發(fā)酵產(chǎn)酶情況以及對底物的降解作用，綜合分析復(fù)合菌群成員之間的協(xié)同作用和對整個體系的作用，發(fā)現(xiàn)CSK1為纖維素降解菌，刪除了CSK1 后復(fù)合菌群中的FG4、M1－5、M1－3也會依次消失，說明后三者依賴于纖維素的降解才能生長；M1－5不能利用纖維素而只能利用葡萄糖為發(fā)酵底物，而FG4可實現(xiàn)多糖降解為葡萄糖的過程，從而維持了M1－5的生長；M1－6不受纖維素降解的制約，但受到M1－5的抑制作用，正是這一作用使得整個體系中各種菌的數(shù)量比例穩(wěn)定，未呈現(xiàn)出M1－6的絕對優(yōu)勢；M1－3、M1－5、M1－6在發(fā)酵過程中起到消耗氧氣、調(diào)節(jié)pH 值的作用。

3 結(jié)語

通過微生物復(fù)合菌群的協(xié)同作用而實現(xiàn)的木質(zhì)纖維素的降解是完成地球生物圈碳循環(huán)的基礎(chǔ)，也是成功實現(xiàn)生物質(zhì)能源開發(fā)的必經(jīng)步驟［24］。微生物種群的多樣性影響系統(tǒng)功能［25－26］。深入研究不同菌種間的協(xié)同作用，探明微生物復(fù)合菌群各成員在發(fā)酵反應(yīng)全過程中的作用，結(jié)合分子生物學(xué)技術(shù)闡明菌群成員在降解過程中的動態(tài)變化，都將為高效降解木質(zhì)纖維素復(fù)合菌群的選育、優(yōu)化提供有力支持。另外，利用分子生物學(xué)技術(shù)對纖維素酶編碼基因進行改造、調(diào)控或修飾操縱基因達到減弱底物抑制作用是當(dāng)前提高纖維素降解菌產(chǎn)酶量和促進酶活力的有效方法［27－30］。

微生物復(fù)合菌群的培養(yǎng)已在實際應(yīng)用方面進行了有效的嘗試［31－32］，今后關(guān)于復(fù)合菌群中各菌種之間的相互作用以及對木質(zhì)纖維素聯(lián)合降解作用的研究將有助于更好地認(rèn)識并利用這類復(fù)雜的微生物體系。利用微生物復(fù)合菌群聯(lián)合降解中藥藥渣，可將木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為小分子的單糖，釋放出中藥藥渣中的藥物活性物質(zhì)，產(chǎn)生的豐富代謝產(chǎn)物對動植物生長發(fā)育具有一定的促進作用。因此，微生物復(fù)合菌群聯(lián)合降解中藥藥渣有助于實現(xiàn)中藥藥渣的循環(huán)利用，是減輕環(huán)境污染、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的創(chuàng)新技術(shù)。

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