纖維素分解功能菌及其在草業系統界面中的利用潛勢

蘆光新，陳秀蓉，楊成德，薛 莉，賈 輝，王 艷

(1.甘肅農業大學草業學院 草業生態系統教育部重點實驗室 中-美草地畜牧業可持續發展研究中心，甘肅 蘭州 730070；2.青海大學農牧學院草業科學系，青海 西寧 810016)

承受人口增長、能源短缺、環境劣變的巨大壓力，世界各國不得不依然承擔發展經濟和保護環境的雙重使命。隨著能源危機和環境污染的不斷加劇，生物質能源將逐漸成為全球主導性的、清潔的、可再生替代能源[1]。纖維素類物質是其中一類在自然界中分布最廣、數量最大的可再生性生物質資源[2]，如何合理開發和利用生物質資源，依然是提升經濟發展速度和改善環境品質等方面急需亟待解決的課題。

人們對農業生態系統中微生物功能群及其生態系統功能早有成熟的認識[3]，所謂的功能群是物質流中具有特定生物學功能的微生物集合體[4]。在草地農業生態系統中，纖維素分解功能菌是其中的一大類重要功能群資源。從不同層面上認識纖維素分解功能菌資源及其生態服務功能，必將對草地農業生態系統產生重大而深遠的意義。

系統學和自組織發生理論為草地發生學和草業科學的發生、發展具有重要的指導意義[5]，草業系統界面的研究為草業科學建立了新的方法論，為草業生產打開了系統耦合的廣闊前景[6]。以草業系統界面論為理論依據，從界面的層次認識纖維素分解功能菌資源在草業系統中的利用潛勢，對于理解草地農業生態系統的可持續發展的議題具有積極的意義。

1 草業系統的3個界面

2007年，任繼周先生提出了草業科學的3個界面,即草叢-地境界面(A)、草地-動物界面(B) 和草畜-經營管理界面(C),將草業4個生產層(前植物生產層、植物生產層、動物生產層、后生物生產層)連綴而成完整的草業系統[6]。草業系統的界面論促進了草地系統論的延伸和發展，進一步完善了草業科學的理論。

2 纖維素分解功能菌資源

2.1纖維素分解功能菌的物種資源 細菌、真菌和放線菌都具有纖維素分解能力[7],但研究報道主要集中于真菌及部分細菌[8]。真菌被認為是對纖維素分解能力較強的微生物資源[9]，到目前為止，報道具有纖維素降解能力的真菌主要有以下一些菌:曲霉(Aspergillus)、青霉(Penicillium)、葡萄狀穗霉(Stachybotrys)、毛殼霉(Chaetomium)、木霉(Trichoderma)、葡萄孢霉(Botrytis)、褐腐菌(brown rot fungi)等[10]。通過不斷努力，國內外學者[11-16]已經從土壤、溫泉、油井、堆肥、朽木、反芻動物體內、農作物秸稈、動物腸道、城市垃圾等不同環境中做了大量的纖維素分解菌的分離和篩選工作，并且分離篩選到了種類比較多的分解纖維素的菌株，從特殊生境及地域性方面，極大地豐富了纖維素分解功能菌物種資源。

2.2微生物分泌纖維素酶資源 土壤微生物是維持生態系統平衡重要的組成部分[17]，在自然界營養元素的生物地球化學循環中扮演著重要的角色[18]。研究證實，纖維素分解菌是自然物質循環不可缺少的成員，擔負著分解動植物殘體的重要作用，尤其是分泌一些纖維素分解酶類物質[19]，在生態系統碳素循環中發揮著重要作用[20]。

纖維素酶是一組能夠降解纖維素生成葡萄糖的酶的總稱，一般一個纖維素酶中有十幾到幾十個組分，這些組分可分為3類[21]：葡聚糖內切酶(endoglucanases,EG)，能在纖維素分子的內部任意斷裂β-1,4-糖苷鍵；葡聚糖外切酶或纖維二糖水解酶(exoglucanses or cellobiohydrolases，CBH)，能從纖維素分子的非還原端依次裂解β-1,4-糖苷鍵，釋放出纖維二糖分子；β-葡萄糖苷酶(β-glucosidases，BG)，能將纖維二糖及其他低分子纖維糊精分解為葡萄糖。在纖維素酶水解纖維素的過程中，目前普遍認為是纖維素酶3種組分協同作用的結果[22]。

纖維素酶廣泛存在于自然界的生物體中，細菌、真菌、動物體內等都能產生纖維素酶[23]。一般用于生產的纖維素酶來自于真菌，比較典型的有木霉屬、曲霉屬和青霉屬。木霉屬真菌及其近緣菌株是目前公認的較好的纖維素酶生產菌[24]。不同微生物合成的纖維素酶在組成上有顯著的差異，同種微生物一般也不會只合成一種纖維素酶組分。纖維素酶在類型、性質、數量以及品質等各方面均呈現出誘人的前景，隨著人們對微生物酶認識的不斷深入，自然界中越來越多的纖維素酶會被合理地開發和利用。

2.3纖維素酶基因資源 20世紀70年代末就開始了纖維素酶基因的克隆[25]?，F已從80多種細菌和數種真菌中克隆到了80 余個纖維素酶基因并被測序，并且幾乎所有已克隆的纖維素酶基因都已在大腸桿菌(Escherichiacoli)中表達[26]。研究發現，絲狀真菌木霉屬真菌的纖維素分解酶系較全，并且產生的量大。因此，近十幾年來對真菌木霉屬纖維素酶基因做了大量的研究，并測定了這些基因的核苷酸序列。研究報道，僅僅從瑞氏木霉(T.reesei)中就克隆出了8個纖維素酶基因，包括編碼纖維二糖水解酶的cbh1、cbh2和編碼內切葡聚糖酶的egl1、egl2、egl3、egl4和egl5[27]，以及編碼β-葡萄糖苷酶的bgl4 和它的類似物bgl2(兩者有73.1%的同源性)[28]?？梢钥闯觯w維素酶基因資源非常豐富。

研究表明，目前土壤中僅有0.1%～1.0%的微生物已培養，還有相當多的微生物因為無法培養而未被人類所認識[29],這暗示其中蘊含著大量未知的遺傳信息，它們所包含的大量的遺傳信息是一筆無法估計的財富。隨著微生物群落基因組學和相關的分子生物學手段的逐漸展開，相信大量的功能基因會被發掘?？寺±w維素酶基因有利于研究纖維素酶基因的多樣性，也有利于高效纖維素酶基因工程菌的構建。從未培養的微生物中克隆新的纖維素分解酶基因，獲取功能更強、結構更新的基因及基因家族，將會成為一大研究熱點領域。

3 纖維素分解功能菌在草業系統界面中的利用潛勢分析

纖維素分解功能菌是草地生態系統中的分解者，在生態系統物質循環、能量流動、信息傳遞中發揮著重要作用。來自于草地生態系統的纖維素分解功能菌，在系統及系統外延形成的不同界面中，同樣具有它固有的屬性和功能，并且同樣會發揮它的價值，甚至比外來元素的貢獻力大，這符合邏輯和辯證關系、生態學的規律。因此，具有纖維素分解功能的微生物自身的強大功能將會在草業系統界面中發揮它的巨大潛力。

3.1草叢-地境界面(A)和土壤有機質分解、資源循環利用及環境保護 草叢-地境界面是草業系統中最基本的界面，反映草地發生學機理，如草地土壤結構、營養元素、水鹽動態、土壤微生物等組分的結構、功能；它們與植物互作及反饋機制；草地系統中碳素循環的源與匯的動態等[6]。認識和了解纖維素分解功能微生物與草叢-地境界面的相互關系，至少對促進纖維素分解功能微生物在草地生態系統中土壤有機質的分解、轉化和實現人類居住環境中生活垃圾的清潔兩方面具有積極意義。

草原土壤中有機質積累的主要原因是冷季長，氣溫低，微生物處于休眠或半休眠狀態，分解有機質能力弱[30]。研究表明, 纖維素分子的連接鍵在25 ℃下半衰期是5～8 百萬年[31],Hankin和Anagnostakis[32]認為有機質在自然狀態下極難分解。對于地處青藏高原的高寒草地生態系統可能已經儲存了上千年的有機碳的分解過程，日益成為各國科學家研究的熱點。因此，有學者提出了篩選分解有機質能力強的偏低溫型有益纖維分解菌，制成菌劑施入草原土壤中，促進有機質分解的科研思路[30]。因此，纖維素分解功能菌資源研究和開發工作任重而道遠，尚需進一步加強。

有些區域性的草地農業生態系統(如青藏高原高寒草地生態系統)主要以自然農業生態為主導，是世界環境組織公認的“環境污染最輕的區域”。近年來，隨著生態移民、定居工程、易地扶貧搬遷等項目的實施，原來的分散居住方式轉變為聚集居住方式，日常生活產生的城市垃圾及生活廢棄物變成了居住環境中的主要污染物之一，由此帶來的環境污染和人類聚居狀況惡化等問題，已成為人們共同關注的問題。到目前為止，依靠自然界廣泛分布的微生物的作用，采用生物處理技術進行生活垃圾處理的研究已經起步[33-34]。具有對垃圾降解能力的大部分微生物可以分解纖維素。因此，纖維素分解菌資源在人居環境生活垃圾的處理方面具有一定的應用和發展潛力。

另外，畜禽糞便的處理問題長期困擾著養殖業的發展[35-37]，畜禽糞便需長期堆積才能腐爛，造成大量病原菌、病蟲害繁殖傳播,尤其是人畜共患病由蚊子、蒼蠅等生物的傳播嚴重危害人類健康，同時還會造成大量碳素營養流失于“土壤-植物”系統之外。利用纖維素分解菌資源，如何將富含木質纖維素類有機廢棄物無害化、資源化處理是實現環境保護和資源循環利用的重要課題。

3.2草地-動物界面(B)和系統相悖孕育緩解草畜矛盾的潛勢 草原是以土-草-畜為主體構成的一個相對獨立的生態系統，土、草、畜3個子系統之間相互獨立，相互統一，維持整個草地農業生態系統的有機協調發展。

草地農業生態系統中客觀存在子系統相悖理論分析了在草地子系統和動物子系統間固有的系統性的不協調因素群[38]。任繼周等[6]認為，草地子系統和動物子系統的相悖集中體現在3個方面：時間性系統相悖、空間性系統相悖和種間性系統相悖[6]。正是因為系統間的相悖，草畜矛盾日益尖銳成為了一個阻礙草業系統可持續發展的最實際、最根本的問題。近年來實施的“休牧、禁牧、草畜平衡”等制度的執行，極大地拉動了飼草料的需求量；在牧區，牲畜承包到戶之后，牲畜數量猛增，草地退化面積大幅度的增長，打破了土-草-畜三位一體的生態平衡。究其原因，家畜對牧草的需求越來越迫切，但草地的供給能力不斷下降, 仍然存在一個潛在的問題，就是對牧草的開發利用的力度不夠。萬里強等[39]認為，系統相悖既是系統耦合的障礙，也是有待克服、解放系統耦合生產潛力的關鍵。系統相悖導致系統耦合的不完善運行，但任何形式的系統相悖都有可能同時孕育生產潛勢和機遇。我國草原資源豐富，牧草種類繁多，但有些根莖植物資源，如芨芨草(Achnatherumsplendens)，其小莖和葉可以作為牲畜草料，具有一定的飼用價值[40-41]，但成熟后適口性較差，需要加工調制才能作為飼草飼料。有研究報道通過化學處理方法可以提高芨芨草的飼用價值[42-44]，但沒有采用微生物技術處理的相關研究。因此，利用具有對天然纖維素強分解能力的微生物資源，對纖維素含量高而不宜家畜采食的牧草進行加工和處理，對緩解草畜矛盾具有積極的意義。

3.3草畜-經營管理界面(C)和家畜-作物系統深度耦合及可持續發展 草地農業的發展經歷了原始游牧、傳統農業和現代農業3個主要發展階段。隨著可持續發展思想的提出，草地農業可持續發展已成為國內外共同關注的問題。在草業生產經營過程中，通過人類的生產經營活動，在草地生態系統與社會系統(人類活動) 之間架起經常暢通的橋梁，通過資源-技術加工-經營管理-市場調控-市場分配一系列渠道，進行宏觀調控和產業化經營，追求更高的能量轉化效率、效益與環境效應。這是現代草業科學可持續發展的集中體現，也是草畜-經營管理界面(C)的主要內涵[45]。

在草地農業生態系統的家畜-作物系統耦合過程中，家畜急需牧草或飼料作物，而浪費農作物秸稈，兩個子系統間實際存在的矛盾很難統一。這種生產模式自然而然成為阻礙草業經濟發展的重要因素，也是草地生產系統封閉性與以系統耦合為特征的開放性之間存在尖銳矛盾的外在表現。這就是人類農業生產長期以來以利用動植物資源為主,而在微生物資源利用方面未能得到大力發展的結果。統計資料顯示[46]，我國每年產生的秸稈總量約7億t，目前已有的利用途徑有：秸稈還田(約占20%)，能源(沼氣、發電、固體燃料棒，占15%～20%)，建筑材料、造紙原料和各種添加劑等(約占15%)。尚有占總量一半的秸稈未找到出路，政府部門也希望通過非傳統的農業方法來解決家畜養殖中的飼料來源問題，緩沖和解決草畜矛盾的根本問題。

到目前為止，農作物秸稈的各種處理和利用技術在成熟性和經濟性方面尚有差距，相當一部分被焚燒或廢棄，但難以被大量利用，由此形成的資源浪費和環境污染問題已經相當嚴重[47]。油菜(Brassicacampestris)秸稈屬于一種豐富的農業副產資源，已有的研究發現，油菜秸稈是高蛋白、高脂肪的優質粗飼料。油菜秸稈粗脂肪、粗蛋白的含量總和明顯高于小麥(Triticumaestivum)秸、玉米(Zeamays)秸和豆(Viciafaba)秸，應具有較高的草食及雜食動物飼用價值[48]。關于油菜秸稈的飼料利用方面的研究報道較多，宋新南等[49]對油菜秸稈資源化利用技術進行了綜述研究，認為油菜秸稈作為飼料利用具有較大的動物營養價值和經濟價值，但由于油菜秸稈化學成分、物理性狀和動物適口性方面的局限性，以及油菜秸稈各部分的性質差異很大，并不能夠簡單、全部、直接地利用。因此，在草地和農業生態系統耦合過程中，利用纖維素功能菌資源，采用相應的微生物技術，盡快研發大規模、工業化和經濟合理的農作物秸稈資源化技術是亟待人們急需解決的一項重要課題。

4 纖維素分解功能菌在草業系統中的幾個研究方向

盡管前人對纖維素分解菌資源做了大量的研究，但是鑒于微生物的物種多樣性和不同環境中的空間分布的差異，還有許多纖維素分解功能微生物資源有待于人們去研究和開發，以便更好地利用自然賜予人們的資源。界面的理論孕育了現代草業科學的生長點[6]，拓寬了視角，為進一步認識纖維素分解功能菌在草業系統界面中的利用價值和潛力，提供了有力的理論依據。因此，為促進草地農業生態系統資源與環境的可持續發展，可以繼續開展如下幾個方面的研究：1)進一步研究草地農業生態系統中纖維素分解菌群落結構特征和優良菌株的篩選，進而探索微生物多樣性與生態系統服務功能之間的關系。另外，纖維素分解菌資源在碳素循環中和實現環境保護及資源循環利用中意義重大。2)應用一系列相應的微生物生物處理技術，對纖維素含量較高不宜家畜采食的牧草進行微生物生物發酵處理，提高營養價值，緩解草地的載畜壓力，恢復和保護草地生態環境。3)利用高產纖維素酶活性的微生物種類，進行秸稈的處理和資源化利用，深度開發和合理利用當地飼料資源，普及資源高效轉化和循環利用技術體系，通過非傳統的農業方法來解決家畜養殖中的飼料來源問題。

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