纖維素降解菌株性能優(yōu)化及其資源化利用

摘"" 要：纖維素是自然界中儲(chǔ)量最豐富的可再生資源之一，但由于其分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常難以被自然降解，這導(dǎo)致纖維素的綜合利用效率低下，造成資源浪費(fèi)。為應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的能源和環(huán)境問(wèn)題，相比于傳統(tǒng)的物理和化學(xué)降解方法，利用微生物技術(shù)篩選出具有高酶活性和強(qiáng)降解能力的纖維素降解菌進(jìn)行生物降解，成為實(shí)現(xiàn)纖維素資源化的重要途徑。從纖維素的結(jié)構(gòu)、降解方法及機(jī)制、纖維素降解菌的種類及菌株降解性能的提升等方面，概述了纖維素降解菌的研究進(jìn)展。針對(duì)目前降解菌株廣泛應(yīng)用中的技術(shù)瓶頸，提出了解決方案和研究重點(diǎn)，為纖維素降解菌的探索與應(yīng)用提供了新的方向和理論依據(jù)。

關(guān) 鍵 詞：纖維素降解菌； 纖維素分子； 降解方法； 酶活力； 復(fù)合菌系

中圖分類號(hào)：O343.1;O341""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Optimization of cellulose-degrading bacterial strain performance and its resource utilization

Abstract： Cellulose is one of the most abundant renewable resources in nature， but due to its complex molecular structure， it is usually difficult to be naturally degraded， which leads to the inefficiency of comprehensive utilization of cellulose， resulting in the waste of resources. In order to cope with the increasingly serious energy and environmental problems， compared with the traditional physical and chemical degradation methods， the use of microbial technolorgy" to screen cellulose-degrading bacteria with high enzyme activity and strong degradation ability for biodegradation has become an important way to realize cellulose resourcefulness. In this paper， the research progress of cellulose degrading bacteria is outlined from the structure of cellulose， degradation methods and mechanisms， species of cellulose degrading bacteria， and the enhancement of the degradation performance of the strains. Solutions and research priorities are proposed for the technical bottlenecks in the current widespread application of degrading bacteria strains， providing a new direction and theoretical basis for the exploration and application of cellulose degrading bacteria.

Key words： cellulose-degrading bacteria; cellulose molecules; degradation methods; enzyme activity; composite systems

纖維素是自然界存在最廣泛的可再生能源，可廣泛用于食品、畜牧業(yè)、醫(yī)藥、紡織業(yè)、生物能源等領(lǐng)域，但如此豐富的資源利用率卻很低。據(jù)《全國(guó)農(nóng)作物秸稈綜合利用情況報(bào)告》顯示［1］，2021年我國(guó)農(nóng)業(yè)秸稈產(chǎn)量約為7.34億t，其中0.87億t的秸稈未被利用，占總秸稈資源的11.9%。在我國(guó)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，每年可以產(chǎn)生幾百萬(wàn)噸的植物秸稈和纖維素廢棄物，秸稈中纖維素與半纖維素及木質(zhì)素等物質(zhì)所組成的復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)使其通常很難被自然降解，導(dǎo)致纖維素資源很難有效地被分解利用，有很大一部分被燒毀或者廢棄，造成纖維素資源的浪費(fèi)。如何高效合理地利用纖維素資源是當(dāng)前社會(huì)廣為關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。采用生物方法降解纖維素可以使纖維素酶在纖維素分子結(jié)構(gòu)內(nèi)部水解糖苷鍵，破壞其復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到降解效果。纖維素酶主要靠纖維素降解菌株產(chǎn)生，因而如何選擇一種具有較好活性且具有可高產(chǎn)纖維素酶的菌株也是其中的關(guān)鍵。本文綜述了纖維素降解菌的研究狀況。

1 纖維素概述

1.1 纖維素的基本結(jié)構(gòu)

纖維素分子是由多個(gè)D-葡萄糖組成、通過(guò)β-1，4糖苷鍵相連的線性長(zhǎng)鏈聚合物，主要包括碳、氫、氧3種元素，其中碳和氧2種元素含量較高，其分子式為（C6H10O5）n，n代表葡萄糖苷的聚合程度。纖維素的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與D-葡萄糖的聚合程度有很大關(guān)系，D-葡萄糖的聚合程度越高，n越大，其分子鏈越長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)越緊密，化學(xué)性能越穩(wěn)定。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者將纖維素的結(jié)構(gòu)理論命名為結(jié)晶區(qū)無(wú)定形區(qū)兩相共存理論［2］，該理論的核心是：纖維素分子內(nèi)部及分子之間存在大量的氫鍵，這些氫鍵使纖維素分子易于相互結(jié)合，形成一種微晶或膠束狀結(jié)構(gòu)，即由多個(gè)大分子高度聚合而成的超分子結(jié)構(gòu)［3］；每一大類大分子之間都存在著各種形態(tài)的結(jié)合，其中既有高度有序的結(jié)晶區(qū)，也有較疏松的無(wú)定形區(qū)，甚至有一些聚集成一團(tuán)，比較規(guī)整地排列，構(gòu)成結(jié)晶區(qū)，而一些松散堆積而成的無(wú)定形區(qū)，其結(jié)晶性很差，大部分區(qū)域是裸露的，局部是無(wú)序松散的，這2個(gè)部分區(qū)域在纖維素結(jié)構(gòu)中交替出現(xiàn)，沒(méi)有明確的邊界［4］。纖維素分子內(nèi)形成的氫鍵導(dǎo)致各個(gè)D-葡萄糖小分子之間的β-1，4糖苷鍵不能旋轉(zhuǎn)，同時(shí)由于纖維素結(jié)構(gòu)中存在的結(jié)晶區(qū)-無(wú)定形區(qū)交替連接的特殊結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)了纖維素分子鏈的線性完整性和剛性，極大地增強(qiáng)了纖維素結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性［5］。纖維素在室溫下既不能溶解于水，也不能溶解于酸、堿、乙醇等普通有機(jī)溶劑，分子內(nèi)部大量的親水官能團(tuán)也阻礙纖維素降解反應(yīng)的進(jìn)行。同時(shí)在纖維素結(jié)晶區(qū)，由于其分子結(jié)構(gòu)有序，各原子間的相對(duì)位置穩(wěn)定不變，內(nèi)部各分子結(jié)合非常緊密，形成相對(duì)牢固的總體結(jié)構(gòu)，阻擋一些大分子（包括酶分子和水分子）進(jìn)入其分子內(nèi)部，從而造成了纖維素酶解的困難，但是無(wú)定形區(qū)的纖維結(jié)晶性較差，多數(shù)為外露，局部為無(wú)序疏松，易被降解［2］。此外，結(jié)晶區(qū)到無(wú)定形區(qū)并沒(méi)有嚴(yán)格的邊界，而且在二者的過(guò)渡地帶，還會(huì)出現(xiàn)諸如微細(xì)纖維結(jié)、表面微孔等多種不規(guī)則結(jié)構(gòu)，能為纖維素酶等大分子提供通道，從而在一定程度上促進(jìn)了纖維素的降解。

1.2 纖維素降解方法

纖維素在人類生產(chǎn)活動(dòng)中起著重要的作用［6］。纖維素內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性導(dǎo)致其資源利用率低，若將其直接焚燒，會(huì)造成嚴(yán)重的空氣污染，危害環(huán)境。因此，高效利用纖維素是目前研究的熱點(diǎn)。當(dāng)前對(duì)纖維素的降解方法有物理、化學(xué)和生物方法3種（表1），與費(fèi)時(shí)費(fèi)力、不環(huán)保、成本還高的物理機(jī)械降解和化學(xué)降解相比，生物方法降解無(wú)疑是最高效、最節(jié)省、環(huán)保的方法，因而如何高效地利用具有降解纖維素能力和產(chǎn)纖維素酶的菌株這一問(wèn)題受到科學(xué)界越來(lái)越多的重視。

1.3 纖維素降解機(jī)理

自1906年Seilliere在蝸牛的消化液中發(fā)現(xiàn)纖維素酶后，關(guān)于纖維素酶的研究與應(yīng)用引起了許多學(xué)者的重視。纖維素酶是可降解纖維素的一種復(fù)雜酶系的總稱，按其催化作用可分為三大類［15］：1）內(nèi)切β-1，4`葡聚糖酶，隨機(jī)“切割”纖維素分子非結(jié)晶區(qū)的β-1，4-糖苷鍵，產(chǎn)生許多具有非還原末端的纖維素短鏈［16］；2）外切β-1，4-葡聚糖酶，“切割”纖維素短鏈分子末端β-1，4-糖苷鍵，生成單個(gè)的纖維二糖分子［16］；3）β-1，4-葡萄糖苷酶，切割纖維二糖之間的β-1，4-糖苷鍵，分解為單個(gè)的葡萄糖分子［17］。

纖維素的酶解是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，自20世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，提出了C1-CX、順序作用、協(xié)同作用三大假說(shuō)［18］。目前協(xié)同作用假說(shuō)得到了社會(huì)各學(xué)者普遍認(rèn)同，即3種酶協(xié)同作用將長(zhǎng)鏈纖維素完全降解為單個(gè)的葡萄糖，其主要原理：首先，內(nèi)切β-1，4-葡聚糖酶作用于線性長(zhǎng)鏈的纖維素分子無(wú)定形區(qū)，將長(zhǎng)鏈纖維素分子“切割”成不同長(zhǎng)度的短鏈纖維素分子［19］；然后，在外切β-1，4-葡聚糖酶的作用下，短鏈纖維素分子被“切割”成纖維二糖［16］；最后，經(jīng)β-1，4-葡萄糖苷酶識(shí)別并“切割”，將纖維二糖徹底水解為單個(gè)的葡萄糖分子。在整個(gè)酶解反應(yīng)過(guò)程中，作為限速酶的β-1，4-葡萄糖苷酶起著關(guān)鍵作用，可以有效去除反應(yīng)過(guò)程中酶解產(chǎn)物的抑制效應(yīng)，加速酶促反應(yīng)的進(jìn)行［2021］。

2 纖維素降解菌的種類

纖維素降解菌是一類能夠以纖維素為唯一碳源，進(jìn)行有氧或無(wú)氧呼吸作用的特殊微生物，在自然界中廣泛存在，如土壤［22］、腐木［23］、動(dòng)物胃腸道及糞便等［5，24］，纖維素降解菌通過(guò)分泌酶類將纖維素分解成單糖、寡糖或寡聚葡萄糖，再經(jīng)代謝產(chǎn)生多種有機(jī)酸、維生素等物質(zhì)，從而對(duì)環(huán)境起到凈化作用［25］。自然界存在著豐富的纖維素酶資源，細(xì)菌、真菌和放線菌都可以產(chǎn)生纖維素酶，從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，已發(fā)現(xiàn)了上千個(gè)產(chǎn)纖維素酶菌種，涉及53個(gè)屬［26］。

2.1 細(xì)菌

細(xì)菌的大小通常在0.5～3.0μm，其比表面積較大，便于物質(zhì)快速地進(jìn)入細(xì)胞［25］。在降解纖維素的菌群中，細(xì)菌具有許多優(yōu)勢(shì)：數(shù)量比其他菌群多、繁殖周期短、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)，部分芽孢桿菌能產(chǎn)生較厚的孢子，具有抗高溫、輻射及很強(qiáng)的抗菌能力；在低氧、弱堿或中性環(huán)境下，某些纖維素降解細(xì)菌仍能分泌高活力纖維素酶［27］。除了上述的優(yōu)勢(shì)，其不足之處在于細(xì)菌所分泌的纖維素酶通常為胞內(nèi)酶，生成的胞外酶比較少，純化成本比較高。雅男［18］篩選出了1株具有纖維素降解能力、產(chǎn)芽孢且好氧的類芽孢桿菌屬菌株；宋雨等［28］在山西老陳醋源中篩選出3株不同類別的芽胞桿菌屬細(xì)菌，通過(guò)多種菌株復(fù)配獲得一組秸稈纖維素高效降解復(fù)合菌系，對(duì)小麥秸稈的降解率最高可達(dá)27.63%。另有研究表明，假單胞菌屬［5］、枯草桿菌、地衣球菌屬［29］、其諾卡氏菌［30］、假單胞桿菌［31］和瘤胃球菌等對(duì)纖維素也都有較好的降解作用。

2.2 真菌

真菌是工業(yè)中常用來(lái)制備纖維素酶制劑的菌株，它具有分泌纖維素酶系相對(duì)齊全、產(chǎn)酶活性更高的優(yōu)勢(shì)。真菌通過(guò)產(chǎn)生胞外酶和菌絲“機(jī)械穿插作用”，降解木質(zhì)素、半纖維素和纖維素等難降解的有機(jī)物［32］。真菌也具有較明顯的缺點(diǎn)：所產(chǎn)纖維素酶多為酸性，對(duì)環(huán)境的耐受性弱；由于真菌本身的喜溫特性，其生長(zhǎng)和產(chǎn)酶能力對(duì)環(huán)境適應(yīng)性差。馮欣欣等［23］以新疆寒冷地區(qū)腐木為試驗(yàn)材料篩選出4株對(duì)秸稈酵解率在40%以上的優(yōu)質(zhì)真菌菌株。于慧娟和郭夏麗［33］從菜田土、小草根際土、蠶糞及森林土樣中分離純化出 4 株高效秸稈降解真菌，其10 d內(nèi)對(duì)秸稈降解率皆可達(dá)47%，且菌株 z-5 酶系種類齊全［33］。同時(shí)，真菌還是自然界中纖維素物質(zhì)的主要降解者，其許多菌屬作為工業(yè)化生產(chǎn)的酶源被廣泛應(yīng)用［34］。

2.3 放線菌

放線菌通過(guò)增強(qiáng)纖維素的水溶性和菌絲的穿透性使纖維素分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而有效地降解纖維素。放線菌具有更強(qiáng)的耐熱、耐酸性；在極端環(huán)境下，與芽孢桿菌相似，放線菌能夠產(chǎn)生孢子來(lái)抵御嚴(yán)酷的環(huán)境繼而發(fā)揮作用［15］。與其他菌群相比，放線菌具有特殊的代謝途徑，其分泌胞外酶的能力格外突出［1］。此外，放線菌的缺點(diǎn)也很明顯，菌株生長(zhǎng)緩慢，降解纖維素和木質(zhì)素的能力不如其他菌群。張晶等［35］在森林土壤和秸稈堆肥中篩選獲得1株婁徹氏鏈霉菌，其能同時(shí)降解半纖維素、纖維素和木質(zhì)素，在7 d內(nèi)對(duì)秸稈的降解率可達(dá)29.23%。

3 菌株降解性能的提升

3.1 誘變選育

從自然界直接分離篩選出來(lái)的纖維素降解菌株產(chǎn)酶活力一般會(huì)偏低，通常不能適應(yīng)生產(chǎn)需要［5］，需要采用人為的方法來(lái)誘導(dǎo)干預(yù)，使其發(fā)生突變，優(yōu)化其產(chǎn)酶能力，從而篩選出符合工業(yè)化要求的菌株。誘變能夠極大地提高菌株的降解性能，誘變選育是菌株在培養(yǎng)的過(guò)程中經(jīng)各種誘變條件的干預(yù)，從而獲得具有降解性能優(yōu)良的優(yōu)勢(shì)菌株。然而，由于誘變具有不確定性，同時(shí)經(jīng)誘變后的生物體所顯現(xiàn)的效果不顯著等原因，誘變的效果不一定能夠達(dá)到預(yù)期的目的。因此，需要采用多種方法來(lái)獲得理想的降解性能更好的菌株［36］。菌株降解性能的提升方法通常有物理誘變、化學(xué)誘變及利用基因工程等方法。

3.1.1 物理誘變

物理誘變是利用物理誘變劑，在一定程度上改變菌株的遺傳物質(zhì)，以獲得具有較大產(chǎn)酶活力的菌種的方法［37］。研究表明，利用紫外線等物理誘變劑對(duì)菌株進(jìn)行處理，會(huì)使菌株內(nèi)部能量發(fā)生遷移或在DNA復(fù)制過(guò)程中引起堿基對(duì)的變化［37］，通過(guò)能量的變化和菌株遺傳物質(zhì)的改變來(lái)影響菌株的產(chǎn)酶能力，最終提升菌株降解性能［36］。張麗敏等［38］利用12C6+離子束輻照對(duì)枯草芽孢桿菌進(jìn)行誘變處理，結(jié)果表明經(jīng)處理后的菌株較原始菌株對(duì)纖維素降解率提高了17.75%；張艷萍等［39］通過(guò)紫外線誘變方法對(duì)纖維素降解菌長(zhǎng)枝木霉進(jìn)行誘變，與未經(jīng)誘變的初始菌株相比，誘變后的菌株水解圈直徑/菌落直徑值增大，纖維素降解率及半纖維素降解率分別提高了數(shù)倍，且經(jīng)電鏡掃描發(fā)現(xiàn)，誘變后的菌株對(duì)玉米秸稈的降解程度更徹底。

3.1.2 化學(xué)誘變

化學(xué)誘變是利用化學(xué)誘變劑引起菌株DNA配對(duì)時(shí)堿基對(duì)的轉(zhuǎn)換或錯(cuò)配，從而發(fā)生遺傳變異的方法。化學(xué)誘變劑通過(guò)作用于菌株DNA上的堿基對(duì)，影響菌株的生長(zhǎng)和代謝活動(dòng)，使菌株的降解能力進(jìn)一步提升［37］。常見(jiàn)的化學(xué)誘變劑有C4HO4S、HNO2，C3H8O3S，LiCl等［36］。王霞等［40］從秸稈還田土壤中篩選到一株產(chǎn)酶活性較高的地衣芽孢桿菌菌株，通過(guò)HNO2誘變法對(duì)菌株進(jìn)行處理，誘變后的菌株較原始菌株相比，產(chǎn)酶能力提高了67.5%，且具有更良好的耐pH和溫度特性。

3.1.3 基因工程

由于生物技術(shù)的蓬勃發(fā)展和纖維素酶工業(yè)化的需求，與常規(guī)物理、化學(xué)誘變選育方法相比，利用基因工程通過(guò)定向進(jìn)化和分子改造獲得具有高效降解效率的重組菌株的方法逐漸引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注［41］。田偉等［42］克隆了菌株T2的內(nèi)切酶基因并對(duì)該基因進(jìn)行了結(jié)構(gòu)域分析，同時(shí)構(gòu)建了表達(dá)載體p28-egB并將其轉(zhuǎn)化至感受態(tài)細(xì)胞中進(jìn)行表達(dá)，最終在E.coli BL21中成功表達(dá)了菌株Bacillus subtilis的內(nèi)切酶基因。

3.2 菌株產(chǎn)酶條件優(yōu)化

目前，影響菌株產(chǎn)酶活力的因素有很多，如培養(yǎng)溫度、pH、接種量、培養(yǎng)基成分等，最佳的產(chǎn)酶條件能夠?qū)崿F(xiàn)菌株降解性能的進(jìn)一步提升。

3.2.1 培養(yǎng)基成分對(duì)菌株產(chǎn)酶的影響

1）碳源、氮源

在發(fā)酵過(guò)程中，碳源和氮源的差異是影響纖維素降解菌產(chǎn)酶條件的一個(gè)重要因素。適合纖維素降解菌的碳、氮源既可以提高菌株的生長(zhǎng)量，又能夠提高產(chǎn)酶效率［18］；李爭(zhēng)明等［43］運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)對(duì)纖維素酶降解菌進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)酶條件優(yōu)化，當(dāng)牛肉膏添加量為0.6%時(shí)，濾紙酶、內(nèi)切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶的酶活性都有顯著的提高。彭永妍等［44］利用不同碳、氮源對(duì)糞產(chǎn)堿菌S-04產(chǎn)纖維素酶的影響進(jìn)行了研究，以CMC-Na作為碳源時(shí)，其CMCase和FPA活性均表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，用牛肉膏作氮源時(shí)，菌株產(chǎn)2種纖維素酶組分的活性均為最高。氮源包括有機(jī)氮源和無(wú)機(jī)氮源，適宜不同菌株生長(zhǎng)的最佳氮源存在差異，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，相較于無(wú)機(jī)氮源，有機(jī)氮源通常更適用于菌株的培養(yǎng)［18］。張麗青等［45］通過(guò)對(duì)有機(jī)氮和無(wú)機(jī)氮等6種不同氮源進(jìn)行菌株發(fā)酵產(chǎn)酶試驗(yàn)，確定當(dāng)?shù)鞍纂俗鳛榈磿r(shí)，菌株產(chǎn)CMCase活性最高。

2）金屬離子

物理、化學(xué)和生物等因子能夠改變酶的空間結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對(duì)反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生影響；除此之外，酶在參與反應(yīng)過(guò)程中也會(huì)受到金屬離子的影響，金屬離子通過(guò)對(duì)底物濃度的調(diào)控，可以在反應(yīng)過(guò)程中改變自身的化合價(jià)來(lái)調(diào)節(jié)氧化還原反應(yīng)，進(jìn)而影響酶的催化作用［46］。金屬離子可作為一種激活劑添加在菌株的生長(zhǎng)發(fā)酵過(guò)程中，從而進(jìn)一步提高菌株產(chǎn)酶活力。楊耀剛［12］通過(guò)在纖維素降解細(xì)菌液體發(fā)酵產(chǎn)酶實(shí)驗(yàn)中添加不同含量的金屬離子，發(fā)現(xiàn)不同的金屬離子在酶促反應(yīng)中發(fā)揮著不同的作用。金屬離子能參與纖維素降解酶的組成，激發(fā)菌株產(chǎn)酶的活性。在菌株產(chǎn)酶的過(guò)程中，金屬離子除了是許多酶的激活劑外，還與反應(yīng)條件及環(huán)境有關(guān)，比如在一定濃度下，金屬離子表現(xiàn)為激活作用，能夠促進(jìn)酶促反應(yīng)的進(jìn)行；倘若濃度過(guò)高，則表現(xiàn)出相反作用［18］。李德瑩等［47］在對(duì)不同金屬離子影響纖維素酶活力的研究中發(fā)現(xiàn)，三價(jià)鐵離子和鈷離子能增強(qiáng)纖維素酶活力，而銅離子、鋅離子、錳離子會(huì)抑制纖維素酶活力。

3.2.2 不同培養(yǎng)條件對(duì)菌株產(chǎn)酶的影響

1）溫度

溫度對(duì)纖維素降解菌的生長(zhǎng)量和產(chǎn)酶效率有著很大影響。適宜的溫度可以使菌株在最短的時(shí)間內(nèi)快速繁殖，大大提高產(chǎn)纖維素酶的效率，同時(shí)酶活力也受溫度的影響［22］。酶促反應(yīng)中，在一定范圍內(nèi)培養(yǎng)溫度和酶促反應(yīng)速率成正比［18］，當(dāng)培養(yǎng)溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)使纖維素降解菌大量死亡，使產(chǎn)酶效率降低，同時(shí)受高溫的影響也會(huì)導(dǎo)致菌株已產(chǎn)生的纖維素酶變性失活，從而大大減弱纖維素降解菌的降解能力；當(dāng)培養(yǎng)溫度過(guò)低時(shí)，菌株的生長(zhǎng)會(huì)受到低溫抑制，其生長(zhǎng)量降低會(huì)導(dǎo)致菌株的產(chǎn)酶效率衰減。

2）pH

酸堿度是影響纖維素降解菌的生長(zhǎng)及產(chǎn)酶能力的一個(gè)非常關(guān)鍵的因素，pH過(guò)高或過(guò)低，都會(huì)影響纖維素降解菌的產(chǎn)酶效率和降解性能［18］。pH的改變可能會(huì)使酶的氨基酸側(cè)鏈發(fā)生解離，使酶活性降低；pH還會(huì)影響菌株正常的生理功能，進(jìn)而影響其酶分泌［4849］。王文凡等［14］從牛糞堆肥分離的解淀粉芽孢桿菌N5在pH為5.0～9.0時(shí)具有較高的酶活性，當(dāng)初始pH為5.0時(shí)，CMC酶活性達(dá)到最高值176.74U/mL；當(dāng)pH為7.5時(shí)，其濾紙酶活性最高，為26.67U/mL。

3）溶氧量

溶氧量主要體現(xiàn)在培養(yǎng)基的裝液量和搖床轉(zhuǎn)速上，適宜的氧濃度既能促進(jìn)菌株的生長(zhǎng)繁殖，又能提升菌株產(chǎn)酶能力［50］。當(dāng)氧濃度過(guò)低時(shí)，菌株無(wú)法正常生長(zhǎng)，因而產(chǎn)酶能力也會(huì)受到抑制。合理地調(diào)控好溶氧量是優(yōu)化菌株產(chǎn)酶條件的關(guān)鍵［18］。崔登雪［51］對(duì)枯草芽胞桿菌進(jìn)行分析，經(jīng)影響因素設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、實(shí)際實(shí)驗(yàn)和最終擬合優(yōu)化菌株發(fā)酵產(chǎn)酶條件等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)搖床轉(zhuǎn)速為237rpm時(shí)菌株產(chǎn)纖維素酶活力最高可達(dá)12.16U/mL，比最初產(chǎn)酶活力提高了6.85倍。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，既要考慮固液比例和通風(fēng)率的影響，還要注意各種環(huán)境因素對(duì)產(chǎn)酶活性的影響。

3.3 復(fù)合菌系的構(gòu)建

由于纖維素是由多種酶協(xié)同降解，單個(gè)菌株分泌酶的能力有限，纖維素的降解需要多類酶的共同參與，構(gòu)建微生物復(fù)合菌系可以更大程度地發(fā)揮菌株降解纖維素的效能［52］。多菌株協(xié)同降解纖維素的效果要比單一菌株高得多，這主要是因?yàn)樵诓煌旯采^(guò)程中，存在著互補(bǔ)協(xié)同效應(yīng)，產(chǎn)生的酶系比較協(xié)調(diào)，酶解產(chǎn)生的底物更加完備。因此，相較于單一菌株，復(fù)合菌系的產(chǎn)酶能力顯著提高［53］。修志君［53］對(duì)所篩選的無(wú)拮抗作用的菌株進(jìn)行復(fù)合菌系的構(gòu)建，結(jié)果表明復(fù)合菌系的產(chǎn)酶效率明顯高于單個(gè)菌株。李陽(yáng)陽(yáng)等［54］從水田表層土壤中分離出6種纖維素降解菌株，以6個(gè)菌株構(gòu)建了7組復(fù)合菌系，其中3組復(fù)合菌系不僅具有良好的水稻秸稈降解能力，同時(shí)在提高土壤有機(jī)質(zhì)、堿解N、速效P、速效K的含量等方面有著顯著的效果。

4 結(jié)" 語(yǔ)

纖維素降解菌作為一種廣泛的自然微生物資源，對(duì)于秸稈及許多纖維素廢棄物的降解有重要作用，在發(fā)展農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)上有很高的價(jià)值。雖然目前對(duì)于纖維素降解菌的研究技術(shù)已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，優(yōu)化菌株發(fā)酵條件、構(gòu)建多種菌株復(fù)合菌系、添加金屬離子催化反應(yīng)過(guò)程、經(jīng)紫外輻照或其他化學(xué)試劑對(duì)菌株進(jìn)行處理干預(yù)等，都可以使菌株降解纖維素的性能得到最大的發(fā)揮，但目前人們對(duì)纖維素降解菌的實(shí)驗(yàn)仍大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段，在實(shí)際應(yīng)用方面的經(jīng)驗(yàn)仍有較大缺失。

在菌株篩選方面，應(yīng)針對(duì)不同地區(qū)的環(huán)境，針對(duì)性地篩選適宜的菌株，以確保菌株的降解性能得到最大程度的發(fā)揮，例如在鹽堿地地區(qū)和寒冷地區(qū)篩選出耐鹽堿、抗低溫的微生物。

在菌株性能優(yōu)化方面，可通過(guò)研究秸稈還田條件下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與功能的變化規(guī)律，探究纖維素降解對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的影響；還可以調(diào)整復(fù)合菌系之間的不同組合比例，豐富構(gòu)建復(fù)合菌系的多樣性，提高復(fù)合菌群的產(chǎn)酶能力，增強(qiáng)復(fù)合菌系的降解效果；通過(guò)利用基因工程等手段對(duì)纖維素降解菌進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，構(gòu)建出多功能纖維素降解菌工程菌，最大限度地挖掘菌株的產(chǎn)酶能力。

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