瘤胃微生物降解纖維素的研究進(jìn)展

1、安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),JournalofAnhuiAgri.Sci.2007,35(13):3771-3772,3799責(zé)任編輯劉月娟責(zé)任校對胡先祥瘤胃微生物降解纖維素的研究進(jìn)展王超,劉國道3(中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所,海南儋州571737)摘要綜述了不同的瘤胃微生物降解纖維素的相對貢獻(xiàn)和發(fā)酵特征,說明纖維素在瘤胃內(nèi)的降解是在細(xì)菌、原蟲和真菌的協(xié)同作用下完成的。關(guān)鍵詞瘤胃微生物;纖維素降解;研究進(jìn)展中圖分類號TQ920.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611(2007)13-03771-02ProgressofStudiesonCelluloseDegradationbyRumenM

2、icroorganismWANGChaoetal(TropicalCropGeneticResourcesInstitute,CATAS,Danzhou,Hainan571737)AbstractTherelativecontributionsandfermentationcharacteristicsofvariousrumenmicroorganismswhichcoulddecomposethecelluloseweredis2cussed.Itindicatedthatthedigestionofcelluloseintherumenwasconductedbytheinteracti

3、onofthebacteria,protozoaandfungi.KeywordsRumenmicroorganism;Cellulosedegradation;Progressofstudies反芻動物的瘤胃是一種獨(dú)特的消化發(fā)酵罐1,其中棲息著各種微生物,包括瘤胃細(xì)菌、厭氧真菌和瘤胃原蟲,還有少數(shù)噬菌體。經(jīng)過長期的適應(yīng)和選擇,微生物與宿主、微生物與微生物處于一種相互依賴、相互制約的動態(tài)平衡系統(tǒng)中。一方面,宿主動物為微生物提供生長環(huán)境,2。,的高纖維飼料。,反芻動物能消化植物細(xì)胞壁的纖維素等多糖物質(zhì),其消化是通過瘤胃微生物對纖維物質(zhì)的粘附和酶類的水解作用來實(shí)現(xiàn)的。1瘤胃真菌及其對纖維素的降解O

4、rpin在1975年首次證實(shí)了瘤胃中帶鞭毛的原蟲實(shí)際上1.2酶降解半纖維素和木質(zhì),其中起主要Mountfort研究表明,木聚糖,在pH5.5、溫度55條件下,可將木聚糖、纖維素、纖維二糖都能誘導(dǎo)木聚糖酶的產(chǎn)生,五碳糖(如阿拉伯糖)則會降低木聚糖酶的活性。Akin指出,高的木聚糖酶活力有利于真菌在植物細(xì)胞壁上的生長。瘤胃真菌分泌的纖維素是多組分的酶,主要包含C1、CX和2葡萄糖苷酶3種。C1酶的主要作用是分解天然的晶體纖維。CX酶是水解酶,作用于可溶性纖維素衍生物,包含2個組分。內(nèi)切21,4葡萄糖苷酶可以從纖維素內(nèi)部切開21,4糖苷鍵;外切-1,4葡萄糖苷酶則可以從非還原端切下含12個葡萄糖殘基

5、。研究發(fā)現(xiàn),真菌對纖維素水解主要分2個階段進(jìn)行:準(zhǔn)備階段,在C12酶的作用下破壞纖維素結(jié)構(gòu);第2階段,在CX2酶的作用下,把2糖苷比較短的聚酐鏈水解成可溶性產(chǎn)物5。目前許多常用的酶制劑只能作用于非晶體狀的底物,而厭氧真菌產(chǎn)生的酶能降解晶體狀的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的植物組織,甚至是植物厚壁組織和維管束組織6。2瘤胃細(xì)菌及其對纖維素的降解是厭氧真菌的游動孢子3。國內(nèi)外學(xué)者還從山羊、綿羊、黃牛、水牛、大象等草食動物的消化道以及糞便中分離出6個屬的瘤胃真菌,而且所有分離出的瘤胃真菌都具有降解植物細(xì)胞壁中結(jié)構(gòu)性碳水化合物的能力。瘤胃真菌對纖維素的降解包括物理降解和酶降解。1.1物理降解大多數(shù)植物顆粒的表皮上有一層

6、臘質(zhì)和角質(zhì)層。它們都可以阻止微生物對飼料的粘附。研究表明,這層膜含有18%24%硅,它可以增加這層外膜的硬性,進(jìn)一步阻礙飼料的消化4長期以來由于瘤胃細(xì)菌在數(shù)量上的絕對優(yōu)勢及其代謝途徑的多樣性,所以它被認(rèn)為在植物細(xì)胞壁降解過程中發(fā)揮主要作用。白色瘤胃球菌、生黃瘤胃球菌和產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌是公認(rèn)的瘤胃纖維分解菌中的優(yōu)勢菌7。細(xì)菌的生長主要取決于對碳、能量的利用以及能否成功降解、發(fā)酵飼料。細(xì)菌能夠吸收低分子量的可溶性化合物,但飼料主要是由較大且不易溶解的復(fù)雜的大分子組成(淀粉、蛋白質(zhì)、纖維素)。所以,在被細(xì)菌代謝利用前,這些物質(zhì)必須被細(xì)胞外酶降解成低分子量的可溶性物質(zhì)。多年來對于纖維素的降解,人們一直

7、認(rèn)為是由多種微生物游離酶協(xié)同完成的。這種觀點(diǎn)對于許多纖維降解微生物是正確的,尤其是好氧微生物,但是最近從許多厭氧微生物中分離到了纖維素降解酶復(fù)合物纖維體。它可以將各種參與纖維素降解的酶整合在一起,并將微生物與纖維素底物連接起來,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對纖維素的高效降解8。另外,有3個方面的證據(jù)可以表明瘤胃微生物纖維體類。研究還表明,瘤胃真菌有很強(qiáng)的穿透能力和降解纖維素的能力,能部分降解或者削弱抗性組織,穿透牧草角質(zhì)層屏障,因而可以降解無法被細(xì)菌和纖毛蟲降解的木質(zhì)素和纖維素物質(zhì)。Orpin等發(fā)現(xiàn),瘤胃真菌首先分離木質(zhì)化的纖維組織,為細(xì)菌利用與木質(zhì)素相結(jié)合的纖維物質(zhì)創(chuàng)造條件。Akin等比較了混合細(xì)菌和混合真菌在

8、體外減弱結(jié)構(gòu)性屏障的能力,發(fā)現(xiàn)真菌培養(yǎng)莖稈比細(xì)菌培養(yǎng)明顯減弱了結(jié)構(gòu)性屏障。Wilson也指出,真菌的穿透生長降低了植物纖維組織的內(nèi)部張力,使其變得疏松而易被瘤胃微生物降解。雖然細(xì)菌是瘤胃中降解纖維素的主要微生物,但是真菌卻是首先深入到植物纖維組織內(nèi)的微生物,之后才能被細(xì)菌發(fā)酵利用。作者簡介王超(1982-),男,浙江寧波人,碩士研究生,研究方向:牧草資源開發(fā)與利用。3通訊作者。收稿日期20072032153772安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2007年似物的存在。Lamed等通過電鏡觀察和陽離子鐵蛋白標(biāo)記,已經(jīng)在白色瘤胃球菌、生黃瘤胃球菌和產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌上發(fā)現(xiàn)了類似嗜熱纖維梭菌的表面突起物9;在瘤胃真菌和瘤胃

9、球菌的多糖酶基因序列中,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了與梭菌纖維體酶相類似的塢因子重復(fù)序列。這些序列比嗜熱纖維梭菌或相關(guān)梭菌的重復(fù)塢因子序列要長。Rincon等研究表明,生黃瘤胃球菌17中的EndB纖維素酶是一種多域酶,含有一個能與該菌株表面假定為鷹架蛋白發(fā)生特異性結(jié)合的塢因子;在瘤胃細(xì)菌和真菌中,已檢測到具有纖維分解和木質(zhì)素分解活性的高分子量復(fù)合物。Bae等在白色瘤胃球菌F40的培養(yǎng)上清液中分離到一種纖維素酶復(fù)合物,并且發(fā)現(xiàn)包含有大約10種具有內(nèi)切葡聚糖酶、木聚糖酶活性的蛋白質(zhì)以及1個無催化活性的蛋白質(zhì)10。Forsberg等從產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌S85的細(xì)胞膜部分和該菌培養(yǎng)液中分離到了具有內(nèi)切葡聚糖酶活性的高分子

10、量復(fù)合物,但是該復(fù)合物不能降解可溶性的晶體狀纖維素11。3瘤胃原蟲及其對纖維素的降解試驗(yàn)肯定了全部驅(qū)除原蟲對反芻動物營養(yǎng)物質(zhì)代謝的積極作用,但隨著研究的不斷深入,原蟲的正面效應(yīng)也得到了進(jìn)一步肯定。在瘤胃細(xì)菌、原蟲和真菌降解植物細(xì)胞壁的相互作用方面的研究還很少。據(jù)高魏等報(bào)道,單培養(yǎng)時(shí)原蟲的甲烷產(chǎn)氣量和降解率相對較高,而細(xì)菌和真菌的甲烷產(chǎn)氣量和降解率則很低16。這說明原蟲有獨(dú)立降解纖維素的能力,但是效率并不高;細(xì)菌或真菌在瘤胃提供適宜條件后才能發(fā)揮其潛在能力,因此瘤胃微生物對纖維素的降解不是單純的加權(quán),而是存在非常復(fù)雜的相互作用。在混合培養(yǎng)試驗(yàn)中,全瘤胃液的甲烷產(chǎn)氣量和降解率都最高,其次是細(xì)菌和原

11、蟲混合培養(yǎng)組。這說明植物細(xì)胞壁在瘤胃內(nèi)降解是在細(xì)菌、原蟲和真菌的協(xié)同作用下完成的。程中存在協(xié)同效應(yīng)。數(shù),認(rèn)為,雖然原蟲,18。由于缺乏對瘤胃微生物間相互作用的深入研究,這些理論都有待進(jìn)一步驗(yàn)證。5展望(1)對瘤胃微生物不同區(qū)系降解植物細(xì)胞壁的相對貢獻(xiàn)據(jù)研究,在反芻動物瘤胃內(nèi)微生物中至少有30的原蟲。在生理學(xué)上,2個主要亞類。,觸感染。2一方面,促進(jìn)植物細(xì)胞間的分離,還可以分泌分解纖維素、半纖維素和果膠的酶類。大量體內(nèi)、體外試驗(yàn)都已證明,纖毛蟲直接參與降解細(xì)胞壁多糖的過程。另有研究表明,原蟲能夠?qū)⒌矸酆涂扇苄蕴穷惖忍妓衔镛D(zhuǎn)變?yōu)橹ф湹矸圪A藏于原蟲體內(nèi),可以避免由于細(xì)菌對淀粉和可溶性糖類的爆發(fā)性

12、發(fā)酵而造成的pH值劇烈下降12,保證了纖維素降解的適宜pH值。另一方面,反芻動物瘤胃內(nèi)原蟲不能利用氨態(tài)氮合成自身蛋白質(zhì),只能以微生物、飼料中的蛋白質(zhì)作為其主要氮源,主要依靠對細(xì)菌、真菌的吞噬作用合成氨基酸。原蟲對細(xì)菌的吞噬作用對細(xì)菌數(shù)目的影響很大。在發(fā)酵前期原蟲的吞噬作用對纖維素降解可能有不利影響,但是到了發(fā)酵末期原蟲的吞噬作用有利于飼料保存營養(yǎng)、減少營養(yǎng)物質(zhì)的發(fā)酵消耗。4瘤胃細(xì)菌、原蟲和真菌降解植物細(xì)胞壁的相互作用和發(fā)酵特征的研究表明,瘤胃細(xì)菌、原蟲和真菌中缺失了其中任何一個都將大大地降低對植物細(xì)胞壁的降解能力。經(jīng)過長期的適應(yīng)和選擇,微生物和宿主之間、微生物和微生物之間處于一種相互依賴、相互

13、制約的動態(tài)平衡系統(tǒng)中20。真菌是先鋒微生物,細(xì)菌是其中的優(yōu)勢微生物,原蟲的作用則是調(diào)節(jié)真菌和細(xì)菌的種類和數(shù)量。(2)反芻動物種類、日糧和瘤胃微生物及飼料消化率間存在著一種動態(tài)變化的關(guān)系20。瘤胃內(nèi)作為微生物營養(yǎng)的飼料底物類型對瘤胃菌種群有著非常重要的影響。所以,為了在體外培養(yǎng)中獲得最高的纖維素降解率的瘤胃微生物群,必須針對不同的材料進(jìn)行繼代培養(yǎng)和篩選胃微生物群一定不能達(dá)到最佳的效果。所以,為了得到對某種特定材料高效的纖維素降解率,需要開發(fā)出對應(yīng)的瘤胃微生物菌群。(3)對于瘤胃微生物研究成果的應(yīng)用不能僅限于反芻動反芻動物瘤胃內(nèi)的細(xì)菌、原蟲和真菌形成一種復(fù)雜的共生系統(tǒng)。植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)性碳水化合物(

14、如纖維素)在厭氧條件下被微生物降解,并最終為宿主提供所需的能量13。反芻動物瘤胃內(nèi)的細(xì)菌、原蟲和真菌都參與植物細(xì)胞壁的降解。若不考慮整個瘤胃生態(tài)中微生物間復(fù)雜的相互作用,瘤胃細(xì)菌在纖維素消化中占主導(dǎo)地位,因?yàn)榧?xì)菌在數(shù)量上占優(yōu)勢,并且具有多種代謝途徑14。瘤胃真菌在降解大顆粒、大片段植物纖維過程中起著重要的作用。由于瘤胃真菌能產(chǎn)生一系列具有高活性的降解酶,并且厭氧真菌優(yōu)先附著在植物細(xì)胞壁上,因此在降解植物細(xì)胞壁方面瘤胃真菌比其他微生物具有更大的優(yōu)勢15。但是整個瘤胃微生物中真菌數(shù)量較少,其纖維素分解總效力有待進(jìn)一步研究。國際上對瘤胃中原蟲作用的研究存在較大的分歧。焦點(diǎn)主要集中在全部驅(qū)除原蟲和全部

15、保留原蟲的比較研究上。雖然過去大部分物。如果利用瘤胃微生物將原本不能飼喂非反芻動物的材料轉(zhuǎn)化為可供非反芻家畜飼喂,那么將大大地?cái)U(kuò)大非反芻動物的飼料來源,降低飼喂非反芻動物的成本。同時(shí),由于這些飼料中有瘤胃微生物的存在,相當(dāng)于給非反芻動物提供了類似于添加劑中的“益生元”與“合生元”,這對于提高非反芻動物的健康以及動物產(chǎn)品的品質(zhì)都有極為重要的作用。參考文獻(xiàn)1霍鮮鮮,候先志,李翠英.瘤胃微生物對纖維物質(zhì)的粘附作用J.內(nèi)蒙古畜牧科學(xué),2001,22(3):19-21.2王利平,毛華明,鄧衛(wèi)東.瘤胃中微生物的多樣性及其飼料消化率的影響J.飼料博覽,2005(10):7-8.3ORPINCG.Studie

16、sontherumenflagellateNeocallimastixfrontalisJ.JGenMicrobiol,1975,91:249-262.4司振書,江成.瘤胃微生物對纖維素的降解及其應(yīng)用J.微生物學(xué)雜志,2003,23(6):61-64.(下轉(zhuǎn)第3799頁)射線照射技術(shù)在阿維菌素產(chǎn)生菌誘變育種中的應(yīng)用35卷13期徐麗等Co603799135%的菌株占總數(shù)的31%,甚至有13%的菌株相對B1a含另外,在菌種誘變和篩選過程中,出現(xiàn)了3種菌落形態(tài)。表面突起、有褶皺、灰白色,培養(yǎng)4d后,菌落直徑為56mm,稱為皺縮型;表面突起、有褶皺、中間凹陷、灰白色,培量達(dá)到了165%175%。在該過

17、程中,篩選到2株高產(chǎn)菌株CM35212及CM3527。由此可見,采用Met篩選模型,B1a組分正變幅度明顯高于其他誘變方法,說明該法是篩選高含量B1a菌株的行之有效的方法。表4相對含量%<75758585959510510511511512512513513514514515515516516517517518518519552Fu、Met模型篩選后的菌株產(chǎn)量分布52FuMetBla含量%Bla含量養(yǎng)4d后,菌落直徑為45mm,稱為火山型;圓形、扁平、色蠟白、無孢子,培養(yǎng)4d后,菌落直徑為23mm,稱為光禿型(圖2)。研究發(fā)現(xiàn),皺縮型菌落大多數(shù)為發(fā)酵單位高的菌株,火山型菌落大多數(shù)為B1a

18、含量高的菌株,而光禿型菌落的發(fā)酵產(chǎn)量很低。發(fā)酵單位分布比例8.0002.00028.012.018.04.020.04.02.0發(fā)酵單位分布比例9.07.09.021.038.09.04.03.000000分布比例11.09.07.019.039.07.05.03.000000分布比例12.01.05.07.01.016.015.07.011.07.013.03.02.02RW,MILLERBM,BAKEREE,etal,Avermectins,newfamilyofpotentanthelminticagentsproducingorganismandfermentationJ.Antimi

19、cro2bialAgentsandChemotherapy,1979,15(3):361-367.2扈洪波,朱蓓蕾,李俊鎖.阿維菌素類藥物的研究進(jìn)展J.畜牧獸醫(yī)學(xué)報(bào),2000,31(6):520-529.3霍長河,曹海峰,劉成琴,等.Co60照射在鏈霉素產(chǎn)生菌選育中的應(yīng)用J.中國抗生素雜志,2005,30(3):169-170.4戴偉國.中國阿維菌素的前景展望J.中國制藥信息,2004,20(9):33-35.5曹友聲,劉仲敏.現(xiàn)代工業(yè)微生物學(xué)M.長沙:湖南科學(xué)技術(shù)出版社,1998.6張瑩瑩.阿維菌素產(chǎn)生菌的菌種選育D.沈陽:沈陽藥科大學(xué),2006.7馬妮.阿卡波糖產(chǎn)生菌育種新方法的研究與應(yīng)用

20、D.沈陽:沈陽藥科大學(xué),2006.8王曉偉,何建勇,白秀峰.阿維菌素E107異常代謝產(chǎn)物的研究J.中國抗生素雜志,2001,26(6):429-431.9周德慶.微生物學(xué)教程M.北京:高等教育出版社,1993.10CHIANGPK,GORDONRK,TALJ,etal.S2AdenosylmethionineandmethylationJ.TheJournaloftheFederationofAmericanSocietiesforExper2imentalBiology,1996,10:471-480.11HUHJH,KIMDJ,ZHAOXQ,etal.Widespreadactivatio

21、nofantibioticbiosynthesisbyS2adenosylmethionineinstreptomycetesJ.MicrobiologyLet2ters,2004(238):439-447.12EGERTONJR,OSTLINDDA,BLAIRLS.Avermectins,newfamilyofpo2tentanthelminticagents:efficacyoftheB1acomponentJ.AntimicrobialA2gentsandChemotherapy,1979,15(3):372-378.2.4的菌株,經(jīng)過3表5表射線照射有利于大幅度提高菌株明,o的發(fā)酵單位

22、,如Co39215;而采用復(fù)合52Fu篩選模型,仍然可以進(jìn)一步提高發(fā)酵單位,如CF(20)239261和CF(20)239296;射線照射后,采用復(fù)合Met篩選模型則能較大幅度提高Co60發(fā)酵液中B1a含量,如CM35212和CM3527。表5菌株號碼Control(H20216)Co39215Co3529CF(20)239261CF(20)239296CM35212高產(chǎn)菌株的發(fā)酵結(jié)果相對發(fā)酵單位100.0273.3100.2176.5147.0103.1相對B1a含量100.0101.2112.1103.5103.9116.7菌落形態(tài)皺縮型皺縮型火山型皺縮型皺縮型火山型(上接第3772頁)5

23、毛勝勇,朱偉云.反芻動物瘤胃真菌在飼料降解中的作用J.飼料研究,2000(1):18-21.6AKINDE,RIGSBYLL.MixedfungalpopulationsandlignocellulosictissuedegradationinthebovinerumenJ.ApplEnvironMicrobio.1987,53:1987-1995.7WINDHAMWR,AKINDE.RumenfungiandforagefiberdegradationJ.ApplEnvironMicrobiol,1984,48:473-476.8張?jiān)獞c,王棟,孟慶翔.瘤胃微生物纖維體研究進(jìn)展J.中國飼料,2005,12:2-4.9LAMEDR,NAIMARKJ,MORGENSTERNE,etal.SpecializedcellsurfacesstructuresincellulolyticbacterialJ.Bacteriol,1987,169:3792-3800.10BAEHJ,TURCOTTEG,CHAMBERLANDH,etal.Acomparativestudybe2tweenanendoglucanaseIVanditsfusedproteincomplexCel5CBM6J.FEMSMicrobiolLett,2