微生物资源开发与利用

微生物资源开发与利用摘要：随陆源微生物资源的日益贫乏,海洋尤其是特殊生境的微生物资源已引起人们的高度重视。红树立土壤兼有海洋与陆地的性质，富含微生物，在药用资源和环境污染方面有潜力，海洋生物种类繁多，具有多种多样海洋微生物，在药用和环境污染处理方面同样有重要价值。陆地微生物可以作为微生物饲料和微生物食品的开发与利用。一、红树林土壤微生物开发与利用随陆源微生物资源的日益贫乏,海洋尤其是特殊生境的微生物资源已引起人们的高度重视。处于“海洋———陆地”界面潮间带湿地生态系统的微生物资源因其所处生境的独特性,红树林土壤生境的特点由于处于周期性遭受海水浸淹的潮间带环境,红树林土壤兼有海洋和陆地的性质却又与二者不同,具有沼泽化、盐渍化、强酸性、有机质含量高等主要特征。采用平板分离方法研究红树林区土壤中细菌、放线菌、真菌三大类微生物的结果表明,芽孢杆菌属是细菌的主要属。小单胞菌和链霉菌属是红树林土壤放线菌的主要属,从土壤中还能分离到链轮丝菌、链孢囊菌、小多胞菌、红球菌、诺卡氏菌和游动放线菌等属。红树林土壤微生物资源的特色:红树林土壤生境的独特性决定其中必然蕴藏独特酶资源和基因资源。[1]如今,海洋赤潮爆发频率上升,而有红树林区的海域却不易发生赤潮,这与红树林区独特的微生物群落密切相关,并认为可能从红树林土壤微生物中可以开发海藻解壁酶制剂,用于治理富营养化水体与控制赤潮爆发。放线菌一直是抗生素的主要产生菌,一般适宜于干燥、偏碱性的环境,而红树林土壤中的放线菌长期生存于湿润、强酸性、高盐的环境,必然有其独特的分子适应机制,具备形成独特新颖的次级代谢产物的潜能,若加强研究,定能拓展新型的抗生素。红树植物内生真菌资源的研究开发已取得了较大的进展,如真菌多糖、鞘氨醇类化合物在体内外均有抗肿瘤、抗突变、降血糖、抗病毒、抗氧化、抗辐射等作用,具有开发成为新药的巨大潜力,土壤真菌代谢次级产物的开发利用工作还应强化。红树林土壤微生物在环境污染的治理与修复中发挥着多重功能效应,表现在:能降解多种有机污染物及对废水的净化处理。对处于海洋污染物黑名单之首———“多环芳烃”的生物降解已有较系统的研究。鱼虾等动物粪便若处理不当会引起一系列环境问题,如可能引发水体富营养化最终导致赤潮发生。研究发现分离于红树林沉积物的细菌能发酵海洋淤泥(Seasludge),其中一株细菌经16SrDNA测序,与BacillusfumarioliLMG17489有高度同源性[2]。红树林土壤微生物在一定程度上可能将废水中Cu、Zn、Cd等重金属元素吸咐固定,而P、N等营养物则被微生物本身利用而使废水得到净化[3]。二、土壤微生物资源开发与利用土壤微生物参与土壤中物质转化及能量流动生物化学反应的生态过程,它们参加的重要生物化学反应的生态过程有:有机化合物、高等植物和微生物残体的水解(降解或酶解),以及转化成为植物可利用的形态,生物固氮作用,腐殖质分解与合成作用,磷、硫、铁及其它元素转化和氧化还原反应以及地球上的碳循环、氮循环及磷、硫循环等等[4]。所有生物化学过程都是通过酶的催化作用完成的。土壤酶是土壤生物化学反应的重要指标之一,土壤中许多重要的物理、化学、生物化学、团粒结构、土壤有机质、腐殖质、胡敏酸及微生物活性物质,都与土壤酶有着密切的相关性。1.微生物饲料和微生物食品的开发利用微生物饲料包括微生物发酵饲料、微生物活菌制剂和饲用酶制剂等几类。发酵饲料是利用人工接种微生物或饲料本身存在的微生物,将青饲料、粗饲料以及少量的精饲料或其它废弃物质,在一定温度、湿度和通气条件下,通过微生物的作用,使饲料中不易消化吸收的成分,转化为容易消化、并适合家畜口味的营养料。如利用植物秸杆、壳类、木屑、糠渣、畜禽粪便等发酵成饲料。微生物活菌制剂是一种通过直接饲喂来改善畜禽肠道微生物菌群平衡,而对动物肠道施加有利影响的活微生物饲料添加剂,它具有促生长、除疾病、除臭气等功效。饲用酶制剂饲料是通过微生物活细胞所分泌的具有特殊能力的生物催化剂,将植物细胞壁破坏,增强动物对植物细胞内营养物质的吸收;消除饲料中抗营养因子;并补充内源酶的不足,促进内源酶的分泌;促使生物化学反应,使饲料中难以消化吸收的大分子营养物质,分解为小分子,易于吸收,从而提高饲料的利用效率。[5]微生物食品是利用有益微生物加工和生产出来的一类无害化营养保健类食品。利用微生物发酵酿酒、制醋、制酱等在我国已有很久的历史。利用野生真菌的某些特性和种类,来驯化或人工栽培生产可供人类食用的菌类食品就是一类很好的农业实践。食用真菌可分为野生的及栽培的两大类。我国的野生食用菌类资源十分丰富,共200多种。在我国栽培食用的真菌有利用稻草培植的草菇、利用牛马粪生产的蘑菇以及在山间阔叶林木上人工栽培的香菇等。在医疗保健的微生物食品开发方面,也有较为广阔的发展前景。如利用真菌与昆虫间的寄生关系,生产冬虫夏草等名贵药材。利用有益微生物制剂通过人体饮用,来改变肠道的微生物为无害球菌,使大便畅通,改善大便气味,并能使人精力充沛,防治病菌感染。2.环境污染的生物修复生物修复(iboermeidiaton)是指利用微生物及其他生物,将土壤、地下水或海洋中的危险性污染物现场降解成二氧化碳和水或转化成为无害物质的工程技术系统。可以用来作为生物修复的微生物分为三大类:(1)土著微生物;(2)外来微生物;(3)基因工程菌(GBM)。生物修复技术的出现和发展反映了污染治理工作已从耗氧有机污染物深人到影响更为深远的有毒有害有机污染物,并且从地表水扩展到土壤、地下水和海洋。对生物修复技术的研究开始于20多年前,欧洲各发达国家和美国较早开展了该方面的研究。通过大量的实际应用,现已取得了很大的进展,其应用范围在不断扩大。生物修复技术是一种对污染物进行原位修复的新兴技术,具有费用省、环境影响小,并能最大限度地降低污染物浓度的特点。而且生物修复技术能应在其它技术难以应用的场地,并可同时处理受污染的土壤和地下水[6]。微生物在人畜粪便处理、城市污泥和生活垃圾堆肥、沼气发酵等方面应用较广。该方面成熟的例证很多,如利用有机废物生产甲烷;利用废纤维素生产燃料乙醇;利用木材废弃物所含半纤维素生产木糖及木糖醇等,已成为废弃物能源化与资源化的有效途径。三、海洋微生物资源开发与利用由于从土壤中寻找微生物新资源愈来愈困难,而海洋生物资源是陆地上的十倍,并且尚未很好开发,因此土壤微生物资源的开发研究,也逐步发展扩大到陆地-海洋微生物资源的研究、开发利用及其产业化。最近大量研究结果表明,土壤微生物、陆地微生物、海洋微生物既有各自特点,又有十分密切的相互关系,有的是同一属种,由于自然变迁后,生态环境长时期不一样,其代谢产物也不相同;有的土壤微生物只要给予特殊条件,也可以产生在海洋中产生的代谢活性物质。海洋是一个十分独特的生态环境,包罗了高盐、高压、低温(尤其是深海)、低光照、寡营养等特点,还有无光照以及局部高温的极端环境。来自海洋的微生物大部分都是适应了极端环境的极端微生物。海洋微生物的物种多样性决定了其代谢产物多样性,海洋环境是新型生物活性物质的源泉。海洋微生物种类繁多,据统计有100万---2亿种,分布于海洋的不同部位,如海水中、海洋底泥中、海洋动植物体表及内部等,其中以海洋底泥中居多。根据《中国海洋生物种类与分布》,我国的海洋生物从菌类到兽类共确认20279种,其中海洋细菌79种,放线菌18种,酵母61种,其他真菌127种。就目前研究可知,海洋微生物可产生多种类型的活性物质,其中包括抗菌、抗肿瘤、酶抑制剂、多肚及治疗相关的药物。[7]1.微生物抗肿瘤药用价值微生物抗肿瘤药物具有十分广阔的前景,它具有活性强、毒性低并兼有抗菌效果,其结构主要是葱环类和烯二炔类。日本微生物化学研究所冈见发现的一株黄杆菌属(Flavobaeterium)海洋细菌,其所产生的一种胞外多糖抑制肿瘤细胞的活性特别强。它具有75%一90%肿瘤抑制率,在一些实验小鼠里,可完全抑制肿瘤。YuCM等发现小囊菌属海洋真菌iMcaorsou:longiorstri:产生的次级代谢产物能够有效抑制半胧氨酸蛋白酶。Cathesatitn是海洋细菌产生的一种热稳定性的组织蛋白酶抑制剂,在治疗骨病方面具有一定的应用前景。[8]2.海洋微生物极端酶资源海洋微生物所处环境具有很大的特殊性,可开发出很多新的极端酶。嗜冷菌能产生很多种在低温下才显示高效的酶,已被提取出来的嗜冷酶有α-淀粉酶、磷酸丙糖异构酶、蛋白酶、脂肪酶、胶原酶,嗜冷碱性蛋白酶在工业洗涤剂、保持食品营养和风味起着重要作用。3.海洋污染物的处理海洋微生物是海洋生态系统的重要成员,参与海洋中物质循环,在消除海洋污染物质,海洋自净中起着重要作用,称为“海洋清洁工”。已发现200多种能氧化一种或多种水体污染物的微生物,某些霉菌和放线菌去除无机氰化物效率可达到90%以上,分解酚类化合物的能力一般都在95%以上。利用微生物复合制剂对石油污染区改良,经过86d处理,共添加微生物复合细菌13.3kg,石油污染区域的THC指标下降了80%。海洋光合细菌还能应用于鱼虾等水产养殖的赤潮毒害。过滤器和细菌池的过滤方法来除去鱼的残饵和粪便。总之,海洋中污染物质几乎都能被微生物分解,如果采用生物技术对自然海洋微生物进行基因改造,获得高效菌株,将大大提高污染物的清除效率。[8]随着人类社会的发展,自然环境的不断变化,海洋微生物资源的进一步开发和利用将在提高人们生活质量,改善人类生存环境等方面发挥越来越重要的作用。[1]新世纪中国土壤微生物学的展望王书锦,胡江春,张宪武(中国科学院沈阳应用生态研究所,辽宁沈阳110016)[2]YoshihiroA,MistsugiN.Initialfermentationofseasludgeusingaerobicandthermophilicmicroorganismsinamangrovesoil.BioresourTechnol,2001,80:83-85.[3]TamNFY.Effectsofwastewaterdischargeonmicrobialpopulationsandenzymeactivitiesinmangrovesoils.EnvironPollut,1998,102:233-242.[4]张宪武.土壤微生物研究(理论·应用·新方法)[M].沈阳:沈阳出版社,1993.[5]蒋树威.畜牧业可持续发展的理论与实用技术[闷.北京:中国农业出版社.1998.115一130.[6]马文漪,杨柳燕.环境微生物工程四].南京:南京大学出版社,1998.74一266.[7]海洋微生物资源的开发与利用李艳华张利平[8]沿海微生物资源开发利用研究进展刘乐然苏秀榕李太武(宁波大学生命科学与生物程学院315211)