微生物复合菌群联合降解中药药渣的研究进展

李亚丹，郭义东，刘逆夫，李三新，邹 亮，龚 云

（1.株洲千金药业股份有限公司，湖南株洲412007；2.四川抗菌素工业研究所，四川成都610051；3.成都大学生物产业学院，四川成都610106）

随着人们对化学药毒副作用认识的加深以及“治未病”理念的逐步形成，具有悠久历史的中药产品备受瞩目。随着市场需求量的不断上升，中药材加工产生的中药药渣也越来越多，如何合理处理这些药渣成为亟待解决的问题。

中药药渣成分以植物根茎组织为主，含有植物纤维、蛋白质、多糖和残留的药物成分。而植物纤维含有大量纤维素、半纤维素、木质素和果胶等成分，从而使得中药药渣难于被降解利用。近年来，以高产纤维素酶菌株的选育、纤维素酶合成的调控、复合纤维素酶降解机制以及单一或复合纤维素降解菌的应用为研究方向的课题都取得了很大的进展［1］。目前，虽然已经获得了一批具有纤维素降解能力的菌种，但由于大部分菌种产生的酶受到纤维素分解产物的抑制作用以及培养过程中培养液pH 值过低抑制降解菌生长等问题，要依靠某一菌种彻底实现纤维素类物质的转化利用，仍然存在极大的难度［2］。因此，依靠微生物复合菌群的联合降解作用，有望实现纤维素类物质的降解利用。

鉴于此，作者对微生物复合菌群的来源及组成进行了简单介绍，并对微生物复合菌群的协同作用机理进行了讨论。

1 微生物复合菌群的来源及组成

获得降解木质纤维素的微生物复合菌群的方法主要有两种：从自然界中直接筛选、针对性选择某些功能菌株进行重新组合。

1.1 从自然界中直接筛选

直接从自然环境中筛选功能菌群的优势在于：能保持自然界中菌群成员之间的协同关系，有利于获得稳定的木质纤维素降解复合菌群。针对天然木质纤维素降解过程中材料去木质素化问题，目前已发现了一类特殊厌氧环境下的微生物菌群——白蚁肠道微生物［3－4］。白蚁肠道内存在多种具有木质纤维素降解能力的厌氧细菌和厌氧真菌，可以产生多种纤维素降解酶和半纤维素降解酶，虽然目前还未发现这类微生物能产生针对木质素的降解酶，但白蚁肠道内的鸡枞菌（Termitomyces）却发挥了“梳子”的作用，通过菌丝生长来破坏降解底物的木质素保护，将木质素“松动”“预处理”后，暴露出材料的纤维素和半纤维素，使材料更容易被肠道内其它微生物产生的复合酶系高效降解［3，5］。

从其它自然环境体系中筛选具有木质纤维素降解能力复合菌群的研究报道层出不穷［6－8］。潘虎等［9］研究了红树林根际土壤中微生物菌群，从中筛选得到纤维素降解复合菌群，包含8个属的好氧性细菌和3个属的真菌；Feng等［10］从土壤中富集到木质纤维素降解细菌菌群，包含疮疱丙酸杆菌（Propionibacterium acnes）、梭菌属细菌（Clostridiumsp.）、未培养厚壁菌门细菌（unculturedFirmicutes）、未培养β－变形杆菌（unculturedBetaproteobacterium）、泛杆菌属细菌（Pantoeasp.）等6种细菌，以该菌群作用于玉米秸秆粉末，发现该复合菌群培养8d可降解51%的玉米秸秆粉末，主产物为醋酸；崔宗均等［11］以4种堆肥样品为对象，筛选到4组纤维素降解复合菌群，后通过酸碱反应互补原则驯化出复合菌系MC1，纤维素降解能力强且十分稳定；Wang等［12］从腐熟堆肥中分离到了包括9种菌在内的复合菌群，50 ℃培养3d可降解99%的滤纸、77%的棉花和81%的水稻秸秆。

1.2 针对性选择某些功能菌株进行重新组合

陈耀宁［13］研究发现，将一株黄孢原毛平革菌（Phanerochaetechrysosporium）和一株岐皱青霉菌（Penicilliumsteckii）混合培养可提高降解体系中纤维素、半纤维素和木质素的降解率，分别比二者纯培养体系提高52.7%、53.1%和54.9%；黄茜等［14］利用白腐真菌中木质素降解能力较强的平菇HF（Pleurotus ostreatus）与纤维素降解能力较强的康氏木霉（Trichodermakoningii）混合发酵小麦秸秆，发现混合发酵的效果均优于单独发酵；Muhammad等［15］将绿色木霉（Trichodermaviride）MSK－10与黑曲霉（Aspergillus niger）MSK－7混合培养，培养基中各种酶的含量较单独培养增加了30%～50%。

通过上述研究不难发现，具有较强纤维素、半纤维素降解作用的细菌多为严格厌氧的梭杆菌属Clostridiumsp.［16－17］，另外，严格厌氧菌拟杆菌属Bacteriodessp.也是公认的纤维素降解菌［18－20］，真菌中白腐真菌、木霉、曲霉中的一些种类也能分泌多种木质纤维素降解酶。

2 微生物复合菌群的协同作用机理

微生物复合菌群之所以能够稳定传代并保持功能不变，是因为复合菌群成员间以一种互相影响、互相制衡的方式稳定共存［21］。以往对复合菌群的研究主要着眼于微生物的代谢产物对整个体系的影响，对复合菌群成员协同关系研究相对较少，因此，深入研究复合菌群成员之间的相互影响（如菌群成员之间存在的互养关系、对营养成分的竞争关系以及某一种微生物对其它成员产生一定程度的促进作用或抑制作用）、综合把握复合菌群的特点有助于更好地利用复合菌群。

Kato等［22］从堆肥中筛选出一组具有纤维素降解能力的细菌，经鉴定其中包括具有降解纤维素能力的厌氧细菌S（ClostridiumstraminisolvensCSK1），具有利用多糖能力的F（Clostridiumsp.FG4），可利用多肽、醋酸盐的好氧菌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种菌。为了更进一步探讨各菌株间的相互作用关系，将各菌株过滤后的培养液加入其它3种菌单一或两两组合或3种菌混合的培养基中，通过综合分析各种菌在培养过程中的数量动态变化，发现菌株S依赖于菌株1－5而存在，而菌株1－5又受到菌株1－3的负调节，菌株F 又会抑制菌株1－3的生长。因此，菌株F 对菌株1－5具有非直接的促进作用，同样就促进了菌株S的生长，这种复合菌群间的相互影响，尤其是非直接作用的存在，维持了复合菌群的稳定传代。

Kato等［23］还筛选到一组纤维素降解复合菌群SF356，经鉴定其中包含5种细菌，分别为Clostridium straminisolvensCSK1（厌氧纤维素降解菌）、Clostridiumsp.FG4（厌氧非纤维素降解菌）、Pseudoxanthomonassp.M1－3（兼性厌氧菌）、Brevibacillussp.M1－5（好氧菌）、Bordetellasp.M1－6（好氧菌）。采用依次培养减少某一种菌种的方法，研究种类减少后的复合菌群发酵产物种类、各种菌的生长速率、发酵产酶情况以及对底物的降解作用，综合分析复合菌群成员之间的协同作用和对整个体系的作用，发现CSK1为纤维素降解菌，删除了CSK1 后复合菌群中的FG4、M1－5、M1－3也会依次消失，说明后三者依赖于纤维素的降解才能生长；M1－5不能利用纤维素而只能利用葡萄糖为发酵底物，而FG4可实现多糖降解为葡萄糖的过程，从而维持了M1－5的生长；M1－6不受纤维素降解的制约，但受到M1－5的抑制作用，正是这一作用使得整个体系中各种菌的数量比例稳定，未呈现出M1－6的绝对优势；M1－3、M1－5、M1－6在发酵过程中起到消耗氧气、调节pH 值的作用。

3 结语

通过微生物复合菌群的协同作用而实现的木质纤维素的降解是完成地球生物圈碳循环的基础，也是成功实现生物质能源开发的必经步骤［24］。微生物种群的多样性影响系统功能［25－26］。深入研究不同菌种间的协同作用，探明微生物复合菌群各成员在发酵反应全过程中的作用，结合分子生物学技术阐明菌群成员在降解过程中的动态变化，都将为高效降解木质纤维素复合菌群的选育、优化提供有力支持。另外，利用分子生物学技术对纤维素酶编码基因进行改造、调控或修饰操纵基因达到减弱底物抑制作用是当前提高纤维素降解菌产酶量和促进酶活力的有效方法［27－30］。

微生物复合菌群的培养已在实际应用方面进行了有效的尝试［31－32］，今后关于复合菌群中各菌种之间的相互作用以及对木质纤维素联合降解作用的研究将有助于更好地认识并利用这类复杂的微生物体系。利用微生物复合菌群联合降解中药药渣，可将木质纤维素转化为小分子的单糖，释放出中药药渣中的药物活性物质，产生的丰富代谢产物对动植物生长发育具有一定的促进作用。因此，微生物复合菌群联合降解中药药渣有助于实现中药药渣的循环利用，是减轻环境污染、发展循环经济的创新技术。

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