纖維素分解功能菌及其在草業(yè)系統(tǒng)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(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院 草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室 中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070；2.青海大學農(nóng)牧學院草業(yè)科學系，青海 西寧 810016)

承受人口增長、能源短缺、環(huán)境劣變的巨大壓力，世界各國不得不依然承擔發(fā)展經(jīng)濟和保護環(huán)境的雙重使命。隨著能源危機和環(huán)境污染的不斷加劇，生物質(zhì)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(zhì)是其中一類在自然界中分布最廣、數(shù)量最大的可再生性生物質(zhì)資源[2]，如何合理開發(fā)和利用生物質(zhì)資源，依然是提升經(jīng)濟發(fā)展速度和改善環(huán)境品質(zhì)等方面急需亟待解決的課題。

人們對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中微生物功能群及其生態(tài)系統(tǒng)功能早有成熟的認識[3]，所謂的功能群是物質(zhì)流中具有特定生物學功能的微生物集合體[4]。在草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)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(tài)服務(wù)功能，必將對草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重大而深遠的意義。

系統(tǒng)學和自組織發(fā)生理論為草地發(fā)生學和草業(yè)科學的發(fā)生、發(fā)展具有重要的指導意義[5]，草業(yè)系統(tǒng)界面的研究為草業(yè)科學建立了新的方法論，為草業(yè)生產(chǎn)打開了系統(tǒng)耦合的廣闊前景[6]。以草業(yè)系統(tǒng)界面論為理論依據(jù)，從界面的層次認識纖維素分解功能菌資源在草業(yè)系統(tǒng)中的利用潛勢，對于理解草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展的議題具有積極的意義。

1 草業(yè)系統(tǒng)的3個界面

2007年，任繼周先生提出了草業(yè)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(jīng)營管理界面(C),將草業(yè)4個生產(chǎn)層(前植物生產(chǎn)層、植物生產(chǎn)層、動物生產(chǎn)層、后生物生產(chǎn)層)連綴而成完整的草業(yè)系統(tǒng)[6]。草業(yè)系統(tǒng)的界面論促進了草地系統(tǒng)論的延伸和發(fā)展，進一步完善了草業(yè)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(nèi)外學者[11-16]已經(jīng)從土壤、溫泉、油井、堆肥、朽木、反芻動物體內(nèi)、農(nóng)作物秸稈、動物腸道、城市垃圾等不同環(huán)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(tài)系統(tǒng)平衡重要的組成部分[17]，在自然界營養(yǎng)元素的生物地球化學循環(huán)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(zhì)循環(huán)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(zhì)[19]，在生態(tài)系統(tǒng)碳素循環(huán)中發(fā)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(nèi)切酶(endoglucanases,EG)，能在纖維素分子的內(nèi)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(xié)同作用的結(jié)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(nèi)等都能產(chǎn)生纖維素酶[23]。一般用于生產(chǎn)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(chǎn)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(zhì)、數(shù)量以及品質(zhì)等各方面均呈現(xiàn)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(fā)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]。現(xiàn)已從80多種細菌和數(shù)種真菌中克隆到了80 余個纖維素酶基因并被測序，并且?guī)缀跛幸芽寺〉睦w維素酶基因都已在大腸桿菌(Escherichiacoli)中表達[26]。研究發(fā)現(xiàn)，絲狀真菌木霉屬真菌的纖維素分解酶系較全，并且產(chǎn)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(nèi)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]。可以看出，纖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(yǎng)，還有相當多的微生物因為無法培養(yǎng)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(guān)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(fā)掘。克隆纖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(gòu)建。從未培養(yǎng)的微生物中克隆新的纖維素分解酶基因，獲取功能更強、結(jié)構(gòu)更新的基因及基因家族，將會成為一大研究熱點領(lǐng)域。

3 纖維素分解功能菌在草業(yè)系統(tǒng)界面中的利用潛勢分析

纖維素分解功能菌是草地生態(tài)系統(tǒng)中的分解者，在生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)、能量流動、信息傳遞中發(fā)揮著重要作用。來自于草地生態(tài)系統(tǒng)的纖維素分解功能菌，在系統(tǒng)及系統(tǒng)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(fā)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(guān)系、生態(tài)學的規(guī)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(yè)系統(tǒng)界面中發(fā)揮它的巨大潛力。

3.1草叢-地境界面(A)和土壤有機質(zhì)分解、資源循環(huán)利用及環(huán)境保護 草叢-地境界面是草業(yè)系統(tǒng)中最基本的界面，反映草地發(fā)生學機理，如草地土壤結(jié)構(gòu)、營養(yǎng)元素、水鹽動態(tài)、土壤微生物等組分的結(jié)構(gòu)、功能；它們與植物互作及反饋機制；草地系統(tǒng)中碳素循環(huán)的源與匯的動態(tài)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(guān)系，至少對促進纖維素分解功能微生物在草地生態(tài)系統(tǒng)中土壤有機質(zhì)的分解、轉(zhuǎn)化和實現(xiàn)人類居住環(huán)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(zhì)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(tài)，分解有機質(zhì)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(zhì)在自然狀態(tài)下極難分解。對于地處青藏高原的高寒草地生態(tài)系統(tǒng)可能已經(jīng)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(zhì)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(zhì)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(fā)工作任重而道遠，尚需進一步加強。

有些區(qū)域性的草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)(如青藏高原高寒草地生態(tài)系統(tǒng))主要以自然農(nóng)業(yè)生態(tài)為主導，是世界環(huán)境組織公認的“環(huán)境污染最輕的區(qū)域”。近年來，隨著生態(tài)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(zhuǎn)變?yōu)榫奂幼》绞剑粘Ｉ町a(chǎn)生的城市垃圾及生活廢棄物變成了居住環(huán)境中的主要污染物之一，由此帶來的環(huán)境污染和人類聚居狀況惡化等問題，已成為人們共同關(guān)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(shù)進行生活垃圾處理的研究已經(jīng)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(huán)境生活垃圾的處理方面具有一定的應(yīng)用和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

另外，畜禽糞便的處理問題長期困擾著養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)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(yǎng)流失于“土壤-植物”系統(tǒng)之外。利用纖維素分解菌資源，如何將富含木質(zhì)纖維素類有機廢棄物無害化、資源化處理是實現(xiàn)環(huán)境保護和資源循環(huán)利用的重要課題。

3.2草地-動物界面(B)和系統(tǒng)相悖孕育緩解草畜矛盾的潛勢 草原是以土-草-畜為主體構(gòu)成的一個相對獨立的生態(tài)系統(tǒng)，土、草、畜3個子系統(tǒng)之間相互獨立，相互統(tǒng)一，維持整個草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的有機協(xié)調(diào)發(fā)展。

草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中客觀存在子系統(tǒng)相悖理論分析了在草地子系統(tǒng)和動物子系統(tǒng)間固有的系統(tǒng)性的不協(xié)調(diào)因素群[38]。任繼周等[6]認為，草地子系統(tǒng)和動物子系統(tǒng)的相悖集中體現(xiàn)在3個方面：時間性系統(tǒng)相悖、空間性系統(tǒng)相悖和種間性系統(tǒng)相悖[6]。正是因為系統(tǒng)間的相悖，草畜矛盾日益尖銳成為了一個阻礙草業(yè)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)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(zhí)行，極大地拉動了飼草料的需求量；在牧區(qū)，牲畜承包到戶之后，牲畜數(shù)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(tài)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(fā)利用的力度不夠。萬里強等[39]認為，系統(tǒng)相悖既是系統(tǒng)耦合的障礙，也是有待克服、解放系統(tǒng)耦合生產(chǎn)潛力的關(guān)鍵。系統(tǒng)相悖導致系統(tǒng)耦合的不完善運行，但任何形式的系統(tǒng)相悖都有可能同時孕育生產(chǎn)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(diào)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(shù)處理的相關(guān)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(jīng)營管理界面(C)和家畜-作物系統(tǒng)深度耦合及可持續(xù)發(fā)展 草地農(nóng)業(yè)的發(fā)展經(jīng)歷了原始游牧、傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)3個主要發(fā)展階段。隨著可持續(xù)發(fā)展思想的提出，草地農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展已成為國內(nèi)外共同關(guān)注的問題。在草業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營過程中，通過人類的生產(chǎn)經(jīng)營活動，在草地生態(tài)系統(tǒng)與社會系統(tǒng)(人類活動) 之間架起經(jīng)常暢通的橋梁，通過資源-技術(shù)加工-經(jīng)營管理-市場調(diào)控-市場分配一系列渠道，進行宏觀調(diào)控和產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營，追求更高的能量轉(zhuǎn)化效率、效益與環(huán)境效應(yīng)。這是現(xiàn)代草業(yè)科學可持續(xù)發(fā)展的集中體現(xiàn)，也是草畜-經(jīng)營管理界面(C)的主要內(nèi)涵[45]。

在草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的家畜-作物系統(tǒng)耦合過程中，家畜急需牧草或飼料作物，而浪費農(nóng)作物秸稈，兩個子系統(tǒng)間實際存在的矛盾很難統(tǒng)一。這種生產(chǎn)模式自然而然成為阻礙草業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的重要因素，也是草地生產(chǎn)系統(tǒng)封閉性與以系統(tǒng)耦合為特征的開放性之間存在尖銳矛盾的外在表現(xiàn)。這就是人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(fā)展的結(jié)果。統(tǒng)計資料顯示[46]，我國每年產(chǎn)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(fā)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(tǒng)的農(nóng)業(yè)方法來解決家畜養(yǎng)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(nóng)作物秸稈的各種處理和利用技術(shù)在成熟性和經(jīng)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(huán)境污染問題已經(jīng)相當嚴重[47]。油菜(Brassicacampestris)秸稈屬于一種豐富的農(nóng)業(yè)副產(chǎn)資源，已有的研究發(fā)現(xiàn)，油菜秸稈是高蛋白、高脂肪的優(yōu)質(zhì)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(yīng)具有較高的草食及雜食動物飼用價值[48]。關(guān)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(shù)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(yǎng)價值和經(jīng)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(zhì)差異很大，并不能夠簡單、全部、直接地利用。因此，在草地和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)耦合過程中，利用纖維素功能菌資源，采用相應(yīng)的微生物技術(shù)，盡快研發(fā)大規(guī)模、工業(yè)化和經(jīng)濟合理的農(nóng)作物秸稈資源化技術(shù)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(yè)系統(tǒng)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(huán)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?nèi)パ芯亢烷_發(fā)，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(xiàn)代草業(yè)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(yè)系統(tǒng)界面中的利用價值和潛力，提供了有力的理論依據(jù)。因此，為促進草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)資源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，可以繼續(xù)開展如下幾個方面的研究：1)進一步研究草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中纖維素分解菌群落結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)良菌株的篩選，進而探索微生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能之間的關(guān)系。另外，纖維素分解菌資源在碳素循環(huán)中和實現(xiàn)環(huán)境保護及資源循環(huán)利用中意義重大。2)應(yīng)用一系列相應(yīng)的微生物生物處理技術(shù)，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(fā)酵處理，提高營養(yǎng)價值，緩解草地的載畜壓力，恢復和保護草地生態(tài)環(huán)境。3)利用高產(chǎn)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(fā)和合理利用當?shù)仫暳腺Y源，普及資源高效轉(zhuǎn)化和循環(huán)利用技術(shù)體系，通過非傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)方法來解決家畜養(yǎng)殖中的飼料來源問題。

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