解淀粉芽孢桿菌發酵技術在生物防治領域的研究進展

趙曉宇，王佳龍，孟利強，張淑梅，沙長青

解淀粉芽孢桿菌發酵技術在生物防治領域的研究進展

趙曉宇1，2，王佳龍1，孟利強1，2，張淑梅1，2，沙長青3

（1.黑龍江省科學院微生物研究所，哈爾濱150010；2.黑龍江省科學院高技術研究院，哈爾濱150020；3.黑龍江省科學院，哈爾濱150001）

通過介紹國內生物防治領域中解淀粉芽孢桿菌的液體發酵基本情況，總結了目前發酵中多添加可溶性淀粉、葡萄糖、蔗糖、胰蛋白胨、花生餅粉、尿素、豆粕、牛肉膏、酵母膏作為碳氮源的使用可獲得良好發酵結果。在發酵液中添加磷酸鹽作為緩沖溶液，并加入適當的Mn2+和Ca2+有助于芽孢形成，對發酵中pH值水平、溶氧水平等工藝進行了綜述，為后續的科研工作做了必要總結。根據目前國內研究情況，提出應努力應用更多先進的統計學分析手段，指導發酵技術。應進一步探討通過實時調控發酵條件來控制發酵結果，應用連續發酵等技術，進一步發展解淀粉芽孢桿菌的液體發酵技術。

解淀粉芽孢桿菌；生物防治；液體發酵

微生物發酵是利用微生物在適宜的條件下，將特定培養基經過一定的代謝途徑轉化為人類所需要的產物的過程。微生物發酵生產水平不僅取決于菌種本身的遺傳特性，還需要供給合適的培養基和發酵條件。優化發酵工藝可以充分發揮菌種的潛在生產能力，提高生產效率，降低生產成本［1］。

自1955年我國開始報道生物防治以來，篩選獲得了大量的微生物菌株，對多種作物的病害具有較強抑制作用。解淀粉芽孢桿菌為芽孢桿菌屬，是一種與枯草芽孢桿菌親緣性很高的細菌，其在生長過程中可以產生一系列能夠抑制真菌和細菌活性的代謝物，對植物病原菌具有強烈抑制作用［2］。該菌在自然界分布廣泛，易分離培養，對人畜無毒無害，不污染環境；其代謝產物較為豐富，具有廣譜抗菌活性和較強的抗逆能力，生長快，穩定性較好［3］。以往對于解淀粉芽胞桿菌的應用主要作為工業產酶菌株，近些年關于解淀粉芽胞桿菌的研究不斷擴大，在生物防治、果蔬保鮮、促生方面都出現了報道，具有廣闊的應用前景。

1　培養基對生防菌發酵的影響

培養基是微生物細胞生長繁殖提供所需環境，發酵培養基主要用來滿足微生物生長繁殖、代謝產物合成過程中的的營養物質及能量需求，并為細胞提供適宜的生存環境［4］。在微生物產品發酵的科研和生產工作中，由于菌種不同、生長階段不同及發酵工藝條件的差異，所使用的培養基也不盡相同。普遍均含有含碳物質、含氮物質、無機鹽以及維生素和水等。不同的微生物對營養的需求有所差異。因此，培養基的成分和含量對微生物的生長繁殖、代謝產物的生成及產品的分離純化都具有重要的影響，其中碳源和氮源是最重要的影響因素。

凡能提供微生物營養所需的碳元素和氮元素的營養源，被稱為碳源和氮源［5］。微生物可利用的碳源非常廣泛，主要分為有機碳和無機碳兩類，利用有機碳的微生物多數為異養微生物，目前所篩選獲得微生物多數為異養微生物，因此，多選擇有機碳為主的碳源作為培養基重要組成。在有機碳方面糖類是最為廣泛的碳源，包括單糖、多糖和各種淀粉以及糖蜜等，而在工業生產上也選擇麩皮、米糠、纖維素等作為碳源。應用在微生物發酵粉中的氮源的種類也非常廣泛，實驗室和生產上常用做氮源的材料有（NH4）2SO4、NH4NO3、尿素、牛肉膏、蛋白胨、酵母膏及蛋白質含量較高的黃豆粉、魚粉、花生餅粉、豆粕等。

劉京蘭［6］將篩選獲得的內生解淀粉芽孢桿菌CC09可溶性淀粉（碳源）5g/L、比例為3∶1的胰蛋白胨酵母粉混合氮源15g/L，在此條件下，Iturin A的產量可達到690mg/L，較優化前的提高了4倍。魏嬌洋［7］篩選獲得的可防治棉花黃萎病菌的內生解淀粉芽孢桿菌X-278，進行發酵優化后，在葡萄糖1.5%、花生餅粉2%的條件下活菌數量達到1.5×1010CFU/mL，對棉花黃萎病菌的抑菌圈直徑為33.4mm。梁昌聰［8］將解淀粉芽孢桿菌C101培養基進行優化，結果表明，在選擇蔗糖20 g/L、尿素4.0 g/L、豆粕4.0 g/L的條件下，芽孢含量提高了188%。張靜［9］等研究的解淀粉芽孢桿菌及其分泌物對山茶灰斑病病原菌具有較好的拮抗作用，其菌株發酵最佳碳、氮源分別為葡萄糖和蛋白胨。洪鵬［10］探討了解淀粉芽孢桿菌HF-01菌株液體發酵條件，最佳碳氮源為葡萄糖3.0%、酵母提取粉0.5%。馬桂珍［11］研究的解淀粉芽孢桿菌GM-1菌株，碳氮源選擇為蔗糖10g/L，牛肉膏16g/L，酵母膏3g/L。張淑梅［12］對內生解淀粉芽孢桿菌TF28液體發酵培養基碳氮源進行篩選，確定菌株TF28最佳培養基配方為:葡萄糖1%，牛肉膏0.5%，酵母膏0.3%。章小洪［13］等研究發現，玉米粉對解淀粉芽孢桿菌BW-13產生抗真菌活性物質的促進效果非常明顯，最佳培養基配方需要含有玉米粉32 g/L，蛋白胨9 g/L。

各類重要元素是生命活動必須的營養物質，無機鹽可為微生物提供除去氮碳源以外的各種重要元素。例如，P、K、Na、Mg、Mn、Ca、S、Fe、Zn等。不同的微生物菌株對各類鹽累元素需求各不相同。各類元素在發酵液培養基中所扮演的角色也不盡相同。P、S、Ca、Mg、Fe等協助細胞內一般分子的合成。Na等維持調節細胞內外的滲透壓。Mg、Cu、Zn則是生物活性酶的激活劑。S、Fe、NH4、NO2等離子為微生物提供能量，NO3和SO4等離子是生命活動氫受體，Co、Mo則是特殊分子的組成部分。

解淀粉芽孢桿菌X-278的發酵所需元素為硫酸銨0.5%、碳酸鈣0.1%、硫酸鎂0.5%、氯化鈉0.5%［7］。梁昌聰［8］研究結果顯示，在培養基中添加2.0g/L的KNO3，2.4g/L的Na2HPO4，0.52g/L的KH2PO4，0.55g/L的（NH4）2SO4，1.0g/L的 NaCl，0.50g/L的 MgSO4· 7H2O，0.005g/L的FeSO4，0.0054 g/L的MnSO4，解淀粉芽孢桿菌C101最大理論芽孢含量為14.67×108個/mL。解淀粉芽孢桿菌HF-01菌株最適發酵培養基中添加氯化鈉0.3%、硫酸鎂0.1%［10］。馬桂珍［11］研究的解淀粉芽孢桿菌GM-1菌株，在培養基中添加了0.4g/L的FeSO4。張淑梅［12］等在發酵內生解淀粉芽孢桿菌TF28培養基中添加硫酸錳0.01%和碳酸鈣0.5%。章小洪［13］的研究是在培養基中添加Mn2+對解淀粉芽孢桿菌BW-13產生抗真菌活性物質的促進效果非常明顯，添加量控制在5 mg/L。洪鵬則是在培養基中添加了一定量的Mg2+離子。

2　培養條件對解淀粉芽孢桿菌的影響

對于微生物來說，其可生長的pH值范圍非常廣泛，多數菌株在pH5～9可以正常生長，但在菌株生命活動過程中需要在最適pH值條件下，控制發酵過程。不同的發酵pH值菌株所代謝的產物有所不同，需要根據發酵目標確定最適發酵pH值。而且在發酵過程中，pH值會隨著發酵時間的延長而改變，因此要在發酵過程中流加酸堿物質，調控pH值走向。

溫度是影響發酵結果的最重要的因素，因為生命活動是一系列生物化學反應組成的，這些反應受溫度的影響極為嚴重，因此必須在適合微生物生長的最佳條件下，才可獲得最適的發酵結果。最適發酵溫度意義是菌株分裂代時最短或生長速度最快時的培養溫度。但最適發酵溫度不完全等同于發酵速度最高的溫度，也不等同于某一代謝產物累積最高時的培養溫度，因此需要根據發酵目標去篩選獲得適合本菌株的最佳溫度。

氧氣在微生物生長中扮演重要角色，因為解淀粉芽孢桿菌均為好氧菌，因此氧氣是本菌株的必備發酵條件之一。在氧氣的存在下，氧分子參與整個呼吸鏈作用，并做氫的最終受體，在超氧化物歧化酶和過氧化氫酶作用下完成生命活動。在發酵過程中在溶氧電極的檢測下，可以獲得培養體系內溶氧數值，而在一般的發酵條件下則是通過調整攪拌頻率來控制溶氧。

以上3種因素是影響發酵條件的主要因素，但在發酵過程中，種齡、發酵時間、接種量也對發酵的過程和結果有一定的影響，因此在研究發酵過程中也不能忽視。

張靜［9］等確定其防治山茶灰斑病的解淀粉芽孢桿菌，最佳優化條件為25℃、pH值6.0、每125 mL接種2 mL孢子懸液于300 mL錐形瓶中震蕩培養，作用時間72h后，抑菌值達0.85。解淀粉芽孢桿菌HF 01菌株最佳發酵培養條件為初始pH值6.0～6.5、培養溫度28℃、培養時間48 h、250 mL三角瓶裝液量90 mL、接種量體積分數6%、搖床轉速130 rpm。在最佳發酵培養基和培養條件下，菌株HF-01抑菌能力提高37.3%。洪鵬［10］等對解淀粉芽孢桿菌HF-01的發酵條件進行了優化，在初始pH 6.0～6.5，培養溫度28℃，培養時間48 h，接種量6%，搖床轉速130 rpm的條件下，菌株HF-01的抑菌能力可提高37.3%。解淀粉芽孢桿菌GM-1最佳發酵條件為:28℃，pH7.0，200rpm，搖床培養60h，種子液濃度在108cfu/mL水平，接種量為10%［11］。 張淑梅［12］確定菌株 TF28最佳發酵條件為:初始pH 7.5，培養溫度30℃，發酵周期48 h，接種量2%，轉數200 rpm。解淀粉芽孢桿菌BW-13最佳發酵條件為：初始發酵pH 5.0，接種量為4%，培養溫度28℃，搖床轉速200 rpm，培養時間144 h，比優化前提高28.94%［13］。

3　展望

確定適合研究目標的培養基組成和發酵條件是研究的重點，而如何應用現代的統計學、數學的方法去完成我們的實驗目標、安排我們的實驗、處理實驗結果，會使我們的研究變得更為簡而易行。目前基于現代統計學相關技術方法，得到廣泛應用包括正交試驗設計、均勻設計和基于計算機模擬技術的響應面法在發酵技術領域高速發展，越來越多的科研工作者應用統計軟件對試驗結果進行數學回歸模擬達到優化目的。

根據目前的研究結果，在實驗中調整各種參數來調控發酵的技術還未見報道，我們可以針對我們想要獲得的某一指標調整某一發酵過程參數，來控制發酵結果，例如，在發酵過程中，升高或降低溫度調整微生物生長速度，控制發酵過程中pH值的改變來中和發酵過程中產生的乳酸，我們經過試驗已經證明可以對芽孢的形成速度有所影響，在發酵過程中控制溶氧的比例也會對發酵過程工藝有所調控。另外，在發酵過程中進行連續補料可能也會對最終產物的累積形成具有一定的意義。但這些在國內的文件中還未見報道，需要我們科技工作者不斷的深入研究，為生物防治領域帶來新的曙光。

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Research progress of fermentation technology of Bacillus amyloliquefaciens in the field of biological control

ZHAOXiao-yu1，2，WANGJia-long1，MENGLi-qiang1，2，ZHANGShu-mei1，2，SHAChang-qing3
（1.Institute ofMicrobiology，HeilongjiangAcademyofSciences，Harbin 150010，China；2.Institute ofAdvanced Technology，HeilongjiangAcademyofSciences，Harbin 150020，China；3.HeilongjiangAcademyofSciences，Harbin 150001，China）

By introducing liquid starch Bacillus fermentation solution in the field of domestic biocontrol basic situation，this paper reviews the soluble starch，glucose，sucrose，tryptone，peanut meal，urea，soybean meal，beef extract，yeast extract as the use of carbon and nitrogen sources and get a good result of fermentation in the current fermentation.Add broth as phosphate buffer solution，and add the appropriate Mn2+and Ca2+to help sporulation. The pH level，dissolved oxygen levels and other processes in fermentation were reviewed，serving as the necessary follow-up research.According to the current situation of domestic research，efforts should be made on more sophisticated statistical analysis application tools，guidance fermentation technology.Further exploration should be done through real-time regulation of fermentation conditions to control the fermentation results，apply continuous fermentation technology，advances in the development of the liquid fermentation technology of Bacillus amyloliquefaciens.

Bacillus amyloliquefaciens；Biocontrol；Fermentation

S476

A

1674-8646（2015）04-0018-03

2015-03-02

黑龍江省科技攻關項目（GZ13B017）；黑龍江省院所基本應用技術研究專項（CZ14BZXY14）；黑龍江省科學院學部委員項目（XB13CZXY14）

趙曉宇（1979-），男，黑龍江肇源人，副研究員，學士，主要從事生物防治、基因工程研究。

沙長青（1965-），男，黑龍江哈爾濱人，研究員，碩士，主要從事農業微生物領域研究。