一、 枯草芽孢桿菌的發(fā)現(xiàn)和特性
芽孢桿菌是人們早開始接觸并研究的益生菌類群，而枯草芽孢桿菌是其屬中比較受關注的一種細菌。
1835年Ehrenberg發(fā)現(xiàn)枯草芽孢桿菌，并將其命名為“Vibrio subtilis”。隨著細菌分類系統(tǒng)的建立，1872年Cohn又將其命名為“Bacillus subtilis”。1997年，Kunst F．等人首先完成了枯草芽孢桿菌的完整基因組序列測定，并將結果發(fā)表在《Nature》雜志上?？莶菅挎邨U菌隸屬于芽孢桿菌科、芽孢桿菌屬，作為芽孢桿菌科（Bacilaceae）的模式菌株，菌體呈桿狀，無莢膜，周生鞭毛能運動，是自然界中廣泛存在的革蘭氏陽性菌。
枯草芽孢桿菌是一種能生成抗逆性孢子的好氧性細菌，便于篩選分離，其所需營養(yǎng)成分簡單、生長繁殖速度快、適應性及抗逆性極強，利于大量培養(yǎng)。枯草芽孢桿菌的芽孢有較強耐受力，能耐酸堿、耐擠壓、耐高溫，在環(huán)境不佳時可保持休眠狀態(tài)，等適宜時再發(fā)揮其功能。
枯草芽孢桿菌具有液化明膠、還原硝酸鹽以及水解淀粉的功能，對動植物及人體均有益無害。目前，枯草芽孢桿菌已廣泛應用于醫(yī)藥、食品、養(yǎng)殖和種植等多個行業(yè)。
二、 枯草芽孢桿菌的選育和生產(chǎn)
高活性枯草芽孢桿菌菌株是其廣泛應用的重要前提?？莶菅挎邨U菌篩選可依據(jù)形態(tài)特性、產(chǎn)酶能力、抑菌能力和抗逆性分析等方法在動物腸道、植物根際、土壤環(huán)境、發(fā)酵體等環(huán)境中分離，并進行分子生物學及生理生化鑒定，以挑選出性能優(yōu)良的菌株。
篩選出性能優(yōu)良的菌株后，如何獲得有效生物量更高的產(chǎn)品，是枯草芽孢桿菌工業(yè)化生產(chǎn)中的核心問題。目前，應用于工業(yè)化的發(fā)酵工藝主要有以下3種：液態(tài)發(fā)酵、固態(tài)發(fā)酵和液固兩相發(fā)酵。實際生產(chǎn)中，以液態(tài)發(fā)酵為主。
液態(tài)發(fā)酵是將活化菌種接種到發(fā)酵罐中，進行液體培養(yǎng)的方法。其一般流程為菌種接種，發(fā)酵罐培養(yǎng)、過濾、濃縮、干燥從而得到菌劑。該方法的優(yōu)點為液體環(huán)境有利于菌體、底物、產(chǎn)物以及熱量的擴散，使得發(fā)酵在均質(zhì)均熱的條件下進行；發(fā)酵過程速度快，周期短；便于監(jiān)測和控制；易擴大培養(yǎng)規(guī)模。缺點為液體培養(yǎng)基的水分多，使得有價值的大分子物質(zhì)濃度低，產(chǎn)生的廢液也多；后續(xù)分離純化困難，成本較高。
固態(tài)發(fā)酵是一種培養(yǎng)基呈固態(tài)、培養(yǎng)基中沒有或幾乎沒有流動水、利用自然底物作為碳源和能源或利用惰性底物作為支持物的發(fā)酵過程。該方法的優(yōu)點為培養(yǎng)基簡單且來源廣泛，利用自然底物如麩皮、豆粕等作碳源和氮源；后處理加工方便，往往無需分離提純；含水率低，無大量廢水排放，清潔環(huán)保；缺點為固態(tài)發(fā)酵傳熱困難，菌體生長不均勻，存在熱量和質(zhì)量梯度，從而限制發(fā)酵水平，發(fā)酵周期較長。
液固兩相發(fā)酵指的是先通過液態(tài)發(fā)酵，快速培養(yǎng)大量高活力菌體，然后通過無菌輸送將高活力菌體接種到固態(tài)培養(yǎng)基進行發(fā)酵。該方法的優(yōu)點為結合了液體發(fā)酵周期短、菌量大和固態(tài)發(fā)酵成本低、菌體活力高的優(yōu)勢，同時也回避了液態(tài)發(fā)酵后期處理復雜的問題。缺點為從液態(tài)到固態(tài)，菌體可能會因為培養(yǎng)基差異過大導致延滯期過長，進而降低發(fā)酵效率。
干燥是微生物制品發(fā)酵的重要后處理環(huán)節(jié)，對于保證菌劑穩(wěn)定性，后續(xù)貯存及運輸具有重要意義。干燥通常需采用高溫、真空、冷凍、輻射等方式進行，而這些干燥方式對枯草芽孢桿菌生長環(huán)境而言均比較嚴峻。有研究對比了高溫常壓干燥(80°C)、冷凍干燥(真空度4Pa，溫度35°C)和噴霧干燥(進風口溫度180°C，出風口溫度85°C)對芽孢桿菌活菌數(shù)的影響。結果表明菌體在高溫常壓干燥過程中大量死亡；噴霧干燥和冷凍干燥制劑的活菌數(shù)無明顯差異；噴霧干燥和冷凍干燥過程中菌體損傷相近。
三、 枯草芽孢桿菌在醫(yī)藥上的應用
枯草芽孢桿菌醫(yī)藥上的應用主要分為兩類，一類是將芽孢直接加工成為生物制品藥品，一類是將枯草芽孢桿菌分泌的有益物質(zhì)加工成為醫(yī)藥。
常見的媽咪愛為枯草桿菌二聯(lián)活菌顆粒，用于兒童因腸道菌群失調(diào)引起的腹瀉、便秘、脹氣、消化不良等。媽咪愛每袋（1克）含活菌凍干粉37.5毫克，內(nèi)有活菌1.5億個（屎腸球菌1.35×108個，枯草桿菌1.5×107個），另外添加了多種維生素、乳酸鈣和煙酰胺。
枯草芽孢桿菌也被制作成為噴霧劑，用于防治燒傷燙傷創(chuàng)面感染。該噴霧劑每毫升含有枯草芽孢桿菌5×107個。通過對創(chuàng)面植入優(yōu)勢菌，可迅速形成菌膜，并具有生物拮抗作用，對燒傷創(chuàng)面起到生物屏障和抑菌作用，達到防治由金黃色葡萄球菌、綠膿桿菌、假單胞桿菌等外襲感染的目的。
早期新生兒常見高膽紅素血癥，目前臨床上常用藍光照射治療，但是黃疸程度重者常需要反復照射，所需住院時間較長。有研究發(fā)現(xiàn)，枯草芽孢桿菌活菌膠囊的安全性較高、基本無不良反應，且口感較好，在臨床上使用枯草芽孢桿菌活菌膠囊加藍光照射共同治療早期新生兒高膽紅素血癥得到了很好的效果，而且具有住院時間短、復發(fā)率低等特點。此外，枯草芽孢桿菌的芽孢可作為黏膜佐劑用于疫苗的制備，能有效刺激動物機體產(chǎn)生特異性的免疫反應。
枯草芽孢桿菌分泌的多種胞外酶已應用到許多不同領域中，其中脂肪酶和絲氨酸纖溶蛋白酶(即納豆激酶)被廣泛應用于醫(yī)藥行業(yè)。脂肪酶具有多種催化能力，其在動物或人體的消化道中與原本存在的消化酶類共同發(fā)揮作用，使消化道處于健康的平衡狀態(tài)。納豆激酶是納豆枯草芽孢桿菌分泌的一種絲氨酸蛋白酶，該酶具有溶解血栓、改善血液循環(huán)、軟化血管以及增加血管彈性等作用。
四、 枯草芽孢桿菌在食品上的應用
枯草芽孢桿菌還未直接用于食品中，但有研究表明枯草芽孢桿菌在釀酒過程中起到了非常重要的作用。芽孢桿菌，包括嗜熱芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌以及地衣芽孢桿菌等都有較強的水解淀粉和蛋白質(zhì)的能力，是醬香型白酒的風味物生成和風格形成的重要菌類。由于芽孢桿菌能夠產(chǎn)生蛋白酶與淀粉酶，其水解原料形成豐富的前體環(huán)境，有利于風味物質(zhì)的生成。
四川省古藺郎酒廠有限公司的研發(fā)人員從高溫大曲中分離得到的枯草芽孢桿菌，制成菌粉分別添加至醬香型二次酒高溫堆積前和入池發(fā)酵前的糟醅中，模擬醬香型白酒生產(chǎn)，入池發(fā)酵40d，以提高三次酒的品質(zhì)，同時考察不同添加方式、添加量對糟醅和酒質(zhì)的影響。結果表明，不同接種量對糟醅存在影響，發(fā)現(xiàn)“堆積組”接種量為4‰時效果佳，所得糟醅中四甲基吡嗪含量較高；接種方式上，堆積糖化前添加所產(chǎn)酒的香味物質(zhì)種類、特征香味含量、酒體感官質(zhì)量均優(yōu)于入窖前添加。
五、 枯草芽孢桿菌在養(yǎng)殖業(yè)上的應用
動物養(yǎng)殖
枯草芽孢桿菌是動物飼料中常添加的益生菌種，它以芽孢的形式添加于動物飼料中。芽孢是處于休眠狀態(tài)的活細胞，能夠耐受飼料加工過程中的不良環(huán)境，制備成菌劑后穩(wěn)定且易存儲，并且在進入動物腸道后能夠迅速復蘇和繁殖。
枯草芽孢桿菌在動物腸道中復蘇增殖后就可發(fā)揮其益生特性，包括改善動物腸道菌群、增強機體免疫力以及提供多種動物所需的酶類等，可以彌補動物體內(nèi)源酶的不足，促進動物的生長發(fā)育，具有顯著的益生作用。
水產(chǎn)養(yǎng)殖
枯草芽孢桿菌是中國農(nóng)業(yè)部批準的益生菌。它具有單一菌株，對抗生素無抗性，對水生動物無毒。在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，有兩種使用枯草芽孢桿菌的方法，一種用于水凈化，用于改善水質(zhì)，抑制有害藻類的過度繁殖，消除底部淤積，改良底質(zhì)，用10倍水稀釋浸泡1h后全塘均勻潑灑。在水質(zhì)改善方面，枯草芽孢桿菌可以在水中消耗大量的有機物，并將其分解成小的有機酸、氨基酸，為單細胞藻類提供營養(yǎng)，降低氨濃度和凈化水質(zhì)。
另一種是口服給藥，其用作水生動物的飼料添加劑。添加到魚飼料中的枯草芽孢桿菌可以改善魚的胃腸功能，提高飼料利用率，改善肉質(zhì)，促進生長，并具有良好的防病效果。魚類可增長10%以上，通常在1周內(nèi)看效果。
六、 枯草芽孢桿菌用作微生物農(nóng)藥
植物病害是由病原真菌或細菌侵害引起的，常表現(xiàn)為葉片發(fā)黃、萎蔫及潰爛等癥狀。常用的植物病害防治方法為化學防治，即噴灑農(nóng)藥等。但是，化學防治有多種弊端。因此，生物防治植物病害成為研究的熱點，而枯草芽孢桿菌是其中代表性的生防菌種。
枯草芽孢桿菌分泌的抗菌物質(zhì)主要包括:①脂肽類物質(zhì):易溶于水，是枯草芽孢桿菌主要抗菌產(chǎn)物之一;②蛋白類抗菌物質(zhì):主要包括幾丁質(zhì)酶、多肽類和抗菌蛋白;③酚類物質(zhì):一種拮抗物質(zhì)，可以對抗病原菌;④多烯類物質(zhì):可以結合真菌細胞膜中的某些物質(zhì)，起到干擾真菌的代謝途徑、增加細胞膜通透性的作用，導致細胞死亡。
芽孢桿菌分泌的抗菌物質(zhì)可能通過以下幾種途徑來抑制病原菌:①阻礙病原菌的細胞壁合成，并損傷細胞膜;②作用于病原菌的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)，阻礙蛋白質(zhì)合成;③作用于能量代謝系統(tǒng)，使真菌無法生成孢子;④加速植物種子萌發(fā)，增強植物自身抗病能力。
枯草芽孢桿菌作為防治植物病害的主要生防菌，其主要作用機制如下:①影響植物根際土壤中關鍵酶活性。②影響植物根際土壤中微生物多樣性。在植物根際土壤施加生防枯草芽孢桿菌菌劑，主要受影響的是土壤中真菌和細菌的數(shù)量與種類變化。
查詢農(nóng)藥登記信息，截止2020年2月15日，用作殺菌劑的微生物制劑（不含母藥、原藥）共有101個證件，其中枯草芽孢桿菌為58個。登記數(shù)據(jù)表明，枯草芽孢桿菌是目前應用為廣泛的微生物農(nóng)藥。七、 枯草芽孢桿菌用作微生物肥料
枯草芽孢桿菌用作微生物肥料主要體現(xiàn)在：
① 促進植物生長?？莶菅挎邨U菌能夠分泌促進植物生長的活性物質(zhì)，通過自身合成α-淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纖維素酶等酶類，與其它植株體內(nèi)酶協(xié)同發(fā)揮作用。同時，通過自身合成B1、B2、B6、煙酸等多種B族維生素，促進植物生長發(fā)育促進作物生長，有助于增產(chǎn)增收。
② 改善土壤結構?？莶菅挎邨U菌改良土壤主要表現(xiàn)在調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分、改變土壤微生物菌群結構、分解土壤殘留農(nóng)藥等方面。施用枯草芽孢桿菌可以顯著增加土壤堿解氮和速效磷含量、速效鉀和全鉀含量，而且與枯草芽孢桿菌用量成顯著正相關。衡量土壤肥力的重要指標有機質(zhì)也能夠在枯草芽孢桿菌的作用下，隨菌劑用量的增加而顯著增加，從而改善和調(diào)節(jié)耕層養(yǎng)分，利于作物生長所需營養(yǎng)的供給。
③ 提高作物品質(zhì)?？莶菅挎邨U菌在土壤中定殖后，會產(chǎn)生大量的植物激素和有機酸，刺激根系的生長，改良土壤質(zhì)量，促進作物生理代謝，形成良性的植物-土壤-微生物生態(tài)系統(tǒng)，從而有效提高作物品質(zhì)。
枯草芽孢桿菌用于有機廢棄物處理
有機廢棄物在高溫條件下通過微生物的生長代謝作用使不穩(wěn)定的有機物礦質(zhì)化、腐殖化和無害化進而變成腐熟肥料的過程被稱為“堆肥”。為了加快和改善堆肥腐熟進程和質(zhì)量，通常在堆肥過程中添加有機物料腐熟劑。枯草芽孢桿菌作為一種的有機物料腐熟劑，被廣泛用于有機廢棄物處理。
查詢農(nóng)業(yè)部微生物肥料監(jiān)督檢驗測試中心的登記信息，除了光合細菌菌劑和根瘤菌菌劑，枯草芽孢桿菌可用作大部分類型的微生物肥料，而且占比非常高。
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產(chǎn)品類型 |
產(chǎn)品數(shù)量 |
含枯草芽孢桿菌 的產(chǎn)品數(shù)量 |
含枯草芽孢桿菌 的產(chǎn)品比例 |
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微生物菌劑 |
2985 |
1660 |
55.6% |
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生物有機肥 |
2038 |
1383 |
67.9% |
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復合微生物肥 |
1322 |
915 |
69.2% |
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有機物料腐熟劑 |
269 |
199 |
74.0% |
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土壤修復菌劑 |
25 |
4 |
16.0% |
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合計 |
6639 |
4161 |
62.7% |
八、 四川綠微生物的枯草芽孢桿菌相關產(chǎn)品
四川綠微生物科技有限公司成立于2017年，主要從事農(nóng)用微生物菌劑的研發(fā)、銷售、技術服務，提供有機固體廢棄物資源化利用綜合服務。
公司正在銷售的枯草芽孢桿菌菌種，有1000億每克、500億每克、200億每克等多種含量，有單一菌種和復合菌種，有可溶菌種和不溶菌種?？莶菅挎邨U菌系列產(chǎn)品可以滿足肥料公司生產(chǎn)顆粒、粉劑、液體等多種形態(tài)的產(chǎn)品，可以滿足肥料公司生產(chǎn)生物有機肥、復合微生物肥、微生物菌劑等多種類別的產(chǎn)品。
公司正在銷售的有機物料腐熟劑含有枯草芽孢桿菌，可以用于動物糞便、城市污泥、農(nóng)用秸稈等多種有機固體廢棄物的堆肥發(fā)酵，用量少、成本低、升溫快、周期短、除臭明顯、腐熟。
公司目前正在研發(fā)用于微生物農(nóng)藥的枯草芽孢桿菌，抑菌促生效果明顯、制劑工藝先進，可以滿足枯草芽孢桿菌相關農(nóng)藥企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量要求。
