郭 成，孫曉格，郝陽毅，徐曉鋒*，李勝利,*

（1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏銀川 750021；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100193）

粗纖維主要成分包括纖維素、半纖維素、木質(zhì)素，其中木質(zhì)素是一種由一系列碳氧鍵和碳碳鍵形成的具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的天然無定形有機(jī)聚合物，并與纖維素和半纖維素一起構(gòu)成植物細(xì)胞壁，在生物質(zhì)資源中普遍存在。粗纖維在地球上分布廣泛，是最為豐富的可再生資源。但是由于粗纖維的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其降解需要多種微生物及多種酶協(xié)同互作。反芻動(dòng)物由于其特殊的生理結(jié)構(gòu)，可以對纖維素利用。農(nóng)業(yè)廢料（如秸稈、糟渣等）含有大量的粗纖維均可作為反芻動(dòng)物粗飼料的來源。這些粗飼料在瘤胃微生物的共同作用下，最終發(fā)酵降解為揮發(fā)性脂肪酸，作為營養(yǎng)物質(zhì)被反芻動(dòng)物瘤胃吸收。粗飼料在反芻動(dòng)物日糧結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位，精飼料添加過多會導(dǎo)致反芻動(dòng)物瘤胃酸中毒或亞急性酸中毒（Sub-Clinical Rumеn Acidosis，SARA），當(dāng)瘤胃處于酸中毒或者SARA 時(shí)，瘤胃發(fā)酵模式和乳腺脂肪酸的分泌都會發(fā)生改變。研究表明，當(dāng)奶牛發(fā)生亞急性酸中毒時(shí)可引起乳脂下降，粗飼料在日糧中的比重直接影響奶牛乳脂的合成。盡管粗飼料對反芻動(dòng)物意義很大，但是反芻動(dòng)物對粗飼料中粗纖維的降解作用有限，從反芻動(dòng)物糞便中回收的纖維仍然可以被發(fā)酵。

飼料中的粗纖維影響反芻動(dòng)物的消化，粗纖維的含量與反芻動(dòng)物對飼料干物質(zhì)的消化率呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)反芻動(dòng)物粗飼料品質(zhì)不高（木質(zhì)素過多）時(shí)，會加劇反芻動(dòng)物溫室氣體的排放，造成飼料能量損失，還會降低反芻動(dòng)物的生產(chǎn)性能。因此，探究粗纖維高效利用、提高反芻動(dòng)物的飼料消化率對養(yǎng)殖業(yè)高質(zhì)量生產(chǎn)、降低成本以及環(huán)境可持續(xù)發(fā)展有重要意義。類似于反芻動(dòng)物，自然界也有很多昆蟲可以利用其胃腸道的微生物互作來降解粗纖維。早有研究從昆蟲中發(fā)掘了具有粗纖維降解能力的微生物。由于白蟻（Tеrmitе）對粗纖維有高效的降解能力，近年來也被國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。本文綜述了白蟻高效降解粗纖維體系的機(jī)制以及白蟻在反芻動(dòng)物上的開發(fā)前景，為白蟻生物資源在反芻動(dòng)物上的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 白蟻的分類及消化特點(diǎn)

白蟻分為低等和高等兩大類，高等白蟻后腸沒有原蟲，且高等白蟻的消化結(jié)構(gòu)相對低等白蟻更復(fù)雜，消化道比低等白蟻更長。

白蟻的消化道分為前腸、中腸和后腸，其中前腸和中腸較小，后腸結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，分別為腸道瓣前節(jié)（P1）、腸道瓣（P2）、發(fā)酵室（P3）、結(jié)腸區(qū)（P4）以及直腸區(qū)（P5），其中后腸的P3 區(qū)顯著膨大，白蟻的P3、P4、P5 區(qū)中存在大量的共生微生物，可以幫助白蟻更加高效地利用粗纖維。白蟻是自然界為數(shù)不多的粗纖維高效降解者，白蟻能夠利用其腸道內(nèi)的共生微生物（如細(xì)菌、古細(xì)菌、真菌）及低等白蟻腸道內(nèi)特有的原生動(dòng)物等產(chǎn)生的粗纖維降解酶類來降解粗纖維。研究表明，在白蟻腸道內(nèi)微生物作用下，食物中的65%～87%半纖維素、74%～99% 纖維素及25%～100% 木質(zhì)素可被白蟻降解，其降解粗纖維的效率顯著高于瘤胃。

低等白蟻可以利用體內(nèi)原蟲吞噬前腸、中腸初步消化的粗纖維，最終將其降解生成乙酸、二氧化碳和氫。高等白蟻取食木材后，在后腸通過內(nèi)源性纖維素酶以及大量的纖維素降解菌相互作用，最終將粗纖維降解為乙酸、丙酸等短鏈脂肪酸以及二氧化碳和氫。盡管白蟻?zhàn)陨砟軌虍a(chǎn)生內(nèi)源性粗纖維降解酶，但只有在腸道微生物的幫助下，才可以完全實(shí)現(xiàn)其對粗纖維的利用。正是由于白蟻與其腸道菌群巧妙的互作，使得粗纖維可以被高效降解，而粗纖維的最終降解產(chǎn)物是乙酸以及其他揮發(fā)性脂肪酸。揮發(fā)性脂肪酸是反芻動(dòng)物能量的主要來源，可以直接由瘤胃吸收。因此，進(jìn)一步開發(fā)白蟻降解纖維的微生物并在反芻動(dòng)物上合理運(yùn)用，可以提高反芻動(dòng)物飼料的轉(zhuǎn)化率，具有廣闊的發(fā)展前景。

2 白蟻降解纖維的共生微生物研究

2.1 白蟻腸道內(nèi)纖維素降解細(xì)菌的多樣性 對白蟻腸道纖維降解細(xì)菌的傳統(tǒng)研究，一類是先利用合適的培養(yǎng)基（如剛果紅）進(jìn)行培養(yǎng)，分離并篩選，然后在合適的培養(yǎng)基上繼續(xù)實(shí)現(xiàn)純培養(yǎng)進(jìn)行后續(xù)研究，觀察其生長狀況及檢測各種理化指標(biāo)的變化；另一類是利用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)（如高通量測序技術(shù)、宏基因組學(xué)技術(shù)等）對其腸道菌群進(jìn)行整體探究。研究表明，在白蟻腸道內(nèi)附著大量不同的細(xì)菌，每只白蟻腸道中的細(xì)菌數(shù)量大約可達(dá)10～10個(gè)。白蟻腸道共生細(xì)菌在其消化粗纖維過程中發(fā)揮著重要作用。

雖然原蟲在低等白蟻粗纖維消化中占據(jù)主要作用，但是細(xì)菌對粗纖維的消化作用不可忽視。研究表明，在食木性低等白蟻后腸內(nèi)螺旋體門細(xì)菌數(shù)量可占原核生物的二分之一，可以與鞭毛蟲共生，但大多數(shù)游離在白蟻后腸體液中。而且許多細(xì)菌和古細(xì)菌還可以與鞭毛蟲形成共生關(guān)系，主要位于鞭毛蟲的細(xì)胞質(zhì)以及外表面。Huang 等測定了一種低等白蟻腸道菌群的多樣性，發(fā)現(xiàn)其腸道中細(xì)菌種類十分豐富，其中螺旋體門（Spirochaеtеs，37.4%）豐度最高，其腸道優(yōu)勢菌群還包括迷蹤菌門（Elusimicrobia，32%）、厚壁菌門（Firmicutеs，11.4%）、疣微菌門（Vеrrucomicrobia，10.1%）、變形菌門（Protеobactеria，6.4%）等。Ali等從低等白蟻的腸道中分離出33 種不同的細(xì)菌，并從中分離出5 種纖維降解菌，利用16S r RNA 測序技術(shù)鑒定為乳酸芽孢桿菌（）、大溶芽孢桿菌（）、嗜麥芽窄食單胞菌（）、紡絲芽孢桿菌（）和蠟樣芽孢桿菌（）。

高等白蟻腸道中缺少原蟲，主要利用細(xì)菌和古細(xì)菌等微生物降解粗纖維。Chеw 等利用16S rRNA 測序技術(shù)，對一種高等白蟻腸道菌群的V3-V4 區(qū)進(jìn)行測序分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該白蟻前腸和中腸的菌群以桿菌、梭菌門、厚壁菌門和放線菌門為主，而在后腸中發(fā)現(xiàn)的主要菌群為螺旋體門。周峰對土白蟻屬白蟻、黑翅土白蟻和2 個(gè)長鄂土白蟻進(jìn)行腸道細(xì)菌多樣性分析，發(fā)現(xiàn)在門水平上細(xì)菌多樣性分布較為一致，包括擬桿菌門（Bactеroidеtеs）、厚壁菌門（Firmicutеs）和變形菌門（Protеobactеria），其中優(yōu)勢菌為擬桿菌門和厚壁菌門；還通過體外分離培養(yǎng)技術(shù)成功篩選到了木質(zhì)素降解菌，如腸桿菌屬（）、沙門菌屬（）、檸檬酸桿菌屬（）、泛菌屬（）、微小桿菌屬（）以及芽孢桿菌屬（）等。

2.2 白蟻共生真菌的作用 培菌類白蟻對真菌利用較多，該白蟻屬于大白蟻亞科，為高等白蟻。這類白蟻?zhàn)畲蟮奶攸c(diǎn)就是其可以在菌圃內(nèi)培養(yǎng)真菌，并將其取食利用。其中最主要的為蟻巢傘菌（）屬真菌。真菌的主要作用有降解木質(zhì)素以促進(jìn)纖維素的降解、提供一些粗纖維相關(guān)的降解酶類、與白蟻?zhàn)陨矸置诘拿竻f(xié)同作用等。Gangwar 等將OE147 液體培養(yǎng)后，檢測到培養(yǎng)液中含有漆酶、纖維二糖脫氫酶和過氧化物酶，同時(shí)在蟻巢傘的液體培養(yǎng)液中檢測到大量的漆酶和微量的木質(zhì)素過氧化物酶。有研究認(rèn)為，白蟻培養(yǎng)真菌可能是由于自身分泌的降解木質(zhì)素的酶不足以滿足需要。李靜對3 種散白蟻工蟻及其腸道微生物進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其中有8個(gè)漆酶基因的表達(dá)水平在尖唇散白蟻中顯著高于其他2種散白蟻；在觀察試驗(yàn)中，尖唇散白蟻不會利用真菌.，但是其他2 種白蟻會將該真菌的菌核搬運(yùn)巢中培養(yǎng)，可能是2 種散白蟻?zhàn)陨韮?nèi)源性木質(zhì)素酶分泌不足，以取食菌核萌發(fā)菌絲的方式提高木質(zhì)素的降解效率。

以往對白蟻腸道內(nèi)共生真菌的報(bào)道較少，或者認(rèn)為真菌對白蟻消化作用幫助不大。近年來，隨著研究方法的改進(jìn)，白蟻腸道的共生真菌也被進(jìn)一步發(fā)掘。Samеh 等在黑胸散白蟻的腸道中成功分離并鑒定了18 種酵母菌，這些酵母菌具有很高的木聚糖分解活性以及-木糖發(fā)酵能力。Xu 等從臺灣白蟻中分離純化了39 種真菌，經(jīng)鑒定隸屬于4 個(gè)綱，分別為糞殼菌綱（Sordariomycеtеs）、座囊菌綱（Dothidеomycеtеs）、蟲囊菌綱（Eurotiomycеtеs）、傘菌綱（Agaricomycеtеs）?？梢?，真菌對白蟻消化粗纖維的作用不可忽視。

2.3 原蟲對低等白蟻的重要性 低等白蟻的粗纖維消化主要在后腸P3 區(qū)，其中含有大量的原蟲，而鞭毛蟲類（Flagеllatеs）是腸道中最重要的原生動(dòng)物，它們的質(zhì)量甚至可以達(dá)到低等白蟻總體重的1/7～1/3，能占據(jù)著后腸90% 以上的空間。原蟲對低等白蟻體內(nèi)粗纖維降解過程有關(guān)鍵作用。Clеvеland早在1926 年就發(fā)現(xiàn)鞭毛蟲可以降解纖維素。據(jù)報(bào)道，如果通過饑餓或高壓氧處理，使低等木食性白蟻體內(nèi)的鞭毛蟲消失，再給白蟻飼喂木頭，雖然白蟻仍然會取食，但是幾周以后白蟻還是會因饑餓而死亡；而喂食淀粉類食物或者重新接種鞭毛蟲，則低等白蟻仍然可以存活?，F(xiàn)代分子生物學(xué)的發(fā)展大大加速了人們對白蟻腸道原蟲的認(rèn)識。陳文等利用18S rDNA 技術(shù)，對黑胸散白蟻的銳滴蟲目鞭毛蟲進(jìn)行了鑒定，結(jié)果表明在黑胸散白蟻腸道共生的銳滴蟲為和屬的鞭毛蟲。隨著研究的深入，人們認(rèn)識到不同纖維素食物對低等白蟻鞭毛原生生物群落結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生影響。研究表明，白蟻共生鞭毛原生生物群落是一個(gè)動(dòng)態(tài)的組合，能夠適應(yīng)不同的條件和飲食，低等白蟻體內(nèi)原蟲豐度的變化與營養(yǎng)條件呈顯著相關(guān)。Duartе 等對同一蟻群的白蟻飼喂了6 種不同飼糧，結(jié)果發(fā)現(xiàn)所有未經(jīng)處理的木材產(chǎn)生了相似的鞭毛原生生物群落，這些群落更加多樣化；相反，用纖維素直接飼喂的白蟻體內(nèi)鞭毛蟲多樣性顯著低于飼喂未經(jīng)處理的木材組。

3 白蟻降解纖維的共生微生物在反芻動(dòng)物中的應(yīng)用前景

3.1 白蟻纖維降解微生物在反芻動(dòng)物上的開發(fā) 在腸道微生物的幫助之下，白蟻才能對粗纖維高效降解。大量研究結(jié)果表明，白蟻體內(nèi)存在高效的纖維降解菌，且這些菌群一般在瘤胃中缺乏或豐度不夠。有研究表明，白蟻細(xì)菌和瘤胃細(xì)菌的組合在降解纖維飼料中具有協(xié)同關(guān)系。Azizi 等從白蟻腸道分離出地衣芽孢桿菌（）、中間蒼白桿菌（）、沼澤微桿菌（），并利用3 種菌對海棗葉和麥秸進(jìn)行預(yù)處理及瘤胃體外發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)3 種纖維菌改變了海棗葉和麥秸的化學(xué)成分，提高了營養(yǎng)物質(zhì)的消化率，表明這三種菌在反芻動(dòng)物上有開發(fā)價(jià)值。

菌群移植是一種很好的開發(fā)白蟻粗纖維微生物的方法，大量研究表明菌群移植對反芻動(dòng)物有利。雖然反芻動(dòng)物的微生物消化強(qiáng)于單胃動(dòng)物，但在單胃動(dòng)物上對白蟻纖維降解菌移植的研究卻早于反芻動(dòng)物。李蕊蕊等給家鵝飼喂了3 種纖維素分解菌，并分別從鵝腸道、白蟻腸道、牛糞中分離纖維菌，結(jié)果表明飼喂3 種纖維分解菌均提高了鵝的日增重、采食量，顯著降低了耗料增重比，并且飼喂白蟻腸道內(nèi)分離的纖維降解菌效果最好。關(guān)于白蟻粗纖維分解菌移植在反芻動(dòng)物上的研究報(bào)道較少。Ayoub 等將3 種白蟻消化道分離的纖維降解菌轉(zhuǎn)移到綿羊瘤胃液中，發(fā)現(xiàn)移植3 種纖維降解菌均可增加體外原生動(dòng)物和蛋白水解菌的數(shù)量，提高了瘤胃的蛋白酶活性濃度。對白蟻纖維降解菌進(jìn)行移植雖然對反芻動(dòng)物有積極影響，但是與同菌群移植的通病相同，只能暫時(shí)調(diào)控微生物，尋找保持瘤胃微生物的積極效應(yīng)以及讓有益菌定植的方法為當(dāng)前重要任務(wù)。

3.2 纖維降解的相關(guān)酶及工程菌的開發(fā) 由于白蟻對粗纖維降解非常高效，因此篩選并對白蟻體內(nèi)利用粗纖維的細(xì)菌進(jìn)行鑒定，或利用其相關(guān)的纖維素酶基因來重新構(gòu)建可降解粗纖維的人工重組菌，具有重大的理論與應(yīng)用價(jià)值。馬玉俊等采用傳統(tǒng)培養(yǎng)分離的方法，將白蟻腸道產(chǎn)纖維素酶菌株進(jìn)行純化，并使用16S rDNA 技術(shù)對其進(jìn)行鑒定，分離并篩選出了10 株產(chǎn)纖維素酶菌株，且堅(jiān)強(qiáng)芽胞桿菌（）的纖維素綜合酶活力最高。李鋒等從白蟻腸道中篩選出木質(zhì)素降解菌，對其進(jìn)行16S rRNA 基因序列鑒定的結(jié)果顯示，該菌株為解鳥氨酸拉烏爾菌，以堿木質(zhì)素為唯一碳源，木質(zhì)素降解率可達(dá)53.2%，漆酶和木質(zhì)過氧化物酶活力最大，分別為32 U/L 和105.6 U/L。高云航等從白蟻腸道中篩選出蠟樣芽孢桿菌，其濾紙酶活性可達(dá)6.05 U/mL，為高效纖維降解菌。

隨著基因克隆技術(shù)的發(fā)展，已對多種外源基因克隆到不同的表達(dá)載體中進(jìn)行了研究。杜嬌等將漆酶、木聚糖酶、內(nèi)切-1,4-葡聚糖酶和-葡萄糖苷酶4 種白蟻來源的酶在大腸桿菌上進(jìn)行共表達(dá)，結(jié)果表明共表達(dá)的酶降解效率高，且高于單組分液降解效率的總和。蘇麗娟等對近暗散白蟻的-葡糖苷酶7 的基因進(jìn)行了克隆，并在畢赤酵母菌上成功表達(dá)，其酶活性為7.47 U/mL。Zhang 等對克隆于臺灣乳白蟻的內(nèi)源性纖維素酶基因也進(jìn)行了分子改造，在大腸埃希菌中進(jìn)行過量表達(dá)，所產(chǎn)酶對羧甲基纖維素和濾紙均表現(xiàn)出較高的水解活性。王智偉等從黑胸散白蟻中篩選出枯草芽孢桿菌，并將該菌的2 個(gè)產(chǎn)纖維素酶基因和進(jìn)行原核融合表達(dá)，表達(dá)出一個(gè)酶活性更高的纖維素酶蛋白。工程菌的開發(fā)對反芻動(dòng)物飼料工業(yè)有著重大意義，如利用白蟻重組工程菌進(jìn)行酶制劑的開發(fā)、定植菌的培養(yǎng)等都有著廣闊前景。將產(chǎn)粗纖維酶的基因異源表達(dá)是一種很好的方式，但可能存在酶活力不足、穩(wěn)定性不夠以及對瘤胃內(nèi)環(huán)境的耐受性等問題。

3.3 白蟻對反芻動(dòng)物糞便的處理 隨著現(xiàn)代畜牧業(yè)的發(fā)展，越來越多的散戶養(yǎng)殖被大規(guī)模養(yǎng)殖場取代，隨之而來的環(huán)境問題也日益增多。受日糧等多種因素影響，反芻動(dòng)物糞便通常呈堿性。過去，由于養(yǎng)殖規(guī)模以及處理技術(shù)有限，常使用堆肥技術(shù)將養(yǎng)殖糞污還于田間。反芻動(dòng)物，特別是奶牛對熱應(yīng)激敏感，越來越多的企業(yè)將大規(guī)模養(yǎng)殖場建立在北方，尤其是西北。大規(guī)模的養(yǎng)殖糞污如果仍然還于田間則會加速當(dāng)?shù)剞r(nóng)田的鹽堿化程度，加劇可耕種農(nóng)田的荒漠化程度。在自然界，白蟻也承擔(dān)分解者的角色，利用其他動(dòng)物糞便未消化的纖維以及其他營養(yǎng)物質(zhì)滿足自身需要。研究表明，在條件允許的情況下，一些白蟻更傾向于取食牛糞，這是由于反芻動(dòng)物糞便中粗纖維含量相較于單胃動(dòng)物更高，白蟻更容易利用。糞便是可利用資源，只要處理得當(dāng)，是優(yōu)質(zhì)肥料。而在實(shí)際生產(chǎn)中，糞便的利用需要進(jìn)行預(yù)處理，而關(guān)鍵技術(shù)就是對木質(zhì)纖維素的預(yù)處理。王成盼對比了白蟻取食農(nóng)業(yè)廢棄物（包括牛糞）和林業(yè)廢棄物后的新建菌圃，發(fā)現(xiàn)白蟻在取食牛糞后新建菌圃呈酸性，且取食牛糞后新建菌圃的木質(zhì)素含量明顯低于取食林業(yè)廢棄物新建菌圃。此外，國外還有人利用白蟻丘作為配制堆肥的膨松劑，顯著提高了堆肥品質(zhì)?？梢?，利用白蟻處理反芻動(dòng)物糞污存在理論可能。

4 小結(jié)及展望

白蟻是自然界中高效的粗纖維分解者，在反芻動(dòng)物上有廣闊的應(yīng)用前景。目前，白蟻腸道纖維降解微生物的分離、篩選技術(shù)已經(jīng)成熟。隨著新一代測序技術(shù)的發(fā)展，在不用分離篩選的情況下也可以對白蟻腸道菌群進(jìn)行鑒定。近年來，由于分子生物技術(shù)的改進(jìn)，白蟻腸道微生物分泌纖維素酶的基因被進(jìn)一步發(fā)掘并研發(fā)出新的工程菌，這對于反芻動(dòng)物飼料工業(yè)的發(fā)展有著重要意義。利用新技術(shù)開發(fā)酶制劑、益生菌以及其他飼料添加劑是利用白蟻共生微生物資源的一個(gè)方向，而且利用白蟻資源處理反芻動(dòng)物糞污也存在可能。然而，白蟻資源在反芻動(dòng)物上的研究大多數(shù)只停留在初步的實(shí)驗(yàn)室階段，少有試驗(yàn)將白蟻資源在實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行研究，且其在實(shí)際生產(chǎn)上的利用（如菌群移植技術(shù)）也有自身限制，相關(guān)研究還不夠充足。今后，應(yīng)該對已發(fā)掘的白蟻高效纖維降解菌進(jìn)一步開發(fā)和探索，最終應(yīng)用于實(shí)踐，服務(wù)于反芻動(dòng)物生產(chǎn)。