高 星, 李永麗, 燕亞平, 胡建華, 劉占英*

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)發(fā)酵產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排工程技術(shù)研究中心,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051;3.生物發(fā)酵綠色制造內(nèi)蒙古自治區(qū)工程研究中心,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

纖維素(cellulose)是地球上分布最廣泛、儲(chǔ)存量最大的有機(jī)可再生資源,具有廣闊的開發(fā)前景[1]。由于纖維素的特殊木質(zhì)化和結(jié)晶化使得纖維素難以被降解,如何高效利用纖維素是當(dāng)前研究的一大熱點(diǎn)[1]。目前,能將纖維素高效降解成可被利用的還原糖的方法主要有物理降解、化學(xué)降解和微生物降解等[2]?；瘜W(xué)和物理降解不僅消耗大量的能源,同時(shí)在分解的過程中產(chǎn)生大量的污水、尾氣等,而微生物降解主要存在效率較低的問題。反芻動(dòng)物瘤胃作為一種獨(dú)特的消化系統(tǒng),其中細(xì)菌在反芻動(dòng)物瘤胃中種類較多、數(shù)量最大,因此可以有效的降解纖維素,是瘤胃纖維降解的主體。本文從瘤胃微生態(tài)的視角探究瘤胃纖維降解細(xì)菌的功能,進(jìn)而深入揭示纖維降解細(xì)菌對(duì)纖維素的降解機(jī)制,對(duì)于全面發(fā)掘瘤胃纖維降解細(xì)菌和纖維素酶資源有較大的理論價(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義。

1 瘤胃纖維降解細(xì)菌的主要種類

1.1 產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌

產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌(Fibrobactersuccinogenes)為革蘭陰性菌,作為主要的纖維降解細(xì)菌在瘤胃中普遍存在。大量研究表明產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌在木質(zhì)纖維素的降解過程中發(fā)揮著重要的作用,但不能夠降解木聚糖。Maglione等[3]對(duì)產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌的相關(guān)問題進(jìn)行研究,結(jié)果顯示,產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌若處于非生長(zhǎng)期不分泌產(chǎn)生纖維素酶,從而無法分解纖維素。在此基礎(chǔ)上,研究了碳源對(duì)產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌降解纖維能力的影響,通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)對(duì)纖維降解速率進(jìn)行分析,分析結(jié)果表明,以纖維二糖作為培養(yǎng)底物時(shí),產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌可以快速的分解纖維素;而硫代纖維二糖使得產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌無法降解纖維素,推斷產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌產(chǎn)生的纖維素酶對(duì)反饋抑制較為敏感。同樣,Field等[4]在底物對(duì)產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌降解能力的影響研究中,通過設(shè)置以纖維二糖和纖維素作為碳源進(jìn)行對(duì)比分析,表明菌體生長(zhǎng)速度和代謝產(chǎn)酸的速度基本相同,但是菌體對(duì)纖維素底物的降解速率不同,最終確定了產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌降解對(duì)纖維素的存在形式具有選擇性。產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌在純培養(yǎng)下具有很強(qiáng)的纖維降解能力,王夢(mèng)芝等[5]在蛋白質(zhì)來源對(duì)瘤胃細(xì)菌影響的相關(guān)問題進(jìn)行研究中,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌分泌的纖維素酶有一個(gè)特殊的纖維催化區(qū)和纖維素結(jié)合區(qū),從而使得該菌可以迅速的降解一些其余菌種所不能分解的纖維素。

1.2 白色瘤胃球菌

白色瘤胃球菌(Ruminococcusalbus)屬于嚴(yán)格厭氧的革蘭陽(yáng)性菌,在瘤胃中作為主要的纖維降解菌廣泛存在。在培養(yǎng)白色瘤胃球菌時(shí),需要一些維生素等生長(zhǎng)因子。周非帆[6]從綿羊瘤胃中篩選出4株菌,對(duì)纖維降解特性的研究發(fā)現(xiàn),其中白色瘤胃球菌具有最高的糖苷水解酶酶活力。此外,Hoda等[7]分析了白色瘤胃球菌分泌的纖維素酶結(jié)構(gòu)、功能和系統(tǒng)發(fā)育,結(jié)果表明,白色瘤胃球菌產(chǎn)生的纖維素酶具有高度的穩(wěn)定性,蛋白質(zhì)主要由隨機(jī)螺旋和α螺旋組成,說明白色瘤胃球菌分泌的纖維素酶具有較高的耐熱性,并且90.1%的氨基酸處于有利區(qū)域,從酶結(jié)構(gòu)上解釋了白色瘤胃球菌降解纖維素的高效能力。Yeoman等[8]在對(duì)產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌、白色瘤胃球菌、黃色瘤胃球菌(Ruminococcusflavefaciens)之間的競(jìng)爭(zhēng)作用研究中發(fā)現(xiàn)3株菌在纖維素上黏附生長(zhǎng)并且進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng),當(dāng)接種黃色瘤胃球菌后,產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌逐漸減少,但纖維素的降解并沒有減少,說明產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌與黃色瘤胃球菌采用不同但同樣有效的方法分解植物細(xì)胞壁。

1.3 黃色瘤胃球菌

黃色瘤胃球菌作為三種主要纖維降解菌之一,在瘤胃中大量存在。研究表明,黃色瘤胃球菌所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)主要為纖維素,具有高效降解纖維素的能力。王衛(wèi)云等[9]從內(nèi)蒙古綿羊瘤胃中篩選出兩株黃色瘤胃球菌H1、H2,H2的濾紙酶活力達(dá)到了0.21 μmol/(mL·min),具有良好的纖維素降解能力。此外,劉玉承等[10]從綿羊瘤胃中篩選出32株菌,經(jīng)鑒定兩株黃色瘤胃球菌CCQ、LYQ濾紙降解率分別達(dá)到12.5%、14.3%。黃色瘤胃球菌可以降解難以降解的纖維如棉花纖維等,Krause等[11]在對(duì)瘤胃球菌的多樣性研究中,測(cè)定了26株瘤胃球菌的基因,結(jié)果表明僅有3株瘤胃球菌Y1、LP-9155和AR67基因型相同,在此基礎(chǔ)上研究了對(duì)纖維的消化能力,結(jié)果顯示部分瘤胃球菌沒有纖維的降解能力,其中Y1菌株纖維消化最高可達(dá)86.4%,消化能力和基因型的多樣性表明自然界中可能存在較強(qiáng)纖維降解能力的菌株。Mondal等[12]將黃色瘤胃球菌所分泌纖維素酶在大腸埃希菌中克隆表達(dá)后對(duì)其測(cè)定,結(jié)果顯示重組酶寬pH范圍內(nèi)(3.5～9.0)表現(xiàn)出良好的活性和穩(wěn)定性,具有高溫酶的特性,具有很大的生物技術(shù)潛力。

1.4 其他瘤胃纖維降解細(xì)菌

1.4.1 溶纖維丁酸弧菌 溶纖維丁酸弧菌(Butyrivibriofibrisolvens)為丁酸弧菌屬的模式種,革蘭陰性桿菌,嚴(yán)格厭氧菌,單生、成鏈或絲狀體,絲狀體可呈螺旋狀。研究表明,溶纖維丁酸弧菌的相關(guān)纖維降解基因在瘤胃宏基組中纖維降解基因占比較大[13]。Sukharnikov等[14]研究表明,在瘤胃纖維降解中,溶纖維丁酸弧菌發(fā)揮著重要作用。Hespell等[15]篩選純化出30株溶纖維丁酸弧菌,并在此基礎(chǔ)上篩選了幾株酯酶酶活高的菌株,發(fā)現(xiàn)一些菌株含有木聚糖酶和乙酰木聚糖酯酶活性。劉占英等[16]篩選純化出一株纖維降解細(xì)菌,經(jīng)鑒定為溶纖維丁酸弧菌,并研究了該菌對(duì)纖維素降解的性質(zhì),結(jié)果表明濾紙降解率達(dá)到16.81%。溶纖維丁酸弧菌可利用的底物較多,Elianna等[17]在半纖維素(木聚糖、葡聚糖和木葡聚糖)對(duì)溶纖維丁酸弧菌的影響研究中,發(fā)現(xiàn)溶纖維丁酸弧菌可以有效地發(fā)酵木聚糖,而對(duì)其他半纖維素(木葡聚糖、葡聚糖)的作用效果較差,證實(shí)了溶纖維丁酸弧菌降解半纖維素的生產(chǎn)能力。和瘤胃球菌相似,溶纖維丁酸弧菌降解半纖維素需要生長(zhǎng)底物的誘導(dǎo),Sechovcová等[18]研究了不同碳源對(duì)溶纖維丁酸弧菌酶活力的影響,研究結(jié)果顯示木聚糖誘導(dǎo)溶纖維丁酸弧菌產(chǎn)生β-內(nèi)切葡聚糖酶和β-木糖苷酶,不同底物主要影響溶纖維丁酸弧菌的蛋白表達(dá)量,這些蛋白質(zhì)參與糖酵解、蛋白質(zhì)合成和丁酸鹽的合成。除此之外,溶纖維丁酸弧菌作為一株益生菌,可以減輕由于彎曲桿菌(Campylobacter)引起的小腸結(jié)腸炎等影響[19]。

1.4.2 大腸埃希菌 內(nèi)蒙古自治區(qū)發(fā)酵產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排工程技術(shù)研究中心和生物發(fā)酵綠色制造內(nèi)蒙古自治區(qū)工程研究中心(本課題組)龐建等首次從牛瘤胃中分離出一株可分解纖維素的大腸埃希菌(Escherichiacoli)ZH-4,其菌落為圓形、光滑、濕潤(rùn)、乳狀,菌株ZH-4具有內(nèi)切葡聚糖酶、外葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶的全部活性,這解釋了該菌株能有效降解纖維素的原因。此外,研究還發(fā)現(xiàn)細(xì)胞外酶活性隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增加,并能分解玉米秸稈、沙柳等纖維素生產(chǎn)乙醇和氫氣[20]。在此基礎(chǔ)上,龐建等[21]對(duì)大腸埃希菌分泌的纖維素酶進(jìn)行鑒定,結(jié)果表明最適pH為6.0,最適溫度為50 ℃,并發(fā)現(xiàn)Mg2+可增強(qiáng)內(nèi)切葡聚糖酶(BcsZ)活性,而Zn2+、Cu2+、Fe3+會(huì)抑制BcsZ酶活性,證實(shí)大腸埃希菌ZH-4的胞外纖維素降解能力是由BcsZ所致。由于大腸埃希菌的復(fù)雜雙膜結(jié)構(gòu)導(dǎo)致蛋白的分泌水平較低,通常不產(chǎn)生和分泌纖維素酶。龐建從大腸埃希菌ZH-4的生理表型特征、基因組、轉(zhuǎn)錄組和比較基因組學(xué)進(jìn)行分析,提出了一種大腸埃希菌纖維素酶分泌機(jī)制[22]。

1.4.3 糞腸球菌 本課題組劉占英等[23]從綿羊瘤胃中分離純化出一株糞腸球菌(Enterococcusfaecalis),在此基礎(chǔ)上研究了該菌對(duì)纖維素的降解能力,結(jié)果表明該菌分泌的羧甲基纖維素酶活力較高,濾紙降解率達(dá)到了24%,可有效降解纖維素。此外,有研究表明,纖維素酶基因也存在于腸球菌,Robert等[24]分離純化出一株腸球菌,經(jīng)鑒定纖維分解菌株的最近親緣關(guān)系為糞腸球菌,具有纖維素降解活性。李婭婕[25]在對(duì)糞腸球菌源β-葡萄糖苷酶的結(jié)構(gòu)與功能的研究中,將β-葡萄糖苷酶的基因進(jìn)行了克隆并表達(dá),并對(duì)其酶活性進(jìn)行分析,結(jié)果表明,最適pH在8.5～9.0之間,最適溫度在40～60 ℃之間。此外,劉占英等[26]通過紫外誘變糞腸球菌,發(fā)現(xiàn)菌株對(duì)微晶纖維素的利用率提高了9.93%,對(duì)玉米秸稈的利用率提高了6.58%。

1.5 主要瘤胃纖維降解細(xì)菌特性

由于瘤胃纖維降解細(xì)菌豐富的代謝途徑,瘤胃中纖維降解細(xì)菌有著許多相同的特性和特異性,特異性主要體現(xiàn)在對(duì)纖維素類型的選擇和代謝產(chǎn)物方面(表1)。相似的特性主要分為四個(gè)方面:①大多數(shù)瘤胃纖維降解細(xì)菌具有變異性,即飼料中的成分不同,細(xì)菌數(shù)量也會(huì)隨之變化,如纖維含量低則纖維降解菌的數(shù)量會(huì)減少。此外,有研究表明,pH的改變對(duì)纖維降解細(xì)菌數(shù)量也有相應(yīng)的影響[27]。②通常情況下,能夠降解纖維素的細(xì)菌可以利用半纖維素,而降解半纖維素的菌株不能利用纖維素。③大多數(shù)瘤胃纖維降解細(xì)菌對(duì)于纖維素的降解需要底物的誘導(dǎo),如黃色瘤胃球菌對(duì)半纖維素和果膠的降解程度需要生長(zhǎng)底物的誘導(dǎo)。④瘤胃纖維降解細(xì)菌一般都為固相微生物,指在降解過程中一般附著于飼料顆粒,黏附階段時(shí)主要通過表面的多糖-蛋白復(fù)合物進(jìn)行黏附,對(duì)于黏附草料或飼料的位置主要體現(xiàn)在菌株差異上。

表1 瘤胃內(nèi)主要纖維降解細(xì)菌的特異性[28]Table 1 Specificity of main fiber degrading bacteria in rumen[28]

2 瘤胃纖維降解細(xì)菌降解纖維素的過程

瘤胃細(xì)菌因其分布廣泛和生物量的龐大以及更多的代謝途徑,普遍認(rèn)為瘤胃細(xì)菌在纖維降解過程中發(fā)揮主要作用。研究表明,纖維素在瘤胃中被利用生成揮發(fā)性脂肪酸(VFA)、甲烷等經(jīng)歷兩個(gè)階段:第一階段,瘤胃微生物會(huì)分泌纖維素酶將纖維素分解成甲酸鹽、琥珀酸鹽、H2和CO2等(圖1);第二階段,纖維分解的第一步產(chǎn)物經(jīng)過各種微生物的利用,轉(zhuǎn)化為丙酮酸,這些菌的各種代謝途徑再進(jìn)一步利用,終產(chǎn)物有丁酸、甲烷、乙酸、丙酸等(圖1)[29]。

圖1 瘤胃內(nèi)纖維素降解過程[30]Fig.1 Rumen cellulose degradation process[30]

圖2 瘤胃微生物降解木質(zhì)纖維素示意圖[41]Fig.2 Schematic representations of cellulose-degrading machineries of rumen microorganisms[41]A:白色瘤胃球菌與含有CBM37的酶一起產(chǎn)生纖維小體復(fù)合物;B:黃色瘤胃球菌產(chǎn)生高度結(jié)構(gòu)化的纖維小體復(fù)合物;C:產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌產(chǎn)生外膜囊泡;D:厭氧根囊鞭菌屬產(chǎn)生真菌纖維小體復(fù)合物A:R.albus produces cellulosome complex along with CBM37-containing enzymes;B:R. flavefaciens produces a highly structured cellulosome coplex;C:F.succinogenes produces outer membrane vesicule;D:Orpinomyces sp. Produces fungal cellulosome complex

2.1 瘤胃纖維降解細(xì)菌對(duì)纖維的黏附和降解

纖維物質(zhì)在瘤胃中的消化是一個(gè)連續(xù)過程,首先微生物進(jìn)行黏附,然后進(jìn)行穿透,產(chǎn)生一系列的纖維素酶,最后實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維的降解和利用[31]。在草料或飼料進(jìn)入瘤胃時(shí),瘤胃的規(guī)律性蠕動(dòng)使得瘤胃纖維降解細(xì)菌快速與新攝入的草料或飼料發(fā)生最初的物理性接觸[32]。隨著附著過程的進(jìn)行,黏附素的形成使得纖維降解細(xì)菌進(jìn)行更為緊密的特異性附著[33]。瘤胃微生物通過不同方式實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維的黏附和降解見表2。

表2 瘤胃微生物黏附及降解纖維方式和特性Table 2 Rumen microbiota adhesion and fiber degradation modes and characteristics

研究表明,瘤胃球菌黏附和降解纖維過程通過纖維小體進(jìn)行,不同的黏連蛋白-錨定蛋白群之間存在識(shí)別偏好[33]。黃色瘤胃球菌FD-1至少有225個(gè)包含錨定蛋白的開放閱讀框(ORF)編碼多種催化模塊[39]。同時(shí),黃色瘤胃球菌可以將一些自由酶和纖維素酶進(jìn)行結(jié)合,進(jìn)行更有效率的纖維降解。與瘤胃球菌不同,產(chǎn)琥珀絲狀桿菌的未知模塊可能發(fā)揮與CBM或支架蛋白類似的作用,而瘤胃厭氧真菌則是通過假根分泌水解酶來分解纖維素[40]。雖然已知瘤胃纖維的一般分解途徑,但瘤胃細(xì)菌和真菌纖維小體的組成、模塊組裝機(jī)制和功能作用尚不明確,還有待進(jìn)一步研究。

2.2 瘤胃纖維降解中微生物之間的互作

由于木質(zhì)纖維素特殊的結(jié)構(gòu),僅一種微生物或酶難以將其分解。微生物之間的互作存在多種形式,祁茹等[42]發(fā)現(xiàn)瘤胃細(xì)菌與瘤胃真菌之間可能存在互補(bǔ)作用,瘤胃厭氧真菌的假根可將植物細(xì)胞壁穿透,降解植物顆粒,有利于瘤胃纖維降解細(xì)菌的黏附并使得酶反應(yīng)位點(diǎn)增多。吳宏忠等[43]研究表明,相比瘤胃真菌,瘤胃細(xì)菌可以有效的降解纖維,瘤胃細(xì)菌與真菌共培養(yǎng)時(shí)纖維降解效果最好。Odenyo等[44]發(fā)現(xiàn)白色瘤胃球菌與黃色瘤胃球菌共培養(yǎng)時(shí),白色瘤胃球菌會(huì)產(chǎn)生一種蛋白質(zhì),這種蛋白質(zhì)會(huì)抑制黃色瘤胃球菌的生長(zhǎng)。Fondevila等[45]在研究產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌、普雷沃氏菌(Prevotellaruminicola)、黃色瘤胃球菌之間的協(xié)同和抑制作用時(shí)發(fā)現(xiàn),普雷沃氏菌與另外兩種纖維降解菌產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌、黃色瘤胃球菌共培養(yǎng)時(shí),對(duì)飼料纖維的降解明顯比產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌和黃色瘤胃球菌單獨(dú)培養(yǎng)時(shí)高,并且黃色瘤胃球菌會(huì)產(chǎn)生一種抑制物質(zhì)來抑制產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌的生長(zhǎng),從而使得共培養(yǎng)時(shí)纖維降解能力的下降。

3 瘤胃纖維降解菌組學(xué)研究

3.1 宏基因組學(xué)的研究

宏基因組學(xué)是以環(huán)境樣品中全部微生物的DNA為研究對(duì)象,提取全部DNA并進(jìn)行分析來構(gòu)建基因文庫(kù)的新穎方法,用于進(jìn)一步研究微生物的多樣性和群落功能[46]。通過對(duì)比基因文庫(kù),能夠篩選出大量瘤胃微生物的功能性基因,Brulc等[47]從海子水牛瘤胃篩選出大量具有纖維素酶活性的糖基水解酶基因。姚健等[48]從牛瘤胃中通過功能驅(qū)動(dòng)法篩選出一個(gè)木聚糖酶基因,并測(cè)定了其最佳反應(yīng)溫度及pH。Wang等[49]在對(duì)Fosmid文庫(kù)的分析中,篩選出大量的木聚糖和纖維素水解酶相關(guān)基因。Stewart等[50]在研究牛瘤胃微生物宏基因組時(shí),通過對(duì)比CAZy數(shù)據(jù)庫(kù)預(yù)測(cè)得到235 001個(gè)糖苷水解酶、6 834個(gè)多糖裂解酶。Gharechahi等[51]通過對(duì)駱駝瘤胃進(jìn)行宏基因組學(xué)的研究,發(fā)現(xiàn)一種新的內(nèi)切葡聚糖酶-CelCM3,證明瘤胃中存在大量的未被開發(fā)的纖維素酶資源。通過宏基因組學(xué)手段,對(duì)比基因文庫(kù),分析樣本中功能性基因的豐富度和表達(dá)水平,是研究微生物群落功能的重要手段,對(duì)未來的瘤胃微生態(tài)研究具有重要意義。

3.2 宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)

宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)是一種提取環(huán)境樣品中特定時(shí)間和空間下的全部RNA,從轉(zhuǎn)錄水平上分析基因組轉(zhuǎn)錄情況和調(diào)控規(guī)律的方法,可以有效證明微生物的生長(zhǎng)狀態(tài)和生長(zhǎng)規(guī)律,研究微生物群落代謝能力[49]。田彥[52]在對(duì)奶牛瘤胃微生物的分析中發(fā)現(xiàn)瘤胃球菌屬、纖維桿菌屬和普雷沃氏菌屬為主要的纖維降解菌。Meng等[53]研究了麝牛瘤胃中的植物細(xì)胞壁降解酶,通過元轉(zhuǎn)錄組的方法從2 500多個(gè)序列重疊群中鑒定出植物細(xì)胞壁降解酶模塊,包括糖苷水解酶、碳水化合物酯酶和多糖裂解酶。Comtet-Marre等[54]在轉(zhuǎn)錄組學(xué)揭示奶牛瘤胃中細(xì)菌和真核纖維降解菌群落的研究中,分析鑒定出主要為GH家族組成的12 237個(gè)碳水化合物活性酶(CAZymes),大部分CAZymes來源于普雷沃氏菌屬、瘤胃菌屬和纖維桿菌屬,證實(shí)這些菌屬在纖維降解中的關(guān)鍵作用,此外,作者發(fā)現(xiàn)真菌和纖毛原生動(dòng)物對(duì)降解多糖也發(fā)揮著重要作用。由于宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)需要以微生物的全部RNA為研究對(duì)象,所以對(duì)微生物的檢測(cè)狀態(tài)具有很高的要求,為減小這種偏差,需要與其他分子手段進(jìn)行共同分析。

3.3 宏蛋白質(zhì)組學(xué)

宏蛋白質(zhì)組學(xué)是指特定時(shí)刻下,環(huán)境微生物所表達(dá)的所有蛋白。蛋白質(zhì)組學(xué)對(duì)揭示環(huán)境微生物的活性有重要作用,同時(shí)可以進(jìn)一步揭示瘤胃中纖維降解的機(jī)制。Toyoda等[55]從綿羊瘤胃內(nèi)容物中直接分離并利用宏蛋白質(zhì)組學(xué)的方法鑒定了纖維素結(jié)合蛋白(CBPs),CBPs對(duì)羧甲基纖維素有內(nèi)切葡聚糖酶活性,而分離出的5個(gè)CBPs中有4個(gè)來自產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌,表明琥珀酸絲狀桿菌顯著參與了瘤胃纖維素的降解。Deusch等[56]在研究不同日糧和微環(huán)境對(duì)瘤胃微生物菌落結(jié)構(gòu)和功能的影響中,通過蛋白質(zhì)組學(xué)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)大多數(shù)表達(dá)的糖苷水解酶以GH57和GH2兩個(gè)家族為主。相比宏基因組學(xué),宏蛋白質(zhì)組學(xué)不僅可以直接獲得微生物基因的表達(dá)情況,而且可以深入解析微生物間的相互作用,此外,宏蛋白質(zhì)組學(xué)在特殊蛋白質(zhì)的開發(fā)、生態(tài)元素循環(huán)等研究領(lǐng)域也有著重要作用。

4 瘤胃纖維降解細(xì)菌的開發(fā)利用

反芻動(dòng)物種類、日糧和瘤胃微生物、飼料消化率之間存在著動(dòng)態(tài)變化關(guān)系,對(duì)瘤胃纖維降解細(xì)菌的降解過程和瘤胃微生物區(qū)系進(jìn)行分析,對(duì)提高飼料利用率和降低飼養(yǎng)成本有著重要作用。于滿滿等[57]優(yōu)化了氨化秸稈與苜蓿組合,以此增強(qiáng)瘤胃內(nèi)主要纖維降解菌的活性,20%苜蓿干草和80%的氨化秸稈組合有效提高了產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌和黃色瘤胃球菌的活性,促進(jìn)瘤胃微生物的發(fā)酵。王超等[58]研究了綿羊體外瘤胃發(fā)酵全混合飼料對(duì)纖維降解和瘤胃纖維降解細(xì)菌數(shù)量的影響,結(jié)果表明,發(fā)酵全混合飼料組揮發(fā)性脂肪酸生成量顯著高于飼喂未發(fā)酵全混合飼料組(P<0.05)。此外,瘤胃纖維降解細(xì)菌在生產(chǎn)丁酸和生物燃料方面也具有重要作用,黃恒猛[59]研究了溶纖維丁酸弧菌發(fā)酵產(chǎn)丁酸和乙醇,為工業(yè)生產(chǎn)提供了方案。除此之外,糞腸球菌有著提高瘤胃微生物活性、改善瘤胃pH環(huán)境的作用,開發(fā)具有纖維素降解能力的糞腸球菌對(duì)飼料的降解效率和增強(qiáng)反芻動(dòng)物免疫力有著重要作用。

5 展 望

前人對(duì)細(xì)菌附著纖維、酶的組成和特性以及菌群的相互關(guān)系等方面進(jìn)行了大量的研究,結(jié)果表明,在復(fù)雜的瘤胃微生態(tài)中,細(xì)菌被認(rèn)為是纖維降解的主體,具有較強(qiáng)的纖維降解能力,瘤胃纖維降解細(xì)菌經(jīng)過附著、黏附、降解和利用實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維的利用,另一方面,瘤胃纖維降解細(xì)菌之間的相互作用使得纖維降解更為有效。由于特殊的瘤胃生態(tài)環(huán)境、微生物群體之間復(fù)雜的相互關(guān)系、以及研究方法的限制等問題,當(dāng)前仍有三個(gè)亟需解決的問題:①對(duì)瘤胃纖維降解細(xì)菌對(duì)纖維的分解機(jī)制尚不明確,瘤胃纖維降解細(xì)菌產(chǎn)生的類似纖維小體復(fù)合物的結(jié)構(gòu)、作用機(jī)理等問題還需通過分子生物學(xué)進(jìn)一步研究。②由于特殊的瘤胃環(huán)境、體內(nèi)實(shí)驗(yàn)和瘤胃微生物分離的難度以及對(duì)瘤胃內(nèi)纖維降解細(xì)菌在纖維降解中的貢獻(xiàn)尚不明確,對(duì)于菌種之間的相互協(xié)作和相互制約關(guān)系研究仍存在不足之處。③瘤胃微生物種類繁多、數(shù)量巨大,瘤胃內(nèi)仍存在大量的纖維素酶資源未被開發(fā),通過宏組學(xué)手段開發(fā)利用新的特異性強(qiáng)、酶活力高的纖維素酶資源對(duì)畜牧業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。隨著研究的深入,對(duì)瘤胃纖維降解細(xì)菌的認(rèn)識(shí)將更加深刻,進(jìn)一步研究纖維降解細(xì)菌的降解機(jī)理、菌群之間的競(jìng)爭(zhēng)和協(xié)同關(guān)系,開發(fā)新的酶源,為纖維降解機(jī)制的明確和提高反芻動(dòng)物飼料利用率提供參考。