微生物菌群协同提高水稻秸秆转化机制的解析

单一微生物降解未经过任何预处理或灭菌的水稻秸秆，效果并不明显，由多种微生物组合在一起的微生物菌剂已经成为当前降解秸秆类废物的首要选择[1]。自然界中，绝大多数微生物物种通过相互作用而共存，甚至一些微生物只有在和某种生物体结合后才能发挥出最大效果，如产甲烷系统中氢在物种之间的转移[2]，卤代化合物的异种生物降解[3]等。显然，微生物有时会缺乏一些关键代谢途径，而其他微生物的代谢途径可能会对其进行补充[4-6]。大量研究表明，功能不同的各种菌种组合在一起分工协作是降解水稻秸秆的理想选择[7-9]，与单一培养方法(即单个菌株)降解相比，微生物群体的降解潜力更大[10-12]。Jiménez等[13]提出的“内源性异养演替”也指出，秸秆降解时，先锋种群出现启动秸秆解构，随着代谢产物增多，利用代谢产物的物种会逐渐繁殖并进行进一步代谢。因此，在处理潜在环境波动时，混合种群将执行单个物种难以甚至不可能完成的功能[14]。这些生态学原理是木质纤维素降解微生物菌群更高有效性的基础，目前正被用于设计能够有效执行一系列秸秆降解过程的微生物群体[15]。

目前，微生物群体在水稻秸秆分解过程中，菌株间如何进行协同，各菌种具体发挥什么作用，哪些代谢产物阻碍了水稻秸秆分解过程，仍然了解不够全面。为进一步了解微生物群体在分解水稻秸秆时菌种间的作用关系及各种代谢产物对水稻秸秆分解效果的影响，以能够分解水稻秸秆的好氧菌株B (Bacillus cereus)为基础，采用还原筛选法与生态策略相结合的方法，利用从环境样本中获得的大量菌株与B进行一一组合逐个筛选，人工构建出能够显著提高水稻秸秆降解效果的微生物群体并分析其作用机理，将系统内各个菌株和代谢产物的作用逐个分析，了解微生物菌群中菌种间相关代谢特性，改善秸秆类物质的糖化过程[16-17]，为进一步提高水稻秸秆的生物降解效果提供理论参考。

自黑龙江省漠河市林区、哈尔滨市、五常镇采集牛粪、腐烂秸秆及秸秆下土样，取回后将不同样点的粪便和土壤混合，筛选纤维素分解菌。

筛选培养基(g/L)：秸秆粉/羧甲基纤维素钠/微晶纤维素/D-水杨苷5，酵母粉2，KH2PO4 0.5，MgSO4·7H2O 0.5，琼脂20。

固氮培养基(g/L)：KH2PO4 0.2，K2HPO4 0.8，MgSO4·7H2O 0.2，CaSO4·2H2O 0.1，FeCl3微量，Na2MoO4·2H2O微量，酵母粉0.5，甘露醇20，琼脂15，pH 7.2。

实验培养基(g/L)：水稻秸秆8，酵母粉2，KH2PO4 0.5，MgSO4·7H2O 0.5。

(1) 菌培养时接种5 mL，(2) 菌培养时每株菌各接种2.5 mL，(3) 菌培养时每株菌各接种1.66 mL，(4) 菌培养时每株菌各接种1.25 mL。

以分解效率最高的菌株B为基础，根据还原筛选与生态策略相结合的方法与纤维素分解菌和固氮菌一一组配筛选，选取水稻秸秆分解率上升效果最大的菌种组合进行下一轮组配，直至分解效果微量提升或不再提升后停止组配。

将菌株培养至对数生长期，利用细菌DNA提取试剂盒(北京庄盟试剂公司)，按使用说明书提取细菌基因组DNA。以菌种总DNA为模板，利用细菌通用引物27F (5′-AGAGTTTGATCCTGGCTC AG-3′)和1492R (5′-GGTTACCTGTTACGT-3′)进行PCR扩增。扩增后产物送交生物公司测序以获得实验菌株的16S rRNA序列。所得序列结果在NCBI中进行BLAST分析，获得与该菌的16S rRNA序列同源性最高的已知序列，并从GenBank数据库中调取相似性较高的相关菌株基因序列构建系统发育树。

培养样品经6000 r/min离心10 min，除去上清液后用稀酸冲洗以消除菌体，继续离心10 min，70 ℃烘干后称重，初秸秆质量与剩余秸秆质量之差为秸秆降解质量，实验中每个样本设置3个重复，取平均值。

纤维素酶的活性测定参照国际理论与应用化学联合会(IUPAC)推荐的测定纤维素酶活性方法[18-19]：培养基内取发酵液3 mL，10000 r/min、离心10 min，取0.5 mL上清液，加入到含有1%的微晶纤维素/D-水杨苷/CMC-Na和1.5 mL柠檬酸缓冲液(0.05 mol/L，pH 4.5)的试管中，30 ℃水浴30 min，采用DNS法测定还原糖含量。实验中每个样本设置3个重复。以1 h催化纤维素水解生成1 μmol葡萄糖所需的酶量定义为一个酶活力单位U，以U/mL表示。

利用连华科技公司的水质监测仪测定培养基内氨氮含量，实验中每个样本设置3个重复，取平均值。

样品处理：取0.1 g秸秆分解产物，加1 mL甲醇，充分振荡，静置12 h后，用注射器挤出汁液，过0.22 μm孔径的微孔过滤器，取1 μL进样测定。气质联用条件：测定仪器及测定条件：使用日本岛津产QP 5050型气质联机(GC-MS)测定。分析柱：CP-Chirasil-Dex CB型毛细管柱(25 m× 0.25 mm)；载气为氦气，流速为1.0 mL/min，进样口温度250 ℃。柱温初始温度50 ℃，保持2 min，以6 ℃/min升至280 ℃、保持10 min。分流进样，分流比10:1。MS：电子能量70 ev (EI)，电荷质量范围m/z：40–600。扫描速度1 scan/s。电离温度230 ℃。接口温度250 ℃[20-21]。

按照表 1方法配置4种代谢产物的标准液，标准液进行GC-MS分析后建立峰面积与含量标准曲线，以确定4种代谢产物的绝对含量。

利用GraphPad Prism 6软件作数据图，图表中数据为平均值±标准差，Excel软件制作标准曲线，MEGA 5.2软件制作系统发育树。

用4种不同碳源的筛选培养基分离筛选土样中纤维素分解菌，共得到19株细菌。用固氮培养基分离筛选土样中固氮菌，共得到3株细菌。筛选材料及菌种代号如表 2所示。

菌株筛选后对各纤维素分解菌进行水稻秸秆降解效果和纤维素酶活(AC酶活、CB酶活，CMC酶活)测定，对固氮菌进行氨氮含量测量，结果如图 1所示。实验发现，筛选出的19株纤维素分解菌除菌株W2外，都能不同程度上降解水稻秸秆，但水稻秸秆降解效率仍是菌株B最高，菌株D2的分解效果其次。纤维素酶活方面，D2菌株的AC酶活为18.97 U/mL，CB酶活为6.09 U/mL，为19株菌中最高。菌株F1的CMC酶活最高，为13.71 U/mL。对G1、G2和G3的氨氮含量测量发现，3株菌的氨氮含量均有上升，其中，G1菌株在培养5 d时培养基中氨氮含量为837.43 mg/L，随后趋于平稳，氨氮含量上升缓慢但后期平稳。G2菌株在培养2 d时培养基中氨氮含量达到最大，为898.13 mg/L，随后开始下降，氨氮含量上升迅速下降也迅速。G3菌株氨氮上升幅度小，3 d时达到405 mg/L后趋于平稳。说明筛选的19株纤维素分解菌具有分解纤维素能力，3株固氮菌也都具有固氮能力。

实验筛选出19株纤维素分解菌与3株固氮菌，与菌株B组合，根据组合后分解水稻秸秆能力确定最佳菌株，结果如图 2所示。菌株B单独培养3、5、8 d秸秆减重率分别为29.9%、34.0%、50.9%。菌株B+D2组合培养3、5、8 d秸秆减重率分别为41.0%、47.9%、64.6%，说明菌株D2能够促进B分解秸秆能力的提升。菌株B+D2+W1混合培养3、5、8 d秸秆减重率分别为44.3%、52.4%、71.0%，分解秸秆的能力比B单独培养和B+D2组合培养均有显著提升，说明菌株W1能有效促进B+D2组合秸秆转化。与G1菌组合形成B+D2+W1+G1组合时，8 d时秸秆分解率为73.3%，说明菌株G1能促进B+D2+W1组合提升水稻秸秆降解效果，但是菌株G1的作用贡献度要小于菌株D2和W1。需要注意的是，B+D2+W1+G1组合中培养5 d时分解效果相对B+D2+W1组提升明显，水稻秸秆在5 d和8 d时的分解量更为接近图 2-D，说明G1菌的加入某种程度上缩短了秸秆分解的周期。

实验菌株B、D2、W1和G1进行16S rRNA提取、测序。将所得测序序列分别命名为HLB、HLD、HLW、HLG后上传至GenBank，获取登录号分别为MW131641、MW131625、MW131626、MW131624。所得序列利用BLAST程序进行比对，选择高同源性序列，用MEGA 5.2软件从GenBank数据库中调取相似性较高的相关菌株基因序列构建系统发育树，实验结果如图 3所示，实验菌株B、D2、W1和G1的近缘种分别是B. cereus、B. amyloliquefaciens、O. intermedium和B. licheniformis。

纤维素酶是秸秆类物质生物降解的重要条件，实验定期测定与木质纤维素分解相关的3种纤维素酶活。B菌株单独培养时AC、CB、CMC的酶活均在第4天达到最大，分别为51.98、43.71、50.86 U/mL。在第8天时，AC、CB、CMC酶活分别下降至28.20、23.87、29.05 U/mL。而组合B+D2+W1+G1的AC、CB、CMC酶活最高值分别为17.70、9.41、16.90 U/mL，8 d时AC、CB、CMC三种酶活稳定至15.03、6.38、14.98 U/mL。菌株B纤维素酶活性高，D2、W1、G1三株菌加入后，纤维素酶活明显被稀释减小，但并没有完全稀释消失，说明菌株D2、W1、G1的纤维素酶活较小，加入后纤维素酶活也没有出现协同增加现象，是其他方面的原因导致水稻秸秆降解率增加(图 4)。

氮源是微生物生长的重要营养物质，所以本实验向微生物群体中添加固氮菌G1并检测氨氮含量变化，以期通过增加培养基中的营养元素来增加水稻秸秆的分解效率。实验结果如图 5所示，B+D2+W1+G1组在0–4 d增加迅速，4–8 d与B菌株单独培养时并无太大区别。G1加入后，整个群体氨氮含量增加不明显，并没有像预期一样表现出明显的固氮能力，结合B+D2+W1+G1组在培养8 d时整体的水稻秸秆分解效果仅仅提升2.3%，提升效果小，所以，此微生物菌群对水稻秸秆的转化率高与系统内氨氮源含量多少无关。

实验选取对照组(CK)、B菌株单独培养8 d、B+D2组合培养8 d、B+D2+W1组合培养8 d、B+D2+W1+G1组合培养8 d的秸秆分解产物进行GC-MS分析。经GC-MS检测发现，发酵产物主要为酯、酸、烯、烷、醇、酚6类。计算各菌剂组合与未接菌CK峰面积结果如图 6所示，B菌株单独培养8 d时，出现大量的酸、酚类物质。B+D2菌群比B菌株单独培养时，酸类减少87.4%，酚类减少61.9%。B+D2+W1组合比B+D2组合酚类减少41.1%。B+D2+W1+G1组合中酚类继续减少，减少程度不如B+D2和B+D2+W1组。结合每株菌加入后水稻秸秆降解效率的提升程度(图 2)，表明稻秸秆降解效率的提升程度可能与系统内酸、酚类的含量负相关。

进一步分析发现，B菌株单独培养时增加的酸类物质主要包括十五烷酸和正十六烷酸，酚类物质主要包括2, 4二叔丁基酚和6-叔丁基对甲酚。B+D2组合培养时减少的酸类物质主要为十五烷酸和正十六烷酸，减少的酚类物质主要为2, 4二叔丁基酚和6-叔丁基对甲酚，说明D2菌株具有减少系统中十五烷酸、正十六烷酸、2, 4二叔丁基酚和6-叔丁基对甲酚含量的功能。B+D2+W1组合培养时进一步减少的酚类物质主要为6-叔丁基对甲酚，此外十五烷酸含量也进一步减少，说明W1菌株可能具有减少系统中6-叔丁基对甲酚和十五烷酸含量的功能。B+D2+W1+G1组合培养时6-叔丁基对甲酚再一次减少，说明G1菌株也可能具有减少系统中6-叔丁基对甲酚含量的功能，减少程度不如W1菌株(图 7)。

根据标准曲线(图 8)将菌株B单独培养时十五烷酸、正十六烷酸、2, 4二叔丁基酚和6-叔丁基对甲酚(表 3)的峰面积换算成绝对含量。结果表明，菌株B单独培养8 d时十五烷酸含量为0.00586%，100 mL发酵液中纯质量为5.86 mg。正十六烷酸含量为0.00733%，100 mL发酵液中纯质量为7.33 mg。2, 4二叔丁基酚含量为0.00028%，100 mL发酵液中纯质量为0.28 mg。6-叔丁基对甲酚含量为0.00137%，100 mL发酵液中纯质量为1.37 mg。

根据绝对定量实验结果，将菌株B放入单独含不同浓度梯度的十五烷酸、正十六烷酸、2, 4二叔丁基酚和6-叔丁基对甲酚4种物质的培养基中进行培养，观察菌株B对水稻秸秆降解效率的变化，结果如图 9所示。实验发现十五烷酸、正十六烷酸、2, 4二叔丁基酚和6-叔丁基对甲酚4种物质对菌株B的水稻秸秆降解效率具有抑制作用，抑制作用大小：正十六烷酸＞2, 4二叔丁基酚＞十五烷酸＞6-叔丁基对甲酚。培养基中加入与菌株B单独培养8 d时产生量相近的6 mg十五烷酸、8 mg正十六烷酸、3 mg 2, 4二叔丁基酚和2 mg 6-叔丁基对甲酚后，分别产生1.66%、17.53%、4.27%、3.35%的抑制效果。实验证明，十五烷酸、正十六烷酸、2, 4二叔丁基酚和6-叔丁基对甲酚4种物质对菌株B的水稻秸秆降解效率确实具有抑制作用，菌种组合后水稻秸秆的分解效果提升的部分原因是外加菌株解除了部分抑制物的影响。

B. cereus分布广泛，常存在于腐烂的有机物、土壤、食物、淡水和海水以及无脊椎动物的肠道中[22]，可生物合成多种水解酶，很早就已用于生物技术应用等领域[23]。B. cereus代谢会产生大量酸，Eder等[24]利用这一特性增加发酵氢气产量。Patel等[25]的研究也同样利用B. cereus产酸发酵。有机酸产生会使pH值降低，影响微生物生长和代谢[26]。同时，Low等[27]发现木质纤维素降解时主要由酚类单元中α-和β-醚键断裂以及非酚类单元中β-醚键断裂，所以水稻秸秆降解时系统内酚类物质会增加。酚类化合物在低浓度下会插入细菌膜的磷脂层，干扰脂酰链之间的范德华作用，使磷脂和膜的完整性受到破坏，对微生物具有毒性作用[28-30]。本实验中菌株B (B. cereus)单独培养降解水稻秸秆时，同样出现了大量酸类和酚类物质，这两类物质是阻碍水稻秸秆进一步生物降解的关键。B. amyloliquefaciens对不同有机酸具有趋化性反应[31]。Yuan等[32]研究发现，B. amyloliquefaciens生长过程中会吸收环境中的酚酸类物质，Hui等[33]也研究表示B. amyloliquefaciens产生的生物膜具有吸附亚硝酸盐的能力，且Mei等的研究表示B. amyloliquefaciens具有降解水稻秸秆的功能[34]，这与本实验的D2 (B. amyloliquefaciens)菌株类似，当D2加入后，培养基酚酸类物质减少明显，秸秆降解效果增加。WAEL S.等从富含苯酚的活性污泥中分离出一株以苯酚为唯一碳源的O. intermedium，该菌株苯酚降解率较高[35]。本实验所用的菌株W1 (O. intermedium)能够减少系统内41.1%的酚类，对酚类物质也具有去除作用。

Eiteman等[10]利用一株大肠杆菌ZSC113 (不能消耗木糖)和另一株大肠杆菌ALS1008 (不能消耗葡萄糖)混合培养，获得了能高效发酵糖类的微生物群体。Szambelan等[12]将Kluyveromyces fragilis与Saccharomyces cerevisiae或者Zymomonas mobilis一起发酵，通过菌株间的协同作用使产氢量提高12%。本实验结果和机制与此相同，培养系统中各菌株通过种间互助和代谢互补来提高水稻秸秆的分解效率。秸秆降解过程中，构建的微生物组合中B菌株(B. cereus)与Aiya[36]筛选出的B. cereus JD 0404性状相似，能够分泌高活性的纤维素酶，这些酶可以水解木质纤维素并将其溶解为基本单体，以供其他微生物进一步代谢[37-38]，培养基中每添加一次新菌种，三种纤维素酶活都会被不同程度稀释下降，菌株B具有较高酶活性是组合菌群降解水稻秸秆的基础，在整个体系中发挥着降解水稻秸秆的主要角色。菌株B在分解水稻秸秆后产生了大量的酸类(十五烷酸、正十六烷酸)、酚类(2, 4二叔丁基酚、6-叔丁基对甲酚)物质，菌株B不具有或不擅长降解这些酸、酚类物质的酶或代谢通路，所以此类产物逐渐积累致使菌株B的水稻秸秆降解率下降，添加菌株D2 (B. amyloliquefaciens)后发酵液中挥发性酸类减少87.4%，酚类减少61.9%，其中十五烷酸、正十六烷酸、2, 4二叔丁基酚和6-叔丁基对甲酚等酚、酸类物质减少明显，秸秆降解效果得到第一次增加。菌株W1 (O. intermedium)能够减少系统内41.1%的酚类，对十五烷酸和6-叔丁基对甲酚去除率也比较明显，秸秆降解效果得到第二次增加，W1菌株的水稻秸秆降解效率和酚、酸类物质的去除性能都不如菌株D2，所以菌株W1加入后秸秆分解效率不如菌株D2加入时增加的多。菌株G1(B. licheniformis)接种至培养基后对整体的水稻秸秆分解效果提升不大，仅仅提升2.3%，这与菌株G1对酚、酸类物质去除能力小有关。但是菌株G1能提高中期(5 d)水稻秸秆的分解效率，具有一定缩短分解周期的作用，Liu等[39]研究中表示B. licheniformis能产生表面活性剂，对pH、温度和盐度具有良好的稳定性，表面活性剂存在时，疏水性物质在水中表面积增加，导致水溶性，从而增加微生物降解[40]，菌株G1的具体作用功能可能与此有关，具体原因还待进一步研究。

(1) 成功构建出以菌株B (Bacillus cereus)、D2 (Bacillus amyloliquefaciens)，W1 (Ochrobactrum intermedium)和G1 (Bacillus licheniformis)组成的能够在30 ℃培养8 d降解73.21%水稻秸秆的4菌微生物群体。

(2) 微生物群体比单体对水稻秸秆转化效率高主要由于分解水稻秸秆时产生的代谢产物的反馈抑制，菌株B (B. cereus)单独接种到以水稻秸秆为唯一碳源的培养基时，发酵液中检测到大量的酸、酚类物质，其中酸类物质主要包括十五烷酸和正十六烷酸等，酚类物质主要包括2, 4二叔丁基酚和6-叔丁基对甲酚。高浓度的酸类和酚类物质对水稻秸秆降解过程起抑制作用，减少两类物质的含量可以提高菌株B的水稻秸秆分解效果。菌株D2 (B. amyloliquefaciens)能够有效减少系统内酸类和酚类的含量以提升水稻秸秆分解效果，对正十六烷酸、2, 4二叔丁基酚和6-叔丁基对甲酚减少作用明显。菌株W1 (O. intermedium)也能够有效减少系统内酸类和酚类的含量以提升水稻秸秆分解效果，对十五烷酸、正十六烷酸、2, 4二叔丁基酚和6-叔丁基对甲酚也具有减少作用，作用程度不如菌株D2。

(3) 水稻秸秆成分复杂，单一菌种与多菌种组合成的菌剂相比，单一菌种降解效率不高，具有不同功能的菌种组合成复合菌剂可减少反馈抑制形成代谢互补，能有效提高水稻秸秆生物降解效果。