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摘要：側孢短芽孢杆菌（Brevibacillus laterosporus）具有殺蟲、抗菌、抗惡性良性腫瘤、生物降解轉化等多種生物學活性，在生物防治、環境保護、醫學、微生物菌劑開發等諸多方面顯示了巨大的應用價值和潛力。本文綜述了側孢短芽孢杆菌自被發現以來的主要研究成果及相應研究方法，重點關注了側孢短芽孢杆菌在生産上具體應用的進展狀況，部分内容系國内首次提及。同時，還指出了在側孢短芽孢杆菌應用中存在的問題，并對其未來的研發和應用進行了展望。
側孢短芽孢杆菌（Brevibacillus laterosporus）在分類學中屬細胞生物（Cellular organisms）、細菌域（Bacteria）、厚壁菌門（Firmicutes）、芽孢杆菌綱（Bacilli）、芽孢杆菌目（Bacillales）、類芽孢杆菌科（Paenibacillaceae）、短芽孢杆菌屬（Brevibacillus）。在自然界中分布較廣，在土壤、火山泥流、淡水、海水、昆蟲體内、葉表、槐豆、堆肥、牛奶、奶酪、蜂蜜、澱粉類食物、膠制品工廠廢水、動物皮毛和鹌鹑等材料中均已分離到。20世紀初，White研究歐洲幼蟲腐臭病的緻病菌時，在其繼發性感染源中，分離到側孢短芽孢杆菌，至此人們開始關注它與昆蟲之間的關系。1916年Laubach淡水中分離到一個新種，把它命名為Bacillus laterosporus，并對它的形态及生理生化特性進行了較長的描述。1996年Shida等根據16S rRNA序列分析及建構系統發育樹，按近代生物分類學把側孢短芽孢杆菌定位為包含短短芽孢杆菌在内的新屬――短芽孢杆菌屬。Ruiu從形态特征、對無脊椎動物的殺傷作用、抗菌作用以及其他性能等諸多方面回顧了側孢短芽孢杆菌的研究曆史。本文将國内外對側孢短芽孢杆菌的主要研究和突破性進展進行了較為全面的綜述，對側孢短芽孢杆菌從早期發現到目前在生産上的應用概況進行了系統總結。
1、側孢短芽孢杆菌的形态學特征
側孢短芽孢杆菌是一種杆狀的、産内生孢子的兼性厭氧細菌，能夠産生其特有的獨木舟狀伴孢體（CSPB），緊緊地依附于芽孢一側，進而使其芽孢側生，用甲苯胺藍或結晶紫染料可使其着色。側孢短芽孢杆菌細胞大小約為 （0.5～0.8）μm×（2.5～5.0）μm，生長溫度範圍15～45℃，适宜pH值範圍6～9。一直以來，側孢短芽孢杆菌特殊的形态學特征引起了衆多科研人員的關注。在20世紀中期，Hannay利用光學和電子顯微鏡觀察到了固定的、芽孢内嵌式的細胞和芽孢，并得出了如下結論：伴孢體形成于芽孢形成之前，并在芽孢形成之後一直附着于芽孢的一側，它是芽孢的一部分。對于伴孢體的功能，人們提出了各種假設，伴孢體可能有助于芽孢萌發，它們或是附屬的壁，又或是芽孢壁的變形等。然而，到目前為止還不能确定其特殊功能。1958年Fitz-James等發明了一種從芽孢原生質體中分離獨木舟狀芽孢體的方法，并分析了這種結構的化學組成。除了獨木舟狀的伴孢體，1990年Montaldi等在芽孢囊内還發現了有棱角的球狀伴孢體和有交叉平行帶條紋的伴孢體。這些結構的功能還不清楚，但之後人們發現側孢短芽孢杆菌不同形狀和大小的伴孢體與殺雙翅目昆蟲活性有關。
2、側孢短芽孢杆菌的生物學活性
側孢短芽孢杆菌是既能抗菌殺蟲又有醫用價值的微生物資源。早期研究主要集中在殺蟲活性上，國外研究較多，已有生物殺蟲劑成品上市。近年來，人們越來越關注關于側孢短芽孢杆菌能夠産生抗菌活性物質的特性。
側孢短芽孢杆菌具有多種生物活性，且表現出廣譜抗菌活性，尤其是對細菌和真菌。近期的全基因組測序結果表明，側孢短芽孢杆菌還具有産生聚酮化合物、非核糖體肽和毒素等物質的潛力。它還能夠産生氨基肽酶抑制劑、戊二酰基7-ACA酰基轉移酶、凝血酶抑制劑、賴氨酸等活性物質，顯示了良好的應用前景。此外，側孢短芽孢杆菌也是哺乳動物和鳥類的益生菌，它所産生的特有抗生素已應用于醫藥領域。
2.1側孢短芽孢杆菌的殺蟲活性
對于側孢短芽孢杆菌殺蟲活性的研究比較多。研究證明，多種側孢短芽孢杆菌對不同的無脊椎動物如昆蟲、線蟲和軟體動物都具有緻病性。其殺蟲活性主要是由于伴孢體中所含蛋白質對多種昆蟲具有毒性作用，接觸或入侵靶标後，在細胞生長周期不同階段産生不同物質，進而起到毒性作用。研究人員對一些特定的毒素蛋白及其作用方式已進行了探究，但還有許多問題需要進一步的分析和闡明。
2.1.1殺昆蟲作用早期研究發現，有些側孢短芽孢杆菌菌株對馬鈴薯甲蟲和煙草甲幼蟲有毒性作用。Du Rand等研究發現，一株側孢短芽孢杆菌與相同生物量的蘇雲金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis）相比，對黃粉蟲幼蟲的毒性更高，并确定其半緻死濃度為3.388×106芽孢/mL。Boets等發現，側孢短芽孢杆菌分泌的毒素具有蛋白質特征，把新型殺蟲分泌蛋白命名為ISP1A和ISP2A，并确定了其DNA編碼序列。隻有當主要的殺蟲分泌蛋白和互補殺蟲分泌蛋白同時被昆蟲攝入體内時，才表現出毒性，而當單獨攝入一種殺蟲蛋白時則沒有毒性。不同側孢短芽孢杆菌菌株之間的差異導緻其對鱗翅目昆蟲的抗性作用存在争議。側孢短芽孢杆菌菌株對大豆夜蛾表現出不同的毒性水準，而同樣的菌株對草地貪夜蛾卻沒有殺蟲活性。
最早關于側孢短芽孢杆菌潛在殺蟲作用的報道源于對蚊子的研究。對蚊子的緻病性與培養上清液無關，而是受菌體細胞影響。近年來的研究發現，側孢短芽孢杆菌的芽孢和獨木舟形伴孢體結構起主要的殺蚊作用。從俄羅斯分離得到B. laterosporus 615和921，能産生不同形狀和大小的細胞質晶體内含物，并報道了它們的殺蚊活性。
最近研究發現，一種産晶體的側孢短芽孢杆菌中同時存在芽孢和晶體時，對梨形四膜蟲有殺蟲作用。然而，芽孢-晶體前體對原生動物細胞無毒害作用。
Ruiu等在2006年首次發現了已形成芽孢的側孢短芽孢杆菌對家蠅具有感染性。對家蠅的毒性作用主要來源于芽孢。B. laterosporus這類細菌通過把毒素緊緊地依附在活的芽孢上而産生殺蟲作用。在之後的組織病理學研究中，對側孢短芽孢杆菌的緻病因素和作用方式進行了深入研究。側孢短芽孢杆菌作為防治蒼蠅的生物藥劑，其價值還展現在另一方面：安全性評價結果表明，它對非靶标生物無毒性，而隻作用于膜翅目的家蠅蛹寄生蜂以及蜜蜂。
2.1.2殺線蟲作用某些側孢短芽孢杆菌菌株的芽孢中含有殺線蟲化合物，能夠抑制線蟲的卵孵化和幼蟲發育，是以，側孢短芽孢杆菌已成為寄生性線蟲的生物防治藥劑。通過高效液相分離得到的殺蟲毒素是一種耐高溫、分子量低（大約為2.9 kD）的蛋白質，紫外吸收波長為205、220、268 nm。對動物寄生性線蟲和植物寄生性線蟲都有殺蟲活性。
已經确定側孢短芽孢杆菌G4産生的胞外蛋白對線蟲有毒性，從該菌的發酵上清液中分離純化出的堿性蛋白酶BLG4，對獨立生存的線蟲和植物寄生線蟲Bursaphelenchus xylophilus Nickle有殺蟲活性。在掃描電子顯微鏡下觀察到，這些蛋白質嚴重破壞了線蟲的角質層，使其外層表皮脫落并形成很多裂痕。這種作用方式和食線蟲真菌類似，食線蟲真菌入侵線蟲體内，通過胞外蛋白酶降解外表皮的蛋白質角質膜和連接配接線蟲幾丁質纖維的基質實作。使用重組體的純培養物，體外驗證了BLG4的殺蟲活性。在枯草芽孢杆菌中克隆表達的BLG4編碼基因，與絲氨酸蛋白酶類中的枯草杆菌蛋白酶家族以及其他角質層降解蛋白酶的編碼基因具有高度的同源性。缺少BLG4基因的突變體，檢測時緻病性顯著降低。線上蟲角質層的降解過程中，利用熒光免疫定位法，證明了蛋白酶參與細菌感染作用，該研究成果已得到應用。
2.1.3殺軟體動物作用據報道，短短芽孢杆菌（B. brevis）相近種對水生蝸牛、光滑雙臍螺和斑馬贻貝等有殺蟲活性。細菌培養物的全部成分都與其對軟體動物的緻病性有關，其中産生的細菌抗生素，如短杆菌肽S和D，起到了主要作用。側孢短芽孢杆菌對生命周期較短的動物的感染性更強，對面盤幼蟲期的斑馬贻貝的緻病力與蘇雲金芽孢杆菌相當。
上述研究表明，側孢短芽孢杆菌不同菌株之間以及同一菌株對不同靶标的作用機制可能有所不同。
2.2側孢短芽孢杆菌的抗菌活性
側孢短芽孢杆菌産生的抗菌物質種類豐富，對各類真菌和細菌都表現出廣譜的抑菌活性。短芽孢杆菌屬中很多可以産生蛋白酶和抗生素的物種都具有這種生物學特性。這方面國外的報道較多，已确定的抗菌物質有非肽類的芽孢菌胺、肽類抗生素、聚酮化合物以及幾丁質酶等。
2.2.1抑制植物病原真菌從我國蘋果根際土壤中分離到的B. laterosporus ZQ2對蘋果樹緻病菌具有廣譜抗性，如立枯絲核菌（Rhizoctonia solani）、尖孢鐮刀菌（F. oxysporum）、茄病鐮刀菌（F. solani）、煙曲黴菌（Aspergillus fumigatus）、煙草赤星病菌（Alternaria alternata）、楊樹爛皮病菌（Valsa sordida ）、蘋果炭疽病菌（Colletotrichum gloeosporioides）、灰黴病菌（Botrytis cinerea）和蘋果輪紋病菌（Physalospora piricola）等。在120℃高溫處理30 min、紫外照射和pH值1～11的條件下，該細菌培養上清液中抗真菌活性仍然能達到80%的抑菌率。在印度的泥漿中分離到側孢短芽孢杆菌BPM3，能夠抑制植物緻病真菌如F. oxysporum、F. semitectum、Magnaporthe grisear、Rhizoctonia oryzae以及革蘭氏陽性菌金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的生長。将起抑菌作用的化合物進行分離鑒定，通過光譜分析，初步發現最高活性部位的化學組成包括C-H、羰基、二甲基、-CH2和甲基。
有些側孢短芽孢杆菌菌株通過産生幾丁質酶來降解真菌細胞壁，進而抑制真菌生長。趙秋敏等從524株芽孢杆菌中篩選出1株幾丁質酶活力較高的側孢短芽孢杆菌1?864，研究表明該菌對小麥赤黴菌等6種病原菌具有明顯的抑制作用。從印度的紅樹林濕地土壤中，分離到一株側孢短芽孢杆菌Lak210，在含膠體幾丁質的培養基上，可以産生幾丁質酶，釋放到培養液中。這些抗菌蛋白對鐮刀菌屬植物緻病真菌具有抑制作用，與由B. laterosporus LMG15441基因編碼的89.4 kD的四結構域幾丁質酶，以及69.4 kD的二結構域幾丁質酶（ChiA 1）具有高度的同源性。
2.2.2抑制植物病原細菌側孢短芽孢杆菌的抗菌性能與其産生的抗菌肽有關，現已研究出一種利用瓊脂擴散定量檢測其生物活性的方法。李偉傑等将番茄青枯病拮抗菌X10鑒定為側孢短芽孢杆菌，并制備了X10的固體菌劑，對其田間應用效果的測定表明，該菌劑對番茄青枯病的防治效果較好，同時還能促進番茄植株生長和增加産量。另外，X10發酵液中的蛋白粗提液具有抑制茄科勞爾氏菌生長的效果。最近，從側孢短芽孢杆菌A60的發酵液中，分離鑒定到一種分子品質大約為1.6 kD的新型短序列線性抗菌肽，命名為BL-A60，并證明其對多種植物緻病菌具有抑制作用。抗菌活性物質熱穩定性好，100℃處理15 min後仍保持活性，在pH值3～11範圍内抗菌活性不受影響，蛋白酶K、胰蛋白酶、胃蛋白酶處理也不影響其活性。抗菌肽對微生物的抑制作用顯示它通過破壞細胞膜，造成細胞破碎和裂解。這些抗菌肽通過細胞膜進入細胞并随細胞質的流動而轉移，它們通過幹擾DNA和RNA，最終破壞蛋白質的合成。BL-A60可能也是通過這種方式起作用的，但目前這些機理還未研究清楚。黎定軍等對側孢短芽孢杆菌2-Q-9研究時發現它分泌的抑菌物質能強烈抑制3個青枯病菌生理小種的正常生長，進一步對該抑菌物質的性質進行研究後表明，該抑菌物質可能是蛋白或多肽類。陳武等分離并純化出側孢短芽孢杆菌2-Q-9外泌抗菌肽BL2Q9。任召珍等得到了側孢短芽孢杆菌Lh-1的抗菌活性物質R21，抑菌試驗證明R21對緻病性革蘭氏陰性和陽性菌、食品腐敗菌及少數真菌均有抑菌作用。趙秀香等從煙草根際土壤中分離到一株生防菌側孢短芽孢杆菌B8，它的發酵液對煙草黑胫病菌的抑菌圈直徑達到63 mm，試驗推斷該抑菌物質可能為蛋白或多肽類。
2.3側孢短芽孢杆菌的解磷功能
側孢短芽孢杆菌具有解磷、解鉀等功能。石磊研究了側孢短芽孢杆菌菌株BL-21的解磷能力，表明它适合開發應用于旱田農作物的菌肥，且能在一定程度上提高土壤中有效磷的含量和農作物的産量。研究發現側孢短芽孢杆菌能夠降解水胺硫磷。杜春梅等在研究側孢短芽孢杆菌解磷過程中，發現它具有降解氧化樂果、水胺硫磷等有機磷農藥的作用，分析了側孢短芽孢杆菌菌株BL-2l降解水胺硫磷的條件和途徑，并得到了降解水胺硫磷的最佳培養基配方和降解條件。
2.4側孢短芽孢杆菌對有機污染物的降解
利用微生物進行生物修複已成為新的研究熱點。利用生物方法處理污染場地以達到降解并除去污染源或污染化合物的目的。人們發現越來越多的物質能被側孢短芽孢杆菌所降解，最典型的執行個體是把聚乙烯醇降解為乙酸鹽，還能産生多種酶如木質素過氧化酶、漆酶、氨基比林-N-脫甲基酶、NADH-DCIP還原酶和孔雀綠還原酶等。能夠實作對紡織物偶氮染料的脫色處理，Kurade等研究了側孢短芽孢杆菌MTCC 2298對不同結構染料的優先降解，并運用HPTLC優化了脫色物質的降解規律和實體化學參數。随後又發現一種新型細菌-酵母微生物菌群BL-GG可以有效地對紡織工業廢水及分散染料Scarlet RR進行脫色，并認為細菌-真菌或酵母的結合所産生的聯合酶催化機制表現出增效作用，減少了毒性代謝物的産生。Waghmode等評估了Galactomyces geotrichum MTCC 1360 （GG） 和B. laterosporus MTCC 2298 （BL）及二者的微生物菌群GG-BL對分散染料Brown 3 REL的不同降解效果，并進行了進一步驗證。
研究證明，側孢短芽孢杆菌能夠降解制革廠廢水中的植物單甯，生物降解苯酚和甲苯，生物吸附水溶液中的有毒金屬，以及對污水系統中的重金屬解毒等。
2.5側孢短芽孢杆菌的醫用功能
側孢短芽孢杆菌的醫用功能早已為人們所熟知，尤其是國外在這方面的研究較深入，技術也較成熟，而且相關産品種類豐富，給人類健康帶來了福音。美國、英國利用側孢短芽孢杆菌開發出益生菌保健類藥物BOD等，用于口服預防或治療胃腸紊亂。在歐洲市場上，該菌産生的生物素前體已經開發出了很多産品。
某些側孢短芽孢杆菌菌株的抗真菌和抗細菌特性具有醫藥價值，因為它們産生的抗生素有治療作用。如抗生素側孢菌胺，在體内和體外試驗中，均表現出對革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌的廣譜抗性。從巴巴新幾內亞海岸熱帶海水中分離得到一株側孢短芽孢杆菌，能産生acyldipeptides tupuseleiamides和抗真菌聚酮類化合物basiliskamides，可以有效抑制E. coli和白色念珠菌。同樣從海洋中分離的菌株PBG-276也能産生包括loloatins、bogorols和脂肽tauramamide的多種肽化合物。側孢短芽孢杆菌發酵液中還含有其它抗生素，如cyclodecapeptide laterocidin，凝血酶抑制劑bacithrocins A、B和C，亮氨酸氨肽酶抑制劑leuhistin，以及抗癌物質斯格埃林等。Krachkovskii等從側孢短芽孢杆菌IGM中分離到一種環狀十肽類抗生素，通過核磁共振分光法鑒定為loloatinA。從土壤中分離的一些側孢短芽孢杆菌菌株能産生重要的工業用酶――頭孢菌素酰基轉移酶，用于頭孢菌素衍生物的工業化生産。
側孢短芽孢杆菌能夠産生多種抗惡性良性腫瘤活性物質，例如精胍菌素、免疫毒素、15-脫氧精胍菌素等。15-脫氧精胍菌素（15-Deoxyspergualin，DSG）是由側孢短芽孢杆菌産生的代謝産物，對犬類、齧齒類和靈長類動物具有免疫抑制活性。在抗癌免疫抑制方面應用潛力巨大，可抑制單核細胞、淋巴細胞和巨噬細胞增殖，抑制單核細胞釋放過氧化物酶及溶酶體酶，并能明顯減少腎移植後細胞浸潤。Shi等對B. laterosporus A7誘變，篩選出一株高産抗癌物質且遺傳穩定性良好的菌株A-94-7，并對其發酵培養基進行了優化，抗癌物質産量為原始菌株的4倍。
2.6側孢短芽孢杆菌的其他功能
Crawford等研究芽孢杆菌對4-羟基苯甲酸降解的過程中發現菌株B. laterosporus PHB-7a在含4-羟基苯甲酸的培養基中能夠産生高水準的龍膽酸鹽加氧酶和順丁烯二酰丙酮酸鹽水解酶，該酶能把 4-羟基苯甲酸轉變為龍膽酸鹽，龍膽酸鹽通過谷胱甘肽的作用進一步轉化為龍膽酸。Aramori等從土壤中得到一種新型産戊二酰7-ACA 酰基轉移酶的側孢短芽孢杆菌J1。Yoshimoto等從土壤中分離到的一株側孢短芽孢杆菌可以産生一種内-α-N-乙酰氨基半乳糖苷酶。Umerie等通過從土壤中分離的側孢短芽孢杆菌進行分批發酵生産L-賴氨酸。側孢短芽孢杆菌産生的生物活性物質對多個屬的藍藻具有殺藻作用，包括顫藻、魚腥藻、微囊藻、念珠藻等有害藻類。它阻礙了微藻類的光合作用，并導緻細胞分裂停滞、藍藻鍊破壞以及細胞溶解，可有效控制微藻類對水源的污染。所有這些活性物質的相關研究顯示了側孢短芽孢杆菌的巨大應用潛力。
3、側孢短芽孢杆菌應用現狀及存在的問題
研究證明，側孢短芽孢杆菌具備開發成為防治昆蟲、線蟲、軟體動物和植物病原菌的生防菌劑的潛力。由于側孢短芽孢杆菌對很多有害微生物具有抑制作用，已作為飼料添加劑應用于哺乳動物的腸道調節。鑒于其益生功效，給家禽口服側孢短芽孢杆菌的孢子制劑，能夠提高飼料的使用率并增加體重。另外，由于它具有抗菌特性并能産生特有的抗生素類物質，已逐漸應用于醫藥行業。最近的相關研究更多地傾向于其生物降解和淨化特性，并強調其在生物修複方面的應用潛力。
印度已完成了3種側孢短芽孢杆菌菌株全基因組的測序。在美國，側孢短芽孢杆菌被成功地作為生物殺蟲劑來治療動物線蟲。我國雲南大學的側孢短芽孢杆菌殺線蟲成果也已得到了生産上的應用。世界酶制劑巨頭――丹麥諾維信公司生産的諾沃TM微生物菌劑中，也含有側孢短芽孢杆菌。自2001年以來，國内關于側孢短芽孢杆菌的專利多達40餘項，其中絕大部分涉及側孢短芽孢杆菌的複合微生物肥料的制備與應用，也有關于側孢短芽孢杆菌處理生活垃圾，進行抗菌蛋白發酵，生産抗菌肽，以及作為葉面增效劑、水質和土壤改良劑、抑藻劑等的具體應用。例如孫建新等發明的一種促進植物生長的微生物肥料及其培養方法，該肥料就包含由枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和側孢短芽孢杆菌組成的複合微生物；曹鳳明等提供了一種快速檢測和鑒定微生物肥料中側孢短芽孢杆菌的技術，利用特異引物，根據樣品基因組DNA進行PCR擴增，對微生物肥料中的側孢短芽孢杆菌進行檢測和鑒定。
側孢短芽孢杆菌在實踐應用中尚存在一些問題亟待解決。主要包括：（1）如何解決側孢短芽孢杆菌發酵産量偏低的問題，用以在實際生産中提高其發酵産量，增加生産效益；（2）側孢短芽孢杆菌類生物菌劑投放到環境中的生物安全性問題，這需要大量的田間試驗，證明其使用後在周圍環境中所占據的生态位以及對生态平衡的影響，考察其是否可在發揮作用後短時間内數量減少直至消失，以保持原來的生态平衡，確定生态安全；（3）如何建立一種快速、準确、有效的檢測環境中側孢短芽孢杆菌的含量及分布狀況的方法，以便于及時示蹤，并進一步探索菌株在土壤乃至植物中的定植存活情況、與土著微生物的互相關系，實時監測田間應用效果。（4）進一步研發側孢短芽孢杆菌相關的生物降解菌劑和酶制劑。
側孢短芽孢杆菌的多種生物學功能對生産實踐産生積極的影響，具有巨大的應用潛力。基于其具有殺蟲、抑菌等特性，可以不斷開發出相應的微生物菌劑、醫療保健藥物、生物防控制品及環保化工産品。随着側孢短芽孢杆菌全基因組測序的完成，可以逐漸開展對相關基因的分離、克隆以及高效表達研究，側孢短芽孢杆菌在人類生産生活中必将發揮越來越重大的作用。伴随着轉基因技術的應用以及側孢短芽孢杆菌殺線蟲作用的深入研究，還可以進一步開發相應的轉基因抗線蟲作物，造福社會。
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