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纤维单胞菌属菌株的应用研究
北纳生物 2019-01-11

2.1 纤维单胞菌在生态环境维护方面的应用

重金属污染物严重破坏生态环境,对环境和人类的健康具有很大的危害。目前降低重金属污染的措施主要有阴离子交换、石灰软化和活性氧化物混凝等,但都需要投入很高的成本。另一种替代途径是利用微生物固定受污染环境中重金属元素,降低重金属对环境的破坏程度和对人健康的威胁。纤维单胞菌是目前发现的少数具有生物固定化能力的革兰氏阳性菌。研究发现,纤维单胞菌对多种重金属离子如Cr(Ⅵ)、Fe(Ⅲ)和U(Ⅵ)均有清除作用。例如,C. flavigena ATCC 482能将铬酸盐中Cr(Ⅵ)降解成Cr(Ⅲ),大大降低了铬离子的毒性。Sivaswamy等研究发现菌株Cellulomonas sp. ES6可以通过产生无机磷酸盐将水溶性强、迁移度高的六价金属铀离子(Ⅵ)固定并还原成四价金属铀离子(Ⅳ),极大地降低了重金属铀在地下水中的溶解性和迁移率。该菌株在重金属离子的刺激下,能在细胞表面形成稳定的生物载体,具有长期清除重金属污染物的能力。

纤维单胞菌也能被应用于石油开采、粪便和农业废弃物处理等方面,在促进资源的开采和废物的循环利用方面具有一定的应用前景。Nazina等从俄罗斯低温稠油油田中分离获得菌株C. hominis HO-D2,能够在重油表面产生表面活性剂和大量挥发性的有机酸(乙酸、丙酸、丁酸),促进岩石中的碳酸盐溶解和石油的开采。Escamilla-Alvarado等根据C. flavigena PR-22产木聚糖酶和纤维素酶的特性,将该菌应用于城市固体垃圾的处理,并转化生成可作为能源的氢气和甲烷,促进废弃资源的循环利用。

2.2 纤维单胞菌在酶资源方面的应用

目前,已经发现的纤维单胞菌中,绝大多数菌株都具有降解纤维素的能力。这也意味着,纤维单胞菌中蕴含着十分丰富的纤维素降解相关的酶基因资源。Anthony等从C. biazotea ATCC 486产生的纤维素酶中获得了5个β-葡萄糖苷酶同工酶的基因,其中cba4和cba5为2个新的编码β-葡萄糖苷酶同工酶的基因。有研究发现,菌株C. biazotea NCIM-2550中丰富的纤维素酶系,可通过协同作用将不同的纤维素底物转化为氢气。菌株C. biazotea T26产生的淀粉蔗糖酶能将氢醌高效转化为具有抗氧化作用的α-熊果苷。

产黄纤维单胞菌(C. flavigena) CDBB-531能够产生木聚糖酶、β-木糖苷酶、内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶等多种酶类,使其可有效分解甘蔗渣、麦秸和木屑等。Lisov等通过研究C. flavigena Ac-1137产木聚糖酶的能力,发现了CFXyl1、CFXyl2、CFXyl4和CFXyl3等四种木聚糖酶,这些木聚糖酶能有效糖化黑麦、小麦和燕麦等动物饲料的常见成分,在农业、畜牧业方面具有很好的应用价值。粪碱纤维单胞菌(C. fimi) ATCC 484能产生几丁质酶、内切葡聚糖酶和β-甘露聚糖酶等多种酶。Kane等通过BioBricks策略在C. fimi ATCC 484的基因组序列中发现14个与降解纤维素相关的酶的基因,克隆表达了α-L-阿拉伯糖苷酶AfsB、β-木糖苷酶BxyF和BxyH以及木聚糖内切酶XynF,其中BxyH在强碱和100℃高温条件下仍具有很好的活性。这也提示了纤维单胞菌中丰富的酶基因资源值得进一步研究。

2.3 纤维单胞菌的其他应用

单细胞蛋白(SCP)作为一种微生物蛋白,在替代应用于乳品和家禽工业的传统蛋白质补充剂方面具有潜力。Rajoka等研究发现双氮纤维单胞菌(C. biazotea) NIAB 442能利用盐渍地多年生草本植物卡拉尔草,发酵生产单细胞蛋白,通过结合该菌株产生单细胞蛋白的动力学曲线,单细胞蛋白的产量每公顷高达1000kg。这也说明纤维素单胞菌在农业资源的转化和有效利用方面具有十分重要的应用价值。纤维单胞菌对纤维素的降解作用也被应用于微生物燃料电池的研究和开发中。Takeuchi等通过比较C. fimi NBRC 15513、C. biazotea NBRC 12680和C. flavigena NBRC 3775等3种微生物在以纤维素作为底物的燃料电池中产生电流的能力,发现纤维素降解时均有电流产生,且C. fimi NBRC 15513产生的电流强度最高,约为Shewanella oneidensis MR-1产电流活性的63%。

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