柴凤兰，郑 晨，张 帆

（开封市秸秆生物质绿色综合利用重点实验室/河南应用技术职业学院，河南开封 475000）

枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis,BS）是芽孢杆菌属的一种，广泛分布在土壤及腐败的有机质中，具有定殖、繁殖速度快的特点，能迅速抑制其他病原微生物的繁殖，具有很强的竞争力。BS已被广泛应用于土壤修复、养殖业和植物病虫害防治等方面。BS在土壤中可以起到溶磷、固氮等作用，能改善土壤微环境[1]。在黄河鲤鱼的饲料中添加大约2‰的BS，可以显著提高黄河鲤鱼消化酶活性，大大提高鱼的生长性能[2]；枯草芽孢杆菌可以有效阻隔水稻对镉的吸收，增加土壤的酶活性，降低土壤中有效态的镉含量，提高水稻的生物量[3]；枯草芽孢杆菌可以用于水果的保鲜和防腐，而不影响水果的品质和口感[4]；使用枯草芽孢杆菌处理养殖废水，调节养殖废水中的氮、磷及有机物含量，用于农业灌溉可以很好地预防植物病虫害，且增加土壤的微生物平衡[5]。因此，枯草芽孢杆菌是一种环保、经济的微生物菌种，具有优良的定殖能力、较快的繁殖速度，能够分泌多种抗菌和促进生长发育的生物活性物质，具有很强的防病、促生功能，被广泛应用于养殖业、水处理和种植业等领域，尤其是在农作物种植领域具有巨大的应用潜力。

1 主要性能与作用机制

1.1 主要性能

枯草芽胞杆菌是一种革兰氏阳性好氧（或兼性厌氧）型细菌，繁殖迅速，能自主产生抗逆性孢子，自身不含内毒素，是一种安全的微生物。枯草芽胞杆菌具有极强的稳定性和抗逆性，可以耐高温、耐酸碱、耐盐。枯草芽孢杆菌广泛分布于土壤、植物体表、根茎、体内，具有较强的抗菌活性，可与病原菌相互竞争，较好地阻碍病原菌在植物上的定殖和对植物的侵染，达到抵抗病原菌的效果[6]。枯草芽孢杆菌因其绿色无污染，对人和动植物体均无伤害，因此它既可以作为生防细菌用于减少农作物病虫害，促进农作物生长，又可作为微生物饲料添加剂用于提高动物的免疫功能和饲料的转化率，改善动物肠道微生态平衡，是我国农业农村部批准应用的一种益生菌。

1.2 主要作用机制

1.2.1 通过分泌抗菌物质抑菌抗菌

枯草芽孢杆菌自身能够合成两类主要抑菌抗菌物质：一类是脂肽类抗菌肽，如泛革素、伊枯草菌素和表面活性素等，这类物质通过非核糖体途径合成；另一类则是蛋白类抗菌物质，主要是小分子质量的细菌素、酶类及一些未被鉴定的抑菌蛋白，蛋白类抗菌物质通过核糖体途径合成[7]。枯草芽孢杆菌通过合成的这两大类抑菌物质，抑制植物病原真菌孢子萌发、芽管生长及断裂菌丝的方式发挥抑菌抗菌作用。

1.2.2 通过激活免疫细胞或免疫因子发挥免疫调节功能

枯草芽孢杆菌有一定的免疫调节作用，主要归因于三方面：1）枯草芽孢杆菌能激活机体的免疫细胞，提高机体免疫球蛋白的含量，提升机体的免疫力；2）枯草芽孢杆菌作为非特异性免疫因子，可以刺激相关淋巴组织引起局部体液免疫反应；3）枯草芽孢杆菌可以增强相关抗炎基因的表达，刺激机体免疫器官的生长发育，从而改善机体的免疫功能，因此广泛用于养殖业。试验发现，每日在动物饲料中添加2‰的枯草芽孢杆菌能够明显提高动物血液中超氧化物歧化酶（SOD）活性[8]。当枯草芽孢杆菌作用于动物肠道内的淋巴结时，可促进肠道内相关淋巴组织的生长，增加机体淋巴细胞的数量，从而提高机体免疫力[9]。

1.2.3 通过代谢活性产物提高定殖植物抗菌性或诱导抗性

枯草芽孢杆菌具有较强的定殖作用，定殖后通过代谢活性产物如植物激素、细胞分裂素等，发挥较高的抑菌活性，能有效抑制大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、产气荚膜梭菌和沙门氏菌等致病菌，具有较广的抑菌谱[10]。但是，不同的枯草芽孢杆菌菌株产生的抗菌物质及其抗菌效果有一定的差异；发酵条件对枯草芽孢杆菌菌株产生的抗菌物质也有明显的影响，发酵条件不同，相同的菌株产生的抗菌物质和抑菌效果也不同[11]。研究发现，土壤中存在一类定殖于植物根际的有益微生物，通常被我们称为植物根际促生菌（PGPR），它们可以在减少植物病害发生的同时促进植物的生长。枯草芽孢杆菌是PGPR 的主要菌类之一，可产生一些类似于植物生长激素和细胞分裂素的代谢物质，促进植物迅速发育，增强植株抗逆性从而提高抗病力，有效抵抗病原物的侵害[8]。

2 对农作物生长的影响

2.1 提高作物抗性

枯草芽孢杆菌可以通过减少作物病害、克服作物相互连接的障碍、提高作物的抗逆境能力三个方面来有效提升作物的耐受性和抗逆性。枯草芽孢杆菌具有优异的定殖性能，能够在农作物的根、茎、叶内定殖成功并抢夺土壤中的营养和空间，从而达到阻挡病原菌感染伤害作物[12]。枯草芽孢杆菌在定殖成功以后可以产生能够抑制细菌、病毒、真菌和病原体生长的抗生素、抗菌蛋白等活性强的物质，这些活性物质直接使植株上有毒菌丝内膜出现的肿胀、扭曲和恶性变形，从而遏制病原菌微生物的繁殖，达成对病害的防患。郑小亮通过分步沉淀，得到了一种新型的枯草芽孢杆菌Z1-2抗菌细胞粗蛋白，研究了该抗菌蛋白对禾谷赤霉病菌的抑制性能。试验结果表明，它可以促使禾谷赤霉病菌的菌丝形态变异、底部膨大，能有效地抑制有病菌孢子的萌发，实现对禾谷镰刀菌的抑制[13]。枯草芽孢杆菌可以通过菌液诱导单株植物，使其在恶劣气候条件下自然地产生抗逆性。

2.2 促进作物生长

枯草芽孢杆菌定殖在土壤中可以分泌出促进农作物健康生长的化学物质，有助于繁殖增产和吸收利用。蔡学清等在辣椒种子上接种枯草芽孢杆菌BS-2菌株后，辣椒嫩苗的鲜重和干重明显增加，这归因于该菌株可以有效促进辣椒等宿主植物体内生长激素如生长素、赤霉素等的形成，同时抑制植物体内脱落酸等物质的含量促进作物生长[14]。王进等试验了枯草芽孢杆菌菌株WJ47 对辣椒种植的影响，结果表明，该菌株可显著增加辣椒根颈部到顶部间距、茎粗、挂果数和产量[15]。一些枯草芽孢杆菌在水中繁殖可以有效分解水中无机铵态氮或硝态氮[16]，能够将土壤或水中难溶性无机磷或者其他有机磷全部溶解，转化为可溶性，提高土壤中可溶性磷含量，为其他植物生长发育提供更多安全可用的植物养分。

游偲等研究发现，接种枯草芽孢杆菌会导致土壤中促进植物生长的细菌相对丰度发生变化，土壤细菌群落通过影响土壤中碳和磷循环的微生物酶活性间接地介导了植物的生长，极大地促进了水稻等农作物的产量和农艺性状，通过介导土壤直接和间接地接种微生物孕育剂可以提高水稻产量[17]。目前，从植物中分离的枯草芽孢杆菌菌株R31和TR21，具有很好的芽孢形成、根际适应和群体感应能力，R31和TR21通过植物遗传工程被应用于促进植物生长和生物防治[18]。

2.3 改良作物品质

枯草芽孢杆菌在土壤中繁殖快、定殖能力强，在土壤中定殖会形成许多的有机酸如吲哚乙酸和植物激素如细胞分裂素等物质，不仅改善土壤品质，还刺激农作物根系生长，促进农作物快速发育，有效改良农作物的品质。研究发现，施用枯草芽孢杆菌有机肥，可以改善烟叶中的化学成分，提高烟叶质量；提升苹果中心糖、可滴定酸、可溶性糖、维生素C等的含量，极大地改善苹果品质、提高番茄果实抗氧化活性和类胡萝卜素含量，改善番茄品质等[19-21]。

3 用于农作物病虫害的防治

枯草芽孢杆菌是一种属于革兰氏阳性菌的生物安全菌株，广泛存在于自然界中，有着强大的分泌表达系统，对多种细菌和真菌具有良好的拮抗作用。枯草芽孢杆菌在植物病害综合治理中具有非常重要的作用，在农业生物防治方面具有很好的应用前景。

3.1 对病虫害的预防作用

枯草芽孢杆菌具有广泛的抗菌、抗肿瘤、表面活性，通过影响植物病原菌孢子萌发和菌丝形态，使病原菌丝细胞壁解体、原生质外泄、菌丝体破裂，从而抑制病原菌蔓延。枯草芽孢杆菌的菌丝还可以通过识别、吸附和缠绕完成对病原菌的重寄生作用，加大对病原菌的消灭程度。苹果树腐烂病是危害苹果树生长的毁灭性病害之一，一般采用刮治并涂抹化学药剂防治，但伤口愈合差，易复发。翟世玉等利用枯草芽孢杆菌发酵液治理苹果树腐烂病的防治，研究表明，在枯草芽孢杆菌发酵液中含有能促进苹果树树皮生长的物质，在苹果树树皮上涂抹枯草芽孢杆菌发酵液，可以促进伤口愈合，进而降低腐烂病的复发[22]。胡小加等将枯草芽孢杆菌定殖在油菜的根冠部位，可有效预防油菜菌核病的发生，大幅提高油菜的产量[23]；顾真荣等从土壤中分离出产几丁质酶的枯草芽孢杆菌G3菌株，该菌株对水稻纹枯病菌(Rhizoctonia solani)显出强烈的抑菌活性[24]。

枯草芽孢杆菌在代谢过程中产生的几丁质酶、蛋白、脂肽等代谢物质，具有拮抗灰霉病菌、黑条叶斑病菌等植物病原物生长的潜力[25-28]，对橡胶树红根病（Ganoderma pseudoferreum）、褐 根 病（Phellinus noxius）、紫根病（Helicobasidium compactum）、臭根病（Sphaerostilbe repens）、白根病（Rigidoporus lignosus）、炭疽病（Colletortrichum gloeosporioides）等病害具有显著的防治能力[29-31]。灰霉病是由葡萄孢属真菌引起的常见茄科蔬菜及黄瓜、菜豆、芹菜、大蒜等蔬菜霉病，灰霉病孢子传播力很强，尤以番茄灰霉病最为常见，严重影响番茄的产量和运输贮藏，研究发现，利用枯草芽孢杆菌L1-21 对番茄进行灰霉病防治，枯草芽孢杆菌直接作用于标靶病原菌，通过调节植物自身的防卫和代谢系统产生免疫反应，引发番茄植株系统性的抗病性，番茄植株体内的防御酶活性得到显著提高，增强了植株的免疫能力，可以很好地预防灰霉病[32]。

3.2 对植物病害的抑制作用

枯草芽孢杆菌的抗生溶菌作用可用于防控丝状真菌的植物病害，通过营养和空间位点的竞争强烈抑制病原菌的生长，次生代谢的产物几丁质酶、蛋白酶等多种酶及抗菌多肽、脂肽类物质[33]消解病原菌的菌丝体，使病原菌丝发生断裂、畸形等现象，具有抑菌谱广、环境安全等优势。枯草芽孢杆菌不仅能够抑制病原菌丝生长，抑制病原孢子的萌发和立枯丝核菌菌落表面微菌核的形成，减少色素等代谢物质的分泌，而且能够在柑橘叶片上定殖和增殖，改善叶际细菌群落结构，提升有益菌的比例，使病情指数降低，有效防治柑橘砂皮病[34]，因此，枯草芽孢杆菌在柑橘种植上具有很大的应用价值。

枯草芽孢杆菌产生的蛋白酶、纤维素酶、淀粉酶和β-1,3-葡聚糖酶等具有广谱抗菌活性，He等研究发现，枯草芽孢杆菌菌株BJ-1通过抑制致病疫霉孢子萌发和附着孢子形成，使稻瘟病菌菌丝和孢子生长异常，或者引起致病菌丝解体，抑制稻瘟病发生，促进植株生长[35]。研究表明，枯草芽孢杆菌对多种病原真菌具有良好的抑制作用，如它可以很好地抑制棉田土壤中的病原真菌镰孢霉属(Fusarmm)、轮枝孢属(Verticillium)，可以有效防治棉花黄萎病和立枯病，很好地抑制引起草莓红叶病、枯萎病及紫斑病的病原真菌[36-38]；枯草芽孢杆菌可以通过调节生物生长必需的铁离子抑制植物病害菌和调节植物的生长[39-40]。随着研究的不断深入，枯草芽孢杆菌在植物病虫害防治方面的应用展现出了良好的前景。

4 小结

2021 年8 月25 日，农业农村部、国家发展改革委等六部委印发的《“十四五”全国农业绿色发展规划》指出：“到2025年，化肥、农药使用量持续减少，农业废弃物资源化利用水平明显提高，农业面源污染得到有效遏制”[41]，农业面污染问题和农业病虫害防治已经得到了国家的高度重视。枯草芽孢杆菌因其代谢产物的多样性、绿色、无毒、稳定等优点，在农业领域、畜牧水产养殖及环境保护等方面展现出广阔的应用前景。目前，我国已有“亚宝”“麦丰宁”“百抗”等几种枯草芽孢杆菌商品制剂在推广使用，其应用研究处于世界前沿。枯草芽孢杆菌在被广泛推广使用的同时，也暴露出本身的不足，相较于化学农药，枯草芽孢杆菌防治效果缓慢、作用对象单一、有效活性成分复杂、受环境影响较大等。

因此，今后对枯草芽孢杆菌的应用研究应注意以下三个方面：1）在枯草芽孢杆菌作用机制方面，借助先进的生物技术和基因组学、蛋白质组学等分子生物学及其交叉学科，深入探索枯草芽孢杆菌的作用机制及其对宿主等的安全性。2）在枯草芽孢杆菌有机肥的生产方面，采用菌类生物制剂与合适的化学肥料进行科学复配，既改良土壤，又使农作物增产，达到优势互补的效果。3）在病虫害防治方面，采用与其他有益菌种混合使用，以达到多菌种功能互补、协同防治多种农作物病虫害的目的。此外，由于枯草芽孢杆菌种类繁多，发酵、分离程序繁琐，导致生产成本高，这是生产中亟需解决的问题；枯草芽孢杆菌菌株的快速分离和功能化是另一个应该关注的研究热点。