新型真菌生物反应器通过白腐真菌木质素降解活性抑制环境病原菌的研究

《Journal of Agriculture and Food Research》：Novel Fungal Bioreactors and their Bioremediation of Pathogenic Bacteria in the Environment

本刊推荐：为应对生物土壤改良剂(BSAAOs)导致的病原菌污染问题，研究者开发了基于平菇(P. ostreatus)的真菌生物反应器系统。通过比较三种基质（木屑、废蘑菇堆肥、聚氨酯泡沫）对真菌木质素降解活性的诱导效果，发现木屑基质能显著促进细菌抑制效果（降低2.1 log CFU/mL），其作用机制与过氧化氢(H2O2)和木质素过氧化物酶(LiP)活性密切相关，为农业废水处理提供了新型生物修复策略。

　　

在有机农业快速发展的今天，生物土壤改良剂(BSAAOs)的使用日益广泛，这些来源于动物粪便的改良剂虽然能提升土壤肥力，却暗藏食源性病原菌污染的风险。研究表明，即使经过处理的BSAAOs仍可能延长大肠杆菌等病原菌的生存时间，特别是在降雨等环境因素影响下，病原菌更容易转移至农作物可食用部位。面对这一挑战，传统化学消毒方法又难以满足有机农业的环保要求，开发新型生物修复技术迫在眉睫。

自然界中，白腐真菌因其独特的木质素降解能力被誉为"环境清道夫"。这类真菌在营养限制条件下会启动次级代谢过程，分泌过氧化氢(H₂O₂)和一系列木质素降解酶（包括木质素过氧化物酶LiP、锰过氧化物酶MnP等），这些物质不仅能分解复杂的木质素结构，还能降解类似结构的污染物。更引人注目的是，平菇(P. ostreatus)等白腐真菌在饥饿状态下会伸出特殊菌丝，主动捕食细菌和线虫等微生物。这种双重作用机制使其成为生物修复领域的明星候选者。

为验证真菌生物反应器的实际应用潜力，美国特拉华大学研究团队在《Journal of Agriculture and Food Research》发表最新研究，系统比较了三种不同基质对平菇抑菌效果的影响。研究人员构建了连续流生物反应器系统，通过21天的持续监测，揭示了木屑基质在诱导真菌木质素降解活性和抑制大肠杆菌方面的卓越性能。

关键技术方法包括：1）构建2升容积的连续流生物反应器系统，分别填充木屑(WC)、废蘑菇堆肥(SMC)和网状聚氨酯泡沫(RPF)三种基质；2）使用非致病性耐利福平大肠杆菌TVS355菌株作为指示微生物；3）通过麦角固醇(ergosterol)含量测定真菌生物量，采用FOX-1法检测过氧化氢(H₂O₂)，使用Azure blue氧化法测定木质素过氧化物酶(LiP)活性；4）应用显微成像技术直接观察真菌-细菌相互作用。

研究结果方面，细菌计数分析显示，木屑基质中活真菌处理组(T1)的大肠杆菌降低达2.1 log CFU/mL，显著优于废蘑菇堆肥(0.6 log CFU/mL)和聚氨酯泡沫(1.1 log CFU/mL)。麦角固醇分析表明木屑组真菌生长在实验后期受到抑制（第7天48.1 μg/g降至第21天18.3 μg/g），这种生长减缓恰与木质素降解活性启动相符。过氧化氢浓度检测发现木屑组H₂O₂显著下降（第0天0.13 μg/L至第21天0.05 μg/L），符合真菌启动木质素降解时过氧化氢被快速消耗的特征。酶活性测定显示木质素过氧化物酶(LiP)活性与细菌减少显著相关，而锰过氧化物酶(MnP)在整个实验中未检测到显著变化。显微观察首次捕获到平菇菌丝与大肠杆菌的直接相互作用图像，显示菌丝可能通过物理吸附方式捕获细菌。

讨论部分深入分析了三种基质的差异化表现：废蘑菇堆肥因营养过于丰富反而促进细菌生长；聚氨酯泡沫虽能诱导部分木质素降解活性，但其聚合物结构可能被真菌缓慢降解；木屑则完美平衡了营养限制与真菌适应性，最能有效激发平菇的抑菌潜能。特别值得注意的是，过氧化氢的检测为理解抑菌机制提供了关键线索——当H₂O₂与木质素过氧化物酶共同作用时，可能产生活性氧自由基(ROS)，这些高活性物质能破坏细菌细胞膜结构，导致细胞内容物泄漏而死亡。

这项研究的重要意义在于确立了木屑基质作为平菇生物反应器最佳载体的地位，揭示了真菌通过营养限制启动木质素降解活性与直接捕食行为的协同抑菌机制。该技术不仅为农业废水处理提供了创新解决方案，更符合有机农业的环保理念，未来有望在预防食源性疾病传播方面发挥重要作用。研究人员指出，延长实验周期至4-8周可能更完整展现锰过氧化物酶(MnP)的作用规律，这将是未来研究的重要方向。