【文献交流】基于阿维链霉菌利用工农业废弃物固态发酵生产阿维菌素的研究

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摘要

链霉菌产生的天然产物阿维菌素具有优异的杀虫活性，是世界上生产和使用最广泛的生物农药。阿维菌素是通过液体发酵（Submerged fermentation，SMF）生产的，产生大量的废水、废气和固体废物。因此，我们努力通过使用农用工业废弃物的固态发酵（Solid-state fermentation，SSF）来建立一种绿色和可持续的替代品。通过SSF法确定了最佳的培养基组分和发酵方式。以麦皮、玉米芯、蚯蚓粪、蔗渣、甘蔗糖蜜、硫酸铵和CoCl₂为底物，采用重复分批固态发酵，在28 ^◦C培养14 d，获得了阿维菌素B_1a的最高浓度（3.83 mg/gds），初始含水率为78.5%，接种量为25%。经济分析表明，SSF发酵生产阿维菌素的成本比SMF低8.38%。此外，阿维菌素SSF产品还可直接作为微生物农药用于地下害虫和线虫的生物防治。这是利用固态发酵生产阿维菌素的第一篇报道，显示出巨大的工农业应用潜力。这也为通过SSF在其他链霉菌中产生其他NPs提供了指导。

研究背景

链霉菌属NPs农药具有生物活性高、安全环保等优点，在作物病虫害绿色防治中发挥着重要作用，是世界上生产和使用最广泛的生物农药，年产量已超过3500吨，市场价值超过30亿美元，对全球作物保护和粮食安全做出了重大贡献。目前工业生产阿维菌素主要依赖SMF，该工艺存在成本高、污染重、产品应用受限等缺点，SSF依托农工废弃物作为基质，具备低能耗、少排污、低成本、废弃物资源化等绿色优势，已被用于多种生防剂与部分链霉菌天然产物的制备，却尚无利用SSF生产阿维菌素的相关报道，因此亟需开发一套低成本、可持续的阿维菌素固态发酵技术。本研究旨在建立以廉价农工业废弃物为底物的阿维菌素SSF体系，通过筛选合适底物、优化培养基组分、摸索最优培养条件，探究重复分批SSF连续高效生产的潜力来建立可替代传统SMF的低成本、环境友好型工艺。此外，SSF产物也可开发为生物农药或生物肥料，以防治作物害虫，在绿色农业和可持续农业中发挥着重要作用。

主要研究内容及成果

首先，本研究确定农工废弃物SSF法生产阿维菌素B_1a的最佳底物。碳源对于细胞生长和代谢物的碳骨架至关重要（图1a），考虑成本和对微发酵过程的影响，研究选择了6种废弃物如麦麸、米糠、玉米芯、玉米秸秆、米渣和白酒渣作为候选碳源。结果显示，单一底物中玉米芯、麦麸产素效果最优，产量分别为0.27 mg/gds和0.17 mg/gds（图1b），二者按2:1复配后，产量进一步提高到0.32 mg/gds（图1c）；氮源选用蚯蚓粪（图1d），碳氮比3:1时产物产量最高，为0.42 mg/gds（图1e）；同时通过添加多孔农业废弃材料提高发酵透氧率，结果发现，添加6%蔗渣产物产量最高，为0.39 mg/gds（图1f）；添加3%甘蔗糖蜜作为补充碳源产物产量提高了31.0%（图1g），6%硫酸铵作为补充氮源效果最佳（图1h）；0.1 mM氯化钴可大幅提高产物产量，说明钴离子对产物合成起到关键促进作用（图1i）。

随后，实验探究了阿维链霉菌NEAU12在摇瓶和浅盘分批SSF生产阿维菌素的规律。在SSF的最佳培养条件下，250 mL摇瓶发酵最高产量1.89 mg/gds（图4a,d）；5 L摇瓶中产量为2.47 mg/gds（图4b,e）；5.6 L浅盘反应器最高产量达3.64 mg/gds，相比5 L摇瓶提升47.4%（图4c,f），证实氧传递在链霉菌发酵中的作用。摇瓶和浅托盘中进行的重复分批SSF，最大产量分别比分批SSF高8%和5%。浅盘重复分批SSF中，最高产量达到3.83 mg/gds（图5）。

最后，为了评估SSF工业化生产阿维菌素B_1a的应用可能性，进行了技术经济分析。结果表明，SSF法比SMF法成本显著偏低（图6），且SSF产品可以直接用作微生物农药或肥料，显著降低处理发酵废水和废渣的成本，所以SSF为阿维菌素生产提供了一种低成本、节能和环保的替代方案。

结论与思考

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