在“后抗生素时代”，耐药菌增多、药物残留等问题日益凸显，寻找安全高效的抗生素替代物成为科研与产业界的重要方向。而贝莱斯芽孢杆菌（Bacillus velezensis）作为一株新定义的芽孢菌种，凭借其多样的功能与广泛的应用潜力，逐渐成为微生物领域的研究热点。它不仅在农业生产中展现出促进生长（plant growthpromoting (PGP)）、抑制病原菌（biological control agents (BCAs)）的显著作用，还在工业领域开辟了新的应用路径，为解决当前生态环境与产业发展难题提供了新思路。通过下图可以看出，贝莱斯芽孢杆菌的研究受到了广泛的重视。
一、初识贝莱斯芽孢杆菌：特性与分类地位
贝莱斯芽孢杆菌隶属于芽孢菌属，非致病菌，其分类地位历经多年确认，最终在细菌命名法中得以明确，并获得国际分类学家的共识与认可。
1. 形态特征
-
菌落呈乳白色、圆形，表面光滑且稍凸，直径约 1.0-1.5mm，质地黏稠；
-
细胞为杆状、大卵圆形，常成对存在，革兰染色呈阳性，不形成内生芽孢但能形成孢囊和荚膜黏液，依靠周生鞭毛运动，属于好氧菌。
2. 生物学特性
-
分布广泛，在自然界中常见，抗逆性极强，部分菌株可在 80℃水浴 30 分钟、含 2% 胆盐且 pH 为 3.0 的严苛环境中存活；
-
生长迅速、易分离培养，且安全无害、无环境污染风险；
-
能发酵产生丰富代谢产物，包括几丁质酶、蛋白酶等多种酶类，抗菌蛋白、脂肽类抗生素等抗菌物质，以及植物激素，这些是其发挥功能的关键。
3. 分类学与基因组特征
-
2005 年，Ruiz-García 等人从西班牙 Vélez 河微咸水样本中分离出野生型菌株 CR 502T，首次将其描述为新物种；
-
2007 年完成首株菌株基因组测序，已测序菌株基因组大小 3.3-4.9Mb，平均 GC 含量 45.2%-47.3%；基因组中 13% 用于负责合成生物活性特殊代谢物的基因簇，此特性区别于其他芽孢杆菌物种。其多样的次生代谢组包括挥发性化合物、萜类化合物、核糖体合成的羊毛硫抗生素和细菌素，以及大量高活性的非核糖体合成代谢物，例如环脂肽、聚酮化合物、二肽和铁载体。
- 2016年，解淀粉芽孢杆菌植物亚种（Bacillus amyloliquefaciens subsp. plantarum）和甲基营养型芽孢杆菌（Bacillus methylothrophicus）这两个物种被重新分类为贝莱斯芽孢杆菌（B. velezensis）。
二、功能特性：贝莱斯芽孢杆菌的“核心技能”
贝莱斯芽孢杆菌之所以能在多领域发挥作用，核心在于其丰富的功能特性，这些特性由其独特的代谢机制与基因表达调控共同决定。
（一）广谱抑菌与抗病特性-biological control agents (BCAs)
-
可合成多样抗菌代谢产物，涵盖脂肽类抗生素（如伊枯草素、表面活性素）、聚酮化合物、抗菌蛋白等；
-
抑制病原菌机制多样：
破坏病原菌细胞膜结构，如导致花生网斑病菌孢子畸形破裂、菌丝体内电解质泄漏，阻碍细胞膜上麦角甾醇合成，增加脂质过氧化产物（丙二醛）含量；
抑制病原菌代谢关键过程，如显著减少菌丝体内蛋白质合成，实现对多种病原菌的拮抗；
脂肽可作为信号肽，脂肽通过促进铁获取来诱导生物膜形成，从而增强对其他微生物的竞争作用。
能够刺激寄生植物自身的诱导系统抗性induced systemic resistance (ISR) 此外，这些化合物可作为与其他生物体之间生态相互作用的化学介质。最新研究表明，当感知到竞争者存在时，这些代谢物的产生会进一步被激发；它们被描述为能够抵消其他生物体所释放分子毒性的化学陷阱。
-
抑菌范围广泛：
对植物病原菌（稻瘟病菌、腐霉、疫霉、尖孢镰刀菌等）有抑制效果；
可抑制畜禽病原菌（金黄色葡萄球菌、产气荚膜梭菌、大肠埃希菌、沙门菌等）；
能拮抗水产病原菌（假交替单胞菌、副溶血弧菌、无乳链球菌、嗜水气单胞菌等）；
部分菌株可降解霉菌（如黄曲霉）及霉菌毒素。
（二）促生长与代谢调控特性
-
分泌水解酶类促进营养吸收：
产生纤维素酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等多种水解酶；
分解植物细胞壁成分（纤维素、果胶）及饲料中复杂营养物质（蛋白质、淀粉），提高畜禽饲料消化率，促进植物根系对养分的吸收；
-
产生铁载体，为植物提供铁元素；
-
合成活性物质调节生长：
对植物，产生 auxins 等激素，促进植物根系发育与植株生长；
对畜禽，提高蛋鸡体内孕酮和胃动素水平，增加日摄食量与日产蛋率，调节机体脂代谢；
-
改善宿主微生态环境：
在动物肠道内，增加益生菌（如瘤胃球菌、毛螺菌科细菌）丰度，减少致病菌（如链球菌）数量，优化肠道菌群结构；
在植物根际，与 Pseudomonas、Trichoderma 等有益微生物协同作用，营造健康根际微环境，间接促进植物生长。
（三）免疫调节与抗逆特性
-
激活宿主免疫系统：
对水产动物，提高海鲈白细胞介素 – 1β、肿瘤坏死因子、环氧合酶 – 2 的表达量，上调宿主细胞内 MAPK 和 NF-κB 信号通路，激活先天性免疫系统；
对畜禽与实验动物，增强机体免疫力，提高免疫蛋白基因表达，诱导免疫酶合成，减少疾病感染概率，如灌喂 SD 大鼠可改善其免疫功能；
-
自身抗逆性强：
部分菌株可耐受 80℃高温、pH 3.0 酸性环境及 2% 胆盐浓度；
深海分离菌株对胃蛋白酶、胰蛋白酶、蛋白酶 K 等不敏感，能在复杂环境（动物消化道、水产养殖水体、土壤）中保持活性。
-
ACC脱氨酶
能够产生ACC脱氨酶,能够提升植物的抗逆性。
（四）环境适应与物质转化特性
-
环境适应性良好：
可在土壤、水体、植物根际、动物肠道等多种生境中存活繁殖；
贝莱斯芽孢杆菌通过感知植物的“邀请信号”，移动到植物根部，并利用一系列“粘合剂”牢牢地附着在根上（甚至进入内部），从而形成一个保护层，同时还能沿着土壤中的真菌“高速公路”网络去开拓更远的领地。
-
物质转化能力突出：
合成有益物质，如微生物多糖、γ- 聚谷氨酸；
降解有害物质，降低养殖废水中氨氮、亚硝酸盐、总磷、总氮含量，分解 1,3 – 二甲基 – 2 – 咪唑烷酮等污染物；
产生的内切纤维素酶、木质素酶等参与生物质降解，在环境治理与工业生产中有转化价值。
三、贝莱斯芽孢杆菌的应用场景
（一）植物疫病防治
-
凭借发酵产物（伊枯草素、泛革素、表面活性素等）抑制和拮抗多种植物病原菌；
-
对多种植物病害有显著防治效果，包括芒果炭疽病、魔芋软腐病、黄瓜叶斑病、水稻条斑病、番茄灰霉病、小麦纹枯病、花生白绢病、苹果轮纹病、铁皮石斛茎腐病、油菜菌核病和黑胫病等；
（二）畜禽养殖应用
-
改善肠道微生物结构：
饲料中添加该菌，可增加畜禽肠道内益生菌丰度，减少病原菌数量，如喂食小鼠后肠道益生菌丰度增加、病原菌丰度减少；
从藏羊瘤胃液中分离的菌株，可抑制金黄色葡萄球菌和产气荚膜梭菌，且抗逆性与体外益生特性良好；
-
提高生产性能：
给蛋鸡投喂，可显著提高蛋鸡体内孕酮和胃动素水平，增加日摄食量与平均日产蛋率；
给猪饲喂，可增加猪粪便中瘤胃球菌和毛螺菌科细菌丰度，减少致病菌链球菌丰度；
-
替代部分抗生素：
兔盲肠中筛选的贝莱斯芽孢杆菌 Tu569，其胞外抗菌肽经处理后，1mg 粗蛋白抑制大肠埃希菌的能力相当于 2μg 硫酸庆大霉素、10μg 硫酸链霉素或 50μg 土霉素；
健康鸡肠道中分离的菌株，其硫酸铵盐析粗蛋白对致病性大肠埃希菌的抑菌圈直径达 14.2mm；
产生的抗菌蛋白在动物消化道中不被胰蛋白酶降解，可发挥抗菌作用，且抗菌肽为易消化吸收的氨基酸。
（三）水产养殖应用
-
抑制水产致病菌：
从池塘底分离的菌株，对假交替单胞菌、灿烂弧菌、副溶血弧菌和溶藻弧菌有抑制作用，且用于刺参安全；
从罗非鱼肠道中分离的菌株，对无乳链球菌、海豚链球菌、鮰爱德华菌等病原菌有拮抗作用，生物安全性良好；
深海菌株 DH82 可抑制迟缓爱德华菌、副溶血弧菌、溶藻弧菌等生长；
-
提高水产动物生长性能与免疫力：
给大西洋鲑鱼投喂，可提高其生长速度、饲料利用率，降低死淘率；
能提高海鲈白细胞介素 – 1β、肿瘤坏死因子、环氧合酶 – 2 的表达量；
显著提高水产动物免疫蛋白基因表达，诱导免疫酶表达，提高抗病性，减少疾病感染概率；
-
其他特性：
不含毒力因子及毒素编码基因，不会导致水产动物死亡或受伤害；
具有黏附和聚集特征，可附着于水产动物肠道并保持一定存活率；
具有抗病毒活性，可促进抗病毒基因表达；
部分菌株有杀螺活性，可用于防止外来物种入侵。
（四） 酶类生产
-
含丰富酶类，包括蛋白酶、纤维素酶、淀粉酶、内切纤维素酶、木聚糖酶、木质素酶、果胶酶等；
-
部分菌株酶活性突出：
从杜仲树皮中分离的菌株，内切纤维素酶含量最高，在饲料添加剂、洗涤剂和造纸领域应用前景良好；
贝莱斯芽孢杆菌 P11 具有显著的角蛋白溶解活性、蛋白酶水解活性和纤维素酶活性；
贝莱斯芽孢杆菌 LfF-1 发酵生产蛋白酶的活力可达 1.784×10^5 U/g，回收率为 96.8%，为蛋白类食品、肽的生产及添加剂开发提供优质原材料；
（五）微生物多糖与 γ- 聚谷氨酸联产
-
贝莱斯芽孢杆菌可联产微生物多糖和γ- 聚谷氨酸；
-
产量可观，多糖可达 29.16g/L，γ- 聚谷氨酸可达 6.96g/L；
-
生产过程成本低、操作简单、工业化产能高，为两种物质规模化生产提供新途径，且二者在食品、医药、化妆品等领域应用广泛。
（六）废水处理
-
可用于养殖场废水处理，净化水质；
-
降低水体中氨氮、亚硝酸盐、总磷、总氮和硝酸盐的含量；
-
目前在工业废水处理领域应用仍处于研究初期，未来可探索空间广阔。
（七）其他工业应用
-
部分菌株具有降解 1,3 – 二甲基 – 2 – 咪唑烷酮的功能；
-
在生物乙醇生产、发酵食品加工等领域有潜在应用价值。
Microbial cell agriculture-微生物细胞农业
黑色Nature来了！微生物发酵领域迎来”惊人操作”打破传统认知，此次将改写历史！
真菌毒素纯度标准样品：玉米赤霉烯酮，呕吐毒素，OTA，T2及其衍生物
Biotechnology Advances：基于机器学习的一般步骤
从OFAT与RSM到机器学习：解锁培养基优化密码系列-机器学习基本概念和机器学习分类
深化农村改革 扎实推进乡村全面振兴一号文件中潜在的微生物和发酵发展机遇
非常高清的代谢图（Core Metabolic Roadmap）
诺奖后的第一个大风波！微生物领域这一“巨大”成果遭Nature疯抢！
2024年诺贝尔奖两项花落人工智能，发酵工业的终点会不会也是AI
中国科学院天津工业生物技术研究所智能生物制造中心发酵分离纯化中试车间
微生物发酵技术在保障国家粮食安全的蛋白替代战略中发挥重要作用
