益菌多好健康 農業益生菌全方位保護農漁牧產業
稿源：2021-08-20/豐年雜誌
文．圖／黃姿碧 國立中興大學植物病理學系教授暨農藥殘留檢測中心主任
市售的養樂多、優酪乳、優格、納豆菌、乳酸桿菌、雙岐桿菌及比菲德氏菌等均是一般消費者所熟知的「益生菌」；這些益生菌存在我們身體內，可改善人體腸道內微生物菌叢的平衡、有益身體健康。近年來科學家證明腸道微生物失衡與許多疾病的發生具有關連性，甚至會影響人體的身心健康。同樣地，在植物的內部及周邊環境，亦存在許多不同種類的益生菌，有的可以幫助植物吸收營養、產生植物的生長刺激物質、促進植物的生長，部分益生菌甚至可幫助植物增強免疫力、對抗病害，這些益生菌皆有望被研發量產為生物肥料、生物促進劑及生物農藥。
全世界研究開發可以用來保護植物健康的益生菌有許多種類，主要有枯草桿菌（Bacillus subtilis）、蕈狀芽孢桿菌（Bacillus mycoides）、地衣芽孢桿菌（Bacillus licheniformis）、液化澱粉芽孢桿菌（Bacillus amyloliquefaciens）、螢光假單胞菌（Pseudomonas fluorescens）、乳酸菌（lactic acid bacteria）、鏈黴菌（Streptomyces spp.）、木黴菌（Trichoderma spp.）、粘帚黴菌（Gliocladium spp.）及囊叢枝菌根菌（Glomus spp.）等。本篇文章以蕈狀芽孢桿菌、枯草桿菌和地衣芽孢桿菌為案例，介紹益生菌應用在農業的歷程與其在田間施用的效益。
蕈狀芽孢桿菌保護作物 遇上淹水也不怕
蕈狀芽孢桿菌（B. mycoides）於1886年由Flüggen氏第一次發表，因其形態近似真菌而命名，這種細菌在洋菜培養基上有特殊的根狀排列形態，而且會有群體依順時針或逆時針方向生長的特性，在自然界中常見的大多依逆時針方向生長。2002年，美國植物病理學專家發現蕈狀芽孢桿菌可誘發植物的抗病反應，且有防治甜菜葉斑病的功效；此菌由美國Certis公司生產後，商品名註冊為LifeGard®，美國環境保護署（Environmental Protection Agency, EPA）在2016年登記為生物農藥，同時也在加拿大取得證照，應用在食用作物的真菌病害防治。
臺灣首次本土蕈狀芽孢桿菌的曝光，是由國立中興大學植物病理學系教授黃振文的團隊在番茄根部發現，並進一步試驗證明此菌可以有效防治番茄萎凋病、番茄與胡瓜白粉病、胡瓜猝倒病、草莓灰黴病、甘藍根瘤病、水稻稻熱病、青蔥銹病、蝴蝶蘭黃葉病、茄子青枯病等等病害，並且可促進高麗菜、胡瓜、長豇豆、蘿蔔、萵苣、番茄、草莓及水稻等作物根系與植株的生育。在田間試驗中，更發現水稻施用蕈狀芽孢桿菌後每公頃產量相較於未施用的對照組，可增產33%以上。值得一提的是，蕈狀芽孢桿菌亦可於淹水的惡劣環境下，保護作物健康成長。
蕈狀芽孢桿菌防治病害的主要機理有4個原因：一、可以纏據於作物根系及植物體內部；二、可以誘導植物產生抗病反應；三、可分泌植物生長素，促進植物根系發育；四、可以產生揮發性的物質（二硫二甲基）及生物表面素構物，有效抑制病原菌為害植物。目前「蕈狀芽孢桿菌」植物保護製劑技術，以非專屬授權方式技轉給國內6家廠商，各廠商再搭配個別專屬配方及製程進行量產，已登記為生物肥料的產品有「神真水2號」（興農股份有限公司）和「蕈猛農」（百泰生物科技），及生物農藥的「治黃葉」（聯發生物科技）等。
枯草桿菌與地衣芽孢桿菌
枯草桿菌（B. subtilis）最早由Ehrenberg於1835年發現，並於1872年由Cohn重新定為當今的名稱。地衣芽孢桿菌（B. licheniformis）最早由Weigmann於1898年發現，由於菌的形態類似地衣，在1901年Chester以此特性命名。這此兩類細菌在親緣關係及外表形態特性上極為相似，且在遭受冷熱、乾旱、紫外線等環境逆境時，細胞皆會轉變形成內生孢子，進入休眠狀態，此特性攸關菌種是否能穩定長久存活、所開發產品的儲藏穩定性，以及是否能耐受惡劣環境，對產品應用面而言相當重要。另外，它們也可以產生抵抗病原菌的代謝產物或抗生物質，以及具有生產多種蛋白、酵素及維生素等能力，而且也未曾有導致動物、人類生病的相關報導，因此美國食品藥物管理局（U.S. Food and Drug Administration）、歐洲食品安全局（European Food Safety Authority）及臺灣行政院農業委員會皆認可「枯草桿菌」及「地衣芽孢桿菌」作為農業、食品及飼料用安全的菌種，兩者是目前國際上最廣泛被利用的益生菌。以下就其特殊功效與讀者分享。
一、植物健壯長壽的秘方
枯草桿菌常被發現存在於乾稻草上而得名。傳統的納豆製作方式，是將黃豆蒸熟後，以沸水浸泡過的稻草包裹後置於適當溫度，藉由存在於稻草的「納豆菌」進行發酵製成，而「納豆菌」就是枯草桿菌的一種。
應用枯草桿菌來防治植物病害起源於1985年，美國植物病理學者Baker等人將分離的枯草桿菌PPL-3及APPL-1菌株每週噴灑於田間豆科植物，連續施用三週後，發現施用此兩菌株可降低75%豆科作物銹病的發生，其中PPL-3菌株還具有促進植株生長及提升產量的效果。然而全世界第一個用於植物保護的枯草桿菌商品，則是到1999年才在德國上市。
在臺灣，筆者團隊分別由本土茶樹與番茄根部土壤分離到「枯草桿菌151B1菌株」及「枯草桿菌MCLB2菌株」，並發現此兩菌株皆具有抑制多種植物致病菌生長的作用。其中「枯草桿菌151B1菌株」可用於胡瓜猝倒病、萎凋病、小黃瓜露菌病、百香果頸腐病與炭疽病等病害的防治，提升植物的抗病性，亦可促進胡瓜、小黃瓜、草莓、百香果及茶等多種作物生長。至於「枯草桿菌MCLB2菌株」應用於番茄的栽培管理，則可較對照組下降46.7%番茄細菌性青枯病的發生，並可使果實產量增加33%，單顆大果番茄果實重量可增加22%；也可以使茶樹在乾旱的環境下維持生長。
「枯草桿菌151B1菌株」與「枯草桿菌MCLB2菌株」具有多重的防病機制，其中較特別的是「枯草桿菌151B1菌株」所產生的代謝物質會使致病菌的能量降低，並且誘發致病菌自行邁向凋（死）亡；而「枯草桿菌MCLB2菌株」則能夠纏據在植物的根上形成近似於膜狀的結構，一般被稱為「生物膜」，並產生抑制致病菌生長的物質，保護植物免於受致病菌的為害。
二、化學農藥的分解者
臺灣每年有超過120萬公噸的農業副產物，除了稻稈、稻殼、玉米稈、花生殼、大豆藤，還有蔬果副產物、菇類栽培介質、禽畜養殖副產物等，將此類副產物製作成堆肥再生循環利用，為兼具資源循環、環境保護與提升經濟的多贏方案。然而這些農業副產物大多來自於慣行農法栽種，難免有化學農藥殘留，其生產出的資材也可能會有農藥殘留風險，甚至衍生食品安全問題。目前國內外並無可用於再生循環資材中、幫助分解化學農藥的微生物產品，因此筆者團隊即進行相關產品的開發，發現「枯草桿菌151B1菌株」及「地衣芽孢桿菌EC34-01菌株」產品，不僅可以用來保護植物健康，還可以分解殺蟲劑，例如：馬拉松及第滅寧，以及水稻常用殺菌劑三賽唑等化學農藥。
三、無抗養殖與優化養殖環境的潛力股
在肉豬、肉雞、魚及白蝦的養殖上不使用或降低抗生素的施用，已成為國際趨勢，亦是消費者對食品安全的要求。而安全亦具多重功效的微生物，正是極具潛力可替代抗生素的方案。筆者團隊結合各界人力共同開發可用作肉豬、肉雞、魚及白蝦養殖飼料添加物的「枯草桿菌151B1菌株」及「地衣芽孢桿菌EC34-01菌株」產品，以解決目前微生物製劑無法拓展多元用途的窘境。
兩項產品由財團法人農業科技研究院（簡稱農科院）植物科技研究所研究員黃文的進行開發與量產，並由農科院動物科技研究所副所長林傳順的團隊評估在商業肉豬、肉雞養殖場的飼養功效，另由農科院水產科技研究所評估海水養殖虱目魚與白蝦養殖場的養殖效果。研究證實「枯草桿菌151B1菌株」飼料添加物用於仔豬及肉豬養殖，可增進仔豬、肉豬的生長，使肉豬可提早3天上市，若此製劑搭配常用於肉豬飼養的乳酸菌產品，還可提升豬肉的品質，並可降低豬隻腸道致病病原、提升仔豬免疫力與降低糞便臭味，改善飼養場域整體環境等多重功效。
「枯草桿菌151B1菌株」及「地衣芽孢桿菌EC34-01菌株」飼料添加物應用於肉雞飼養和水產養殖也有相似的效果，可促進肉雞的生長，增加胸肉及腿肉重量，並降低雞糞及雞墊料的臭味；增進虱目魚、鱸魚及吳郭魚與白蝦的飽滿度，提高取肉率，還能有效抑制魚隻及白蝦腸道弧菌或潰瘍性結腸病原菌量，使魚隻及白蝦腸道有健康的微生物菌叢，降低魚病發生；並能改善養殖水質，降低養殖水體中有機物量、氨氮（NH3-N）濃度與弧菌的數量，更能豐富水體中魚類的藻類食物，功效涵蓋各個層面。
益生菌商品邁向多元應用與一帖多效
益生菌有多元的功能及用途，但益生菌產品的研發，常受限於研發人員的專長，而僅能針對單一應用領域進行產品的開發，導致銷售市場限縮且缺乏國際競爭力，或是因為儀器設備的限制，沒有較貼近產業規模的量產儀器設備，而導致研發成果與商品間效用的落差，以及產業化過程曠日廢時。從過往的跨領域合作共同開發的經驗中發現，大家彼此貢獻自己的專長，資源及研發成果共享，便能縮短研發時程，開發出健康保健、作物安全、循環農業、畜禽產養殖、水產養殖等多元應用的益生菌，並藉由科學試驗證明相關應用效能，可提升產品推廣與市場的競爭力。
圖說：枯草桿菌（左）及地衣芽孢桿菌（右）的菌落。
圖說：草桿菌生物膜能夠纏據在植物的根，形成抑制病菌的生物膜。
照片圖說：蕈狀芽孢桿菌的菌落型態與病害防治機制。（照片提供／國立中興大學教授黃振文；插畫設計／陳郁璇）
轉貼興新聞：httpshttps://www2.nchu.edu.tw/news-detail/id/51612
