超级固氮菌

养菌大户——高等白蚁                     

提到农耕,地球上最早的农民肯定不是人类,无论是白蚁还是蚂蚁,早在千万年前就可以通过培植真菌来养活自己的种群。科研人员在坦桑尼亚西南部的峭壁上发现了白蚁在2500万年前培育的菌圃化石,菌圃的结构显示了早在远古时代,白蚁就可以通过复杂的规划对真菌展开管理及施肥。


白蚁可以培养真菌,但不是所有白蚁都可以培菌。前面我们说过白蚁体内有大量的微生物可以帮助低等白蚁分解木质素获得养分,但在系统发育过程中,由于高等白蚁肠道缺失了鞭毛虫共生的原因,高等白蚁便失去了体内分解木质素和纤维素的能力。进化遇到了瓶颈,跨不过去就意味着死亡,还好一些生活在非洲中部热带雨林地区的白蚁找到了活下去的方法,就是培植真菌,让真菌体外分解木质素和纤维素,于是新型农业产生了,获得新技能的白蚁开始走上了培菌的高等道路。


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所谓的培菌白蚁属白蚁科       

大白蚁亚科(Macrotermitinae ),广泛分布于亚洲和非洲的热带地区。大白蚁亚科包括大白蚁属(Macrotermes )、土白蚁属( Odontotermes )、小白蚁属(Microtermes )、钩白蚁属(Ancistrotermes )等。这些属的白蚁可以在热带干旱地区消耗90%以上的干木,在多雨的热带草原地区可以矿化20%以上的初级产物。培菌白蚁能彻底消耗木质纤维素很大程度上是源于与担子菌(伞菌目Agaricales、口蘑科Tricholomataceae、鸡枞菌属Termitomyces)特殊的共生关系。它们除了同其他白蚁种群一样在肠道与大量微生物存在共生现象外,培菌白蚁并不直接取食搜集回来的材料,而是利用这些材料来培养真菌,建立菌圃(fungus garden),培养共生真菌。区别只在于不同种类所搜集的木质纤维素材料有所不同,例如,Macrotermes属的种类可以搜集枝叶碎屑,而土白蚁属似乎主要收集木材。在这些培菌白蚁中,独特的鸡枞菌子实体会随季节从蚁巢内向地表外生长。


培菌白蚁和鸡枞菌之间的协同作用能够高效利用木质纤维素。一般是老工蚁在巢外取食并收集枯枝落叶带入巢内;在巢内,小工蚁咀嚼、摄取收集到的枯枝落叶,但食物不经消化而迅速通过白蚁肠道排出,排出的初级粪便构成了海绵状的菌圃并供真菌生长;真菌在菌圃上形成菌丝和白色无性孢子,称作菌球。小工蚁通常啃食菌球,而老工蚁则啃食衰老的菌圃以产生最终的粪便。然而,最终的粪便在培菌白蚁巢内很少被发现,这表明了枯枝落叶被高效降解和完全矿化。说明共生真菌具有降解木质素的能力,使得纤维素能够更容易被白蚁分泌的酶降解。

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共生菌在菌圃中的优势地位       

在真菌与白蚁共生的过程中,蚁巢由于其可调节的温、湿度菌圃的物质组成在纵向上存在一定的差异,上部的植物残体一般较新鲜,底部的植物残体被降解的相对更彻底,这是由于白蚁不断地将新鲜的粪便添加到菌圃上部,而底部的物质不断被共生菌分解利用,并成为白蚁的食物而造成的。这样,通过共生菌和白蚁的协同作用,菌圃内的物质形成循环和不断更替。


蚁巢的外部往往具有较厚的土层,在一定部位会有排气孔,有利于保持巢内温度,减少水分散失和维持CO2浓度,从而为蚁巢伞和白蚁提供适宜的生活条件。蚁巢内的温度常年保持稳定,一般在25-28 度。湿度方面,菌圃内的空气相对湿度常年保持稳定,一般高于周围土壤,达90%以上。主要由白蚁初级粪便构成的菌圃一般呈酸性,其pH值低于周围土壤,一般为4.50-6.85,菌圃内另一个特点就是CO2浓度很高,几乎是大气C02浓度(一般为0.03%)的100倍(约为2.7% ) ,这种高CO2的环境可以抑制大多数菌物孢子的萌发和菌丝生长,从而保障了共生菌在菌圃中的优势地位。


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共生菌在菌圃中的优势地位    


在真菌与白蚁共生的过程中,蚁巢由于其可调节的温、湿度菌圃的物质组成在纵向上存在一定的差异,上部的植物残体一般较新鲜,底部的植物残体被降解的相对更彻底,这是由于白蚁不断地将新鲜的粪便添加到菌圃上部,而底部的物质不断被共生菌分解利用,并成为白蚁的食物而造成的。这样,通过共生菌和白蚁的协同作用,菌圃内的物质形成循环和不断更替。


蚁巢的外部往往具有较厚的土层,在一定部位会有排气孔,有利于保持巢内温度,减少水分散失和维持CO2浓度,从而为蚁巢伞和白蚁提供适宜的生活条件。蚁巢内的温度常年保持稳定,一般在25-28 度。湿度方面,菌圃内的空气相对湿度常年保持稳定,一般高于周围土壤,达90%以上。主要由白蚁初级粪便构成的菌圃一般呈酸性,其pH值低于周围土壤,一般为4.50-6.85,菌圃内另一个特点就是CO2浓度很高,几乎是大气C02浓度(一般为0.03%)的100倍(约为2.7% ) ,这种高CO2的环境可以抑制大多数菌物孢子的萌发和菌丝生长,从而保障了共生菌在菌圃中的优势地位。


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圃中的优势地

       

生态环保的新型超轻质的天然植物纤维,其横截面具有与木棉纤维类似的极大的中空度,其纵向较之棉没有天然的卷曲、且质量更轻,表面极其光滑,光泽如蚕丝一般,手感柔软顺滑,所以有“植物蚕丝”和水晶棉之称。

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SEM横截面图:牛角瓜纤维 (a) 棉纤维  (b), SEM纵向平面图:牛角瓜纤维(c) 棉纤维 (d)


牛角瓜纤维表面光滑,呈圆柱型,无天然转曲,有80-90%的中空腔而棉纤维具有天然转曲,且表面较为粗糙,质轻且长度短,纤维漂浮、飞散难控制,落花多,易带来成纱混纺比难控制、条干差、强力低、牢度差、浪费大等诸多问题。刚性和脆性较大,表面光滑,纵向平直无卷曲或转曲,易于膨松化,与其它纤维间的正压力作用不明显。纤维间摩擦力和抱合力均小,严重影响可纺性,成网成条很困难。所以牛角瓜纤维的优秀的性能也是它在纺织领域的织造的局限性

                                                  

牛角瓜植物群体遗产及纤维合成机制


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