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芽孢杆菌属（Bacillus）是一类好氧或兼性厌氧的革兰氏阳性、化能异养型细菌，能够产生对不利条件具有特殊抵抗力的芽孢[1]。该属对高温、高热、紫外光、电磁辐射和某些化学药品均有很强的抗逆性，并具有营养需求简单、生长速度快、适应范围广，广泛存在于土壤、水、空气以及动物肠道等处的特点[2]。芽孢杆菌属许多种类可以产生抗生素或抗生素代谢物，对致病性微生物有拮抗作用，且对人畜无害，常被应用于农业、工业、医药等领域[1，3-4]。近年来大量研究发现，以前属于芽孢杆菌属的大多数物种需要重新分类，以便属内模式菌间实现系统发育和分类学上的一致性[5]，因此对该属内模式菌种进行分类地位的变更，出现了大量同物异名菌种，容易引起混淆。本文针对上述问题，重点对芽孢杆菌属模式菌种种类、数量、发表情况、更名情况、形态学及生理生化特征、全基因组测序情况等进行综述，以期能够更全面、系统地阐明芽孢杆菌属中每个模式菌种的分类学地位，并对该属菌种资源在农业生态环境中的作用进行了展望。
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1 芽孢杆菌属 Bacillus 概述
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芽孢杆菌属在 1872 年首次描述[6]，Bacillus anthracis、“Bacillus ruber”和 Bacillus subtilis 3 种芽孢杆菌模式菌在当年正式发表。目前 LPSN 数据库（https：// lpsn.dsmz.de）中收录的芽孢杆菌属模式菌种共 600 种，其中核准种名目录收集的芽孢杆菌有 433 种，未核准的芽孢杆菌有 167 种。
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芽孢杆菌属菌种的基本特征为革兰氏阳性、杆状、产芽孢、好氧或兼性厌氧。甲基萘醌-7 为主要的呼吸醌；磷脂酰乙醇胺、磷脂酰甘油和二磷酸甘油酯为主要的极性脂类[7]。细胞脂肪酸为反异 C14∶0、C15∶0、C16∶0 和 C17∶0 脂肪酸[8-9]；DNA 中的 G+C 含量为 33%～67%[10-11]；芽孢杆菌属具有很强的耐受性，生长温度为 4～70℃[12-13]，具有耐高温的特性。pH 耐受范围为 2～11[14-15]，在极碱和强酸环境中均可良好生长。
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2 芽孢杆菌属 Bacillus 模式菌种数量与分布
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2.1 芽孢杆菌属 Bacillus 模式菌发表时间
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自 1872 年芽孢杆菌属 Bacillus 被提出后，该属成员数量逐年增长（图1）。1872～1900 年间累计发表52 种模式菌（包括未有效发表）。1984 年之前，芽孢杆菌属菌种发表数量保持平稳，平均每年发表数量少于 5 种。随着芽孢杆菌属分离、培养和鉴定技术的发展，来自不同环境的多种芽孢杆菌新类群被发现，1984 年开始芽孢杆菌属模式菌种发表数量整体呈现上升趋势（图2），并在 2017 年达到顶峰，该年共发表芽孢杆菌属模式菌种 43 种 （包括未有效发表）。
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图1 1872～2021 年间芽孢杆菌属 Bacillus 模式菌种发表情况统计
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图2 1872～2021 年间芽孢杆菌属 Bacillus 模式菌种增长趋势图
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2.2 芽孢杆菌属 Bacillus 模式菌种分布
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芽孢杆菌属成员在全球分布广泛，对该属成员进行分离的国家众多。根据 LPSN 数据库（https： //lpsn.dsmz.de）中资料可统计到，目前除了南极洲无分离情况，芽孢杆菌属的分离国家共 36 个，其中以欧洲国家居多（图3），欧洲国家中分离数量又以法国为首。从全球芽孢杆菌属整体发表数量来看，中国分离数量达 120 种，占整体分离数量的 20%；美国分离 61 种，占整体分离数量的 10%；韩国分离 42 种，占整体分离数量的 7% （图4）。
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图3 芽孢杆菌属 Bacillus 模式菌种分离国家分布图
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图4 芽孢杆菌属 Bacillus 模式菌种分离国家数量统计图
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2.3 芽孢杆菌属 Bacillus 模式菌种分离基物
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随着芽孢杆菌属模式菌成员数量的不断增加，对于芽孢杆菌分离基物的研究也在不断深入。目前科学家已从各种栖息地中分离出不同芽孢杆菌属的新类群，包括许多陆地和水生栖息地、海洋沉积物、高温和低温环境、不同植物的根内组织等[16]。基于 LSPN 数据库（https：//lpsn.dsmz.de）中的数据统计得到芽孢杆菌属的分离基物以土壤[17]最多，其次是人类粪便[18]、盐湖[19]、堆肥[20]等，分离基物种类繁多，大致分类参见图5。
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图5 芽孢杆菌属 Bacillus 模式菌种分离基物统计图
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2.4 芽孢杆菌属 Bacillus 模式菌种发表期刊
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LSPN 数据库中记录的 600 种芽孢杆菌属菌种因其分离国家的差异性发表的期刊也不尽相同。在有记载的期刊中，发表芽孢杆菌数量最多的期刊是《International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology》，共发表247 种，其次是《International Journal of Systematic Bacteriology》 和《Antoine van Leeuwenhoek》，分别发表60 种和 29 种，具体的发表期刊情况见图6。《International Journal of Systematic Bacteriology》（后面简称 IJSB）在 2000 年更名为《International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology》（后面简称 IJSEM），近年来在 IJSEM 和 IJSB 上发表的大多数论文都是对原核生物的新类群以及一些真核微生物类群的描述。对所有原核生物分类学家来说，关于有效发表的名称的更新信息是必不可少的。事实上，所有在命名法上存在的名字都可以在 Skerman 等（1980）[1757]发表的名单和后来出版的期刊中找到[21]。但今天使用最广泛的资源是 LPSN 网站，它最初是在 IJSB 上宣布的[22]。
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图6 芽孢杆菌属 Bacillus 模式菌种发表期刊统计图
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2.5 芽孢杆菌属 Bacillus 模式菌种全基因组测序情况
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随着二代测序技术（下一代测序，NGS）的推广和测序费用的降低，基于 NGS 的全基因组测序应用将更加普遍，与只包含有限测序长度的一代测序相比，NGS 基于全基因组测序的结果可提供更多的遗传信息，而且可以利用数据库的注释得到大量基因信息从而获取更全面的基于扩增子分析的菌种鉴定信息[23]。目前在在 IJSEM 和 IJSB 等期刊上发表新种文章时也都需要提交基因组草图。文献记载的芽孢杆菌属全基因组测序最早出现在 2013 年，并在 2017 年之后开始变得较为普遍。目前 LPSN 数据库（https：//lpsn.dsmz.de）中收集的 600 种芽孢杆菌进行全基因组测序的有 64 种，占整体的 10.6%，其中中国、法国、美国对芽孢杆菌属模式菌种进行全基因组测序的较多（图7）。
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图7 2013～2021 年间芽孢杆菌属 Bacillus 模式菌种全基因组测序国家统计图
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3 芽孢杆菌属 Bacillus 模式菌种的更名情况
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芽孢杆菌属的多系统性近年来得到了广泛的认可和研究，过去对于该属的分类使用标准比较松散，这就导致了芽孢杆菌属分类处于混乱状态，该属内各个物种更名情况明显。目前 LPSN 数据库（https：//lpsn.dsmz.de）中收集的 600 种芽孢杆菌模式菌种中存在更名情况的有 424 种，分别更名至 103 个属。更名后“Bacillus massilioalgeriensis”、 “Bacillus dakarensis”、“Peribacillusmassiliglaciei”、 “Bacillus mediterraneensis”4 种未有效发表。其中有 48 种更名到 Alkalihalobacillus 属，占 11.37%； 具体更名为 Actinobacillus 属 1 种、Aeromonas 属 2 种、Aeribacillus 属 1 种、Alicyclobacillus 属 3 种、 Alistipes 属 1 种、Alkalicoccus 属 6 种、Alteribacter 属 3 种、Alteribacillus 属 2 种、Anaerobacillus 属 2 种、Anaerorhabdus 属 1 种、Aneurinibacillus 3 种、 Asaccharospora 属 1 种、Bacillus 属 15 种、Bacteroides 属 2 种、Bhargavaea 属 2 种、Bifidobacterium 属 1 种、Bordetella 属 2 种、Brevibacillus 属 11 种、Burkholderia 属 2 种、Caldalkalibacillus 属 1 种、Caldibacillus 属 5 种、Cellulomonas 属 4 种、 Clostridium 属 21 种、Corynebacterium 属 3 种、Cutibacterium 属 1 种、Cytobacillus 属 12 种、Ectobacillus 属 4 种、Enterobacter 属 1 种、Escherichia 属 1 种、Erwinia 属 1 种、Eubacterium 属 3 种、Evansella 属 5 种、Falsibacillus 属 1 种、Fictibacillus 属 7 种、Flavobacterium 属 2 种、Fredinandcohnia 属 4 种、Fusobacterium 属 5 种、Geobacillus 属 6 种、 Gordonia 属 1 种、Gottfriedia 属 3 种、Gottschalkia 属 1 种、Gracilibacillus 属 1 种、Haemophilus 属 1 种、Hathewaya 属 1 种、Heyndrickxia 属 3 种、Hydrogenibacillus 属 1 种、Janthinobacterium 属 1 种、 Jeotgalibacillus 属 1 种、Klebsiella 属 2 种、Kyrpidia 属 1 种、Lacrimispora 属 1 种、Lactobacillus 属 3 种、 Lederbergia 属 6 种、Lentilactobacillus 属 1 种、Litchfieldia 属 2 种、Lysinibacillus 属 3 种、Margalitia 属 2 种、Mesobacillus 属 13 种、Metabacillus 属 14 种、Moraxella 属 1 种、Morganella 属 1 种、Mycobacterium 属 2 种、Neobacillus 属 15 种、Niallia 属 5 种、Paenibacillus 属 23 种、Paeniclostridium 属 1 种、Pantoea 属 3 种、Paraclostridium 属 1 种、 Parageobacillus 属 2 种、Pectobacterium 属 2 种、 Peribacillus 属 16 种、Priestia 属 10 种、Pseudoflavonifractor 属 1 种、Providencia 属 1 种、Propionimicrobium 属 1 种、Pseudomonas 属 3 种、Psychrobacillus 属 3 种、Rhodococcus 属 1 种、Pullulanibacillus 属 1 种、Ralstonia 属 1 种、Robertmurraya 属 7 种、 Rossellomorea 属 4 种、Rummeliibacillus 属 1 种、 Salibacterium 属 4 种、Salimicrobium 属 1 种、Salipaludibacillus 属 2 种、Salisediminibacterium 属 3 种、Salmonella 属 4 种、Schinkia 属 2 种、Shigella 属 1 种、Siminovitchia 属 10 种、Solibacillus 属 2 种、Sporolactobacillus 属 1 种、Sporosarcina 属 3 种、 Sutcliffiella 属 5 种、Trueperella 属 1 种、Ureibacillus 属 2 种、Viridibacillus 属 7 种、Vogesella 属 1 种、 Weizmannia 属 3 种、Xanthomonas 属 1 种、Yersinia 属 1 种（表1）。
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续表
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注：有引号的代表未有效发表，且与更名有关。
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4 基于 16S rRNA 基因序列的芽孢杆菌属 Bacillus 模式菌种系统发育分析
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根据 LSPN 数据库显示，许多芽孢杆菌属成员更名后不再隶属该属或者这些菌种没有在《International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology》或者《Antonie van Leeuwenhoek》等分类学杂志上被有效发表，导致大量可培养芽孢杆菌属新资源未被定名及确定其分类地位。使用 MEGA 11.0 将芽孢杆菌属现有模式菌种（更名除外）根据 16S rRNA 基因序列构建系统发育树，系统发育分析结果见图8。从系统发育树可以看出，芽孢杆菌属现有菌种大致分为 3 个分支。以 Bacillus methanolicus、 Bacillus salipaludis 等为代表的分支一共有 27 种模式菌种，以 Bacillus manusensis、Bacillus borbori 等为代表的分支二共有 40 种模式菌种，以 Bacillus cellulasensis、Bacillus solitudinis 等为代表的分支三共有 90 种模式菌种。通过对 3 个分支内各模式菌种生理生化特性的研究，发现各分支之间生理生化特性无明显区别。
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5 展望
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芽孢杆菌属是一类革兰氏阳性菌，好氧或兼性厌氧，产生的芽孢能够对高温、紫外线、电离辐射等有较强抗性[1]。芽孢杆菌属成员分离基物众多，其中包括各种高盐环境、高温环境、碱性环境等，为极端环境下微生物资源的挖掘和应用提供一定的理论基础。
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当前，基于全基因组的系统发育分析方法逐渐被应用到细菌的分类研究中，并且构建全基因组系统发育树更能准确体现细菌之间的分类地位[24]。但当前对于芽孢杆菌属成员进行全基因组测序的情况较少，有必要对芽孢杆菌属新种进行全基因组测序并构建系统发育树来明确不同菌种系统发育的关系，以此来规避鉴定过程中存在的问题，纠正错误的分类单元。除了高通量测序外，多条件微生物组培养组学技术大大增加了“可培养的”共生微生物的种类，从而能够对微生物生态系统中的单个细菌进行精确分类和功能评估[25]。这些测序技术的发展能够对芽孢杆菌属新种的扩展起到极大地推动作用。
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芽孢杆菌是应用较为广泛的一类生防细菌，国内研究发现枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens）是目前应用最为广泛的用于抑制真菌、细菌、土传病害的 2 种生防芽孢杆菌[26]。国外研究报道贝莱斯芽孢杆菌（Bacillus velezensis）能够对柑橘黄单胞菌引起的柑橘细菌性溃疡病进行生物防治，是一种有效的、生态友好的生防菌[27]；富林芽孢杆菌（Bacillus velenzensis）、卡氏芽孢杆菌（Bacillus carialesii）、副立地芽孢杆菌（Bacillus paralicheniformis）3 种芽孢杆菌能够促进植物生长并对水稻病害进行潜在生物防治[28]。近年来随着国家禁秸秆焚烧令的颁布和实施，进行全量还田是秸秆处理和再利用的最有效途径，但直接还田的秸秆在短时间内很难完全自然腐解，生产上往往通过施用秸秆腐熟剂来加速秸秆分解[29]。工业上将枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis）、深绿木霉菌、酿酒酵母菌、白腐菌分别通过固体发酵和液体发酵制备成菌剂，然后按一定的质量比进行混合制成功能性有机物料腐熟剂，加速了玉米秸秆的腐熟，提高了小麦产量[30]。这些功能性芽孢杆菌在农业上的应用，极大地推动了我国现代农业的发展，具有良好前景。
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图8 基于目前芽孢杆菌属 Bacillus 模式菌种 16S rRNA 基因序列的系统发育树
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参考文献
-
[1] 刘国红．芽孢杆菌的分类鉴定及其相关属的分类系统演变研究［D］．福州：福建农林大学，2009．95.
-
[2] 吴秀红，张新中，周永灿，等，关于芽孢杆菌（Bacillus）应用概述［J］．现代渔业信息，2007（7）：16-18.
-
[3] 闫杨，刘月静，陈芳．枯草芽孢杆菌的应用现状概述［J］．生物学教学，2019，44（2）：2-3.
-
[4] 雷新雨，陈玉珂，王桂芹，等．芽孢杆菌在水产养殖中的研究进展［J］．饲料工业，2021，42（20）：46-49.
-
[5] Gupta R S，Sudip P，Navneet S，et al．Robust demarcation of seventeen distinct Bacillus species clades，proposed as novel Bacillaceae genera，by phylogenomics and comparative genomic analyses：description of Robertmurraya kyonggiensis sp．nov．and proposal for emended genus Bacillus limiting it only to the members of the subtilis and cereus clades of species［J］．International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology，2020，70（12）：6531-6533.
-
[6] Cohn F．Untersuchungen über bakterien［M］//Cohn F ． Beiträge zur Biologie der Pflanzen 1（Heft 2），1872，Max Müller，Breslau，1875．127-224.
-
[7] Chen J，Tian X，Ruan Y，et al．Bacillus crassostreae sp．nov．，isolated from an oyster（Crassostrea hongkongensis）［J］． International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology，2015，65（Pt 5）：1561-1566.
-
[8] Sun L，Chen Y，Tian W，et al．Bacillus acidinfaciens sp．nov．，isolated from farmland soil［J］．International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology，2019，69（4）：1075-1080.
-
[9] Liu G H，Rao M P N，Dong Z Y，et al.Two novel alkaliphiles，Bacillus alkalisoli sp．nov．，and Bacillus solitudinis sp．nov．，isolated from saline-alkali soil［J］．Chemicals & Chemistry，2019，23：759-764.
-
[10] Pan T，He H，Wang X，et al．Bacillus solisilvae sp．nov．，isolated from forest soil［J］．International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology，2017，67（11）：4449-4455.
-
[11] Anita S，Michel A.Bacillus schlegelii，a new species of thermophilic，facultatively chemolithoautotrophic bacterium oxidizing molecular hydrogen［J］．Journal of General Microbiology，1979，115（2）：333-341.
-
[12] Ding M，Shang N，Xiao Z，et al．Bacillus aciditolerans sp． nov．，isolated from paddy soil［J］．International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology，2019，69（4）：1155-1161.
-
[13] Darland G，Brock T D.Bacillus acidocaldarius sp．nov．，an acidophilic thermophilic spore-forming bacterium［J］．Journal of General Microbiology，1971，67（1）：9-15.
-
[14] Deinhard G，Blanz P，Poralla K，et al．Bacillus acidoterrestris sp．nov．，a new thermotolerant acidophile isolated from different soils［J］．Systematic and Applied Microbiology，1987，10（1）：47-53.
-
[15] Singh N K，Kaur C，Kumar N，et al．Bacillus aequororis sp．nov．，isolated from marine sediment［J］．Current Microbiology，2014，69（5）：758-762.
-
[16] Kämpfer P，Busse H J，Glaeser S P，et al．Bacillus cucumis sp． nov．isolated from the rhizosphere of cucumber（Cucumis sativus）［J］．International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology，2016，66（2）：1039-1044.
-
[17] Ma K，Yin Q，Chen L，et al．Bacillus acanthi sp．nov．，isolated from the rhizosphere soil of a mangrove plant Acanthus ilicifolius［J］．International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology，2018，68（9）：3047-3051.
-
[18] Osamu S，Hiroaki T，Kiyoshi K，et al．Bacillus aneurinolyticus sp．nov．，nom．Rev［J］．International Journal of Systematic Bacteriology，1994，44（1）：143-150.
-
[19] Switze r B J，Burns B A，Buzzelli J，et al．Bacillus arsenicoselenatis sp．nov．，and Bacillus selenitireducens sp． nov．：two haloalkaliphiles from Mono Lake，California that respire oxyanions of selenium and arsenic［J］．Archives of Microbiology，1998，171（1）：19-30.
-
[20] Poudel P，Miyamoto H，Miyamoto H，et al．Thermotolerant Bacillus kokeshiiformis sp．nov．isolated from marine animal resources compost［J］．International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology，2014，64（Pt 8）：2668-2674.
-
[21] Skerman V B D，Mcgocoan V，Sneath P H A.Approved lists of bacterial names［J］．International Journal of systematic Bacteriology，1980，30：225-420.
-
[22] Oren A．70th anniversary collection for the microbiology society ［J］．International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology，2015，65（12）：4291-4293.
-
[23] 翟盼盼，吴宇骞，陆坚．不动杆菌属分类的研究进展［J］． 新发传染病电子杂志，2020，5（1）：51-55，59.
-
[24] 王春玲，吕颖颖，姚青，等，粘细菌资源挖掘与多相分类研究进展［J］．微生物学通报，2021，48（8）：2870-2880.
-
[25] 李生，段云峰，赵军.微生物组学技术在肿瘤诊断中的研究进展［J］．肿瘤代谢与营养电子杂志，2022，9（2）：160-167.
-
[26] 王蕊，王腾，李二峰．生防芽孢杆菌在植物病害领域的研究进展［J］．天津农学院学报，2021，28（4）：71-77.
-
[27] Rabbee M F，Islam N，Baek K．Biocontrol of citrus bacterial canker caused by Xanthomonas citri subsp．citri by Bacillus velezensis［J］．Saudi Journal of Biological Sciences，2022，29（4）：2363-2371.
-
[28] Kannan C，Divya M，Rekha G，et al．Whole genome sequencing data of native isolates of Bacillus and Trichoderma having potential biocontrol and plant growth promotion activities in rice［J］．Data in Brief，2022，41：107923.
-
[29] 杨立军，杨泽富，张俊华，等.秸秆腐熟剂对稻麦轮作田小麦赤霉病发生的影响［J］．安徽农业科学，2022，50（5）：132-134，169.
-
[30] 张从军，王建军，王德生，等.功能性有机物料腐熟剂的生产与应用［J］．化肥工业，2015，42（1）：77-79，82.
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摘要
芽孢杆菌属（Bacillus）是一类产芽孢的革兰氏阳性细菌，好氧或兼性厌氧生活，可产生球形或椭圆形芽孢。芽孢杆菌抗逆性强，对高温、紫外线、干燥、电离辐射和多种有毒的化学物质具有较强的抗性；适应性强， 在自然界中广泛存在，生存环境包括各种水生和陆地环境；代谢旺盛，可以产生多种次生代谢产物，发酵密度高， 功能多样、应用广泛。近年来国内外对于该属的研究较多，属内划分变化较大。论文系统总结了芽孢杆菌属模式菌种种类、数量、发表时间、更名情况、形态学及生理生化特征等，以期能够全面、系统地了解芽孢杆菌属的最新分类进展。
Abstract
Bacillus is a kind of spore-producing gram-positive bacteria with aerobic or facultative anaerobic life，which can produce resistant spherical or oval spores．Bacillus strains have strong resistance to high temperature，UV，drying， ionizing radiation and a variety of toxic chemicals．It has strong adaptability，and is found widely in nature，including both aquatic and terrestrial environment．It has strong metabolism，which can produce a variety of secondary metabolites． It also has high fermentation density and other diverse functions，and is widely used．In recent years，a large number of model strains of this genus have been published in China and abroad，with the characteristics of more new additions and faster renaming．In this paper，the species，number，publication time，renaming，morphological，physiological and biochemical characteristics of model strains of Bacillus were reviewed in order to clarify the taxonomic status of each model strain of Bacillus comprehensively and systematically.