稻秆降解复合菌系的筛选及其发酵特性研究

发布时间：2020-04-25 18:26

【摘要】：以秸秆为原料进行沼气发酵是推动产业沼气发展的重要途径,然而秸秆中的木质纤维素结构复杂、不易被微生物降解,严重制约了秸秆沼气的发展。木质纤维素的水解酸化是秸秆沼气发酵的限速步骤,如何实现木质纤维素的高效水解酸化一直是困扰研究学者的难题。关于木质纤维素降解菌的研究有很多报道,但多数存在酶系组成单一、纤维素降解率低、发酵温度要求过高的问题,不适合高寒地区沼气工程的运行。本研究从黑龙江省内富含腐草的多处特殊地理环境中取样,利用微生物之间天然形成的协同关系,在中温35℃条件下,筛选驯化能够高效降解木质纤维素的复合菌系,探讨其形态特征、生长特性、稻秆降解和产酸能力。主要研究内容和结果如下: 1筛选构建木质纤维素降解复合菌系以稻秆为主要碳源,从富含纤维素的土壤中分离得到一组高效稳定降解稻秆的复合菌系LZF-12,经过四十多次的传代培养,该复合菌系的群落组成和降解性能趋于稳定。该复合菌系6天内即可将滤纸完全降解,7天即可软化稻秆。光学显微镜和扫描电镜显示LZF-12菌群组成比较复杂,从外观形态来看,粗细、长短不一,杆菌占主要的比例,其中夹杂着少量的球状菌、梭状菌和哑铃状菌等。 2 LZF-12的生长特性研究通过测量分析LZF-12的生长曲线和DO曲线,发现该复合菌系由好氧菌株和微好氧菌株构成,好氧菌通过消耗培养基中的溶解氧为微好氧菌营造适宜环境,而木质纤维物质的降解主要依靠微好氧菌。不同初始pH值条件下,复合菌系发酵过程的环境pH值变化趋势基本一致,表明该菌系对环境的pH值具有较强的缓冲调节能力。 3 LZF-12的发酵性能研究在监测稻秆被降解过程中的粗纤维变化时,发现复合菌系先利用稻秆中的半纤维素,然后开始降解纤维素,木质素在整个过程中被降解较少,到发酵结束时,稻秆总失重率为66%。液相末端产物VFAs(挥发酸)浓度在整个过程中先增大后减小,在第6天左右达到峰值,为3.44g/L,其中,乙酸与丁酸之和占到90%以上,丙酸含量较低,为下步的接甲烷菌产沼气反应提供了适当的底物。 4碳氮比对LZF-12发酵过程的影响比较不同稻秆预处理方式对其降解的影响,结果显示1%氢氧化钠处理稻秆是一种经济有效的预处理方式。文中比较了五个碳氮比(即5:1,7:1,10:1,15:1,20:1)下发酵液中微生物浊度、pH值、稻秆降解率、VFAs变化,结果显示:碳氮比越低,培养基中氮源相对丰富,微生物量越大,稻秆的降解率也越大,相应的发酵产物VFAs产量也越高。因此,低的碳氮比利于复合菌系LZF-12降解稻秆产酸。 5 DGGE监测发酵过程中群落动态 DGGE分析显示,复合菌系LZF-12中微生物种类较多,优势菌群有Clostridium sp.、Uncultured Verrucomicrobia和Clostridium cellulolyticum。有资料显示这几类菌群具有较强的降解木质纤维素的能力,对于稻秆的降解起到了关键作用;此外,复合菌系中还含有Pseudomonas sp.、Acetivibrio sp.、Uncultured Acidithiobacillus sp.和Uncultured eubacterium等微生物种群,它们能发酵碳水化合物产生包括乙酸、丁酸、甲酸等的混合酸,形成了复合菌系以挥发酸为主要发酵产物的代谢途径。
【图文】：

纤维素结构

纤维素的生物降解过程有两种：（1）从外向内破坏，主要指细菌等微生物，它们先黏附在纤维素纤维或其他纤维素材表面上，从纤维素表面逐渐向内部增生，，在与微生物接触的区域内，纤维素被消化，纤维材料表面出现锯齿蚀痕。（2）从内向外破坏，主要是指霉菌，它们在纤维素材料的端部最为活跃，会贯穿进入维素材料内部并不断生长，由内向外消化纤维素，最终使整个纤维素被侵蚀破坏。微生物在降解纤维素过程中，会释放酶，进而引起纤维素的酶降解。而这种酶称之为纤素酶。纤维素酶可将纤维素水解成葡萄糖，其降解选择性比较强，但降解条件温和，是一干净无污染的纤维素水解方法。纤维素酶主要有三种酶组分，内切-β-葡聚糖酶、外切-β聚糖酶和 β-葡糖苷酶。目前认为，纤维素酶降解纤维素的机理如下：结晶纤维素首先被内-β-葡聚糖酶破坏生成无定形纤维素使其变成可溶性低聚糖，然后被外切-β-葡聚糖酶作用直形成葡萄糖；也可以先被纤维二糖水解酶水解成纤维二糖，再被 β-葡糖苷酶水解成葡萄糖切-β-葡聚糖酶的作用主要是将纤维素水解成为纤维二糖和纤维三糖，它不能将纤维素水解葡萄糖。提高纤维素的水溶性或降低结晶度可提高纤维素酶的水解速率，但纤维素取代衍化使酶降解速率降低。纤维素酶降解能够使纤维素材料的碱润胀程度增加、抗拉强度降低图 1-1 纤维素结构图Fig.1-1 Picture of cellulose construction

木质素,基本结构

木质素单元结构之间多为醚键和 C-C 键，结构复杂，十分稳定，不易被降解。在植物木质素是包裹在纤维素外面的。因此，木质素的降解也是多年来木质素研究中的一个在 1983 年以前，仅知道木质素降解是一个氧化过程，Cα-Cβ 和 β-O-4 键断裂是木质素主要方式，除了侧链氧化外，芳香环在从木质素大分子上脱离下来以前，就通过脱甲裂。1983 年，Tien 和 Kirk 及 Glennr 两个实验室几乎同时独立地从桦黄孢原毛平革haneroehaete chrysosporium）中发现了木质素过氧化物酶（lignin peroxldase，LiP），1uwahar 又从同一株菌中发现了锰过氧化物酶（Mn-dependent peroxidase，MnP），这才素降解研究打开了新的局面。木质素的生物降解化学反应机制可归纳为以下几点：（1）木质素模型化合物的 Cα-C（2）Cα-氧化机制，（3）芳香环取代机制，（4）氧的活化，（5）黎芦醇及其衍生物的（6）芳香环开裂，（7）单甲氧基芳香物的氧化，（8）醌/氢醌的形成，（9）漆酶催化木化的机制，综上所述，木质素降解过程中氧化反应占主要地位，同时需要还原反应的高振华，邸明伟，2008）。3 微生物复合菌系协同降解木质纤维素的研究现状图 1-2 木质素主体的基本结构Fig.1-2 The basic structure of Lignin subjectivity
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：S216.4

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