耐低温稻秆降解复合菌系的培养基组分优化及产酶分析

发布时间：2020-06-02 06:40

【摘要】：随着我国新常态经济的迅速发展,能源短缺问题成为我国经济可持续发展战略实施的最大阻碍。在能源危机重压下,利用微生物发酵技术处理有机废弃物不仅可以避免环境受到污染还可以缓解能源危机压力,是一种有效废弃物资源化利用方式。以稻秆为原料进行沼气发酵是推动沼气发展的重要途径,但稻秆的木质纤维素结构复杂、不易被微生物降解制约了稻秆沼气的发展。如何实现快速水解酸化已成为研究者持续关注的研究方向。我国北方地区冬季寒冷且漫长,较低温度是制约稻秆水解酸化进行的主要因素。本研究是以本实验室筛选获得的一组耐低温纤维素降解菌系LTF-27为研究对象,运用单因素试验法、Plackett-Burman试验法、最陡爬坡试验法、中心组合试验法以及响应面分析法对该菌系的培养基进行优化,以期获得最优产酸水解条件,并通过SDS-PAGE凝胶电泳、质谱分析技术对该菌系的产酶组成进行分析,主要研究内容与结果如下:(1)耐低温复合菌系LTF-27培养基单因素优化在17±0.5℃的条件下,以稻秆作为唯一碳源,运用单因素试验,从豆粕、玉米粉、麦麸、尿素、硫酸铵、硝酸铵、蛋白胨、酵母浸粉等不同的氮源中筛选出最佳氮源为硫酸铵;对影响复合菌系发酵水解的无机离子CaCO_3、FeSO_4、MgSO_4、ZnSO_4、CuSO_4、KH_2PO_4、K_2HPO_4进行单因素试验,获得各无机离子最佳水平分别为1.00 g·L-1、0.015 g·L-1、0.07 g·L-1、0.008g·L-1、0.18 g·L-1、0.31 g·L-1、0.50 g·L-1。(2)耐低温复合菌系培养基的Plackett-Burman试验优化在单因素试验的基础上,对CaCO_3、FeSO_4、MgSO_4、ZnSO_4、CuSO_4、(NH_4)SO_4、KH_2PO_4、K_2HPO_4等8个因素进行P-B试验。试验结果表明,K_2HPO_4、CaCO_3、MgSO_4等三个因素对稻秆降解的影响显著。根据这三个因素的最陡爬坡试验结果,得到最佳下一步中心组合试验中心点,即MgSO_4 0.055 g·L-1、CaCO_3 1.40 g·L-1、K_2HPO_4 0.70 g·L-1。(3)耐低温复合菌系培养基中心组合试验优化运用中心组合试验及响应面分析法,筛选出最佳因素水平为MgSO_4 0.057 g·L-1,CaCO_3 1.49 g·L-1,K_2HPO_4 0.75 g·L-1;最佳培养基组成为水稻秸秆2.00 g·L-1,(NH_4)SO_4 1.5 g·L-1,NaCl 5 g·L-1,酵母浸粉1.00 g·L-1,MgSO_4 0.057 g·L-1,CaCO_3 1.49 g·L-1,K_2HPO_4 0.75 g·L-1,该模型预测降解率为64.82%。经过5次发酵试验验证,该培养条件下稻秆降解率平均值为64.51%,与预测值接近,从而验证了模型正确性与准确性。本研究还对其他指标进行试验检测,结果表明,在pH、稻秆降解形态变化、微生物生长、溶解氧、稻秆中的纤维素、半纤维素、木质素等方面,优化后得培养基降解稻秆比原始培养基效果显著。(4)耐低温复合菌系酶系组成分析复合菌系LTF-27具有降解稻秆中木质纤维素为简单糖的主要酶系,即内切葡聚糖酶活、外切葡聚糖酶活、β-葡萄糖苷酶,都呈现先增加后减少的动态变化。质谱进一步分析确定12种参与木质纤维素降解的酶蛋白。其中包括过氧化氢酶、外切葡聚糖酶、内切葡聚糖酶、α-L-阿拉伯吠喃糖酶、β-葡萄糖苷酶、α-葡萄糖醛酸酶等。同时,还鉴定出其他的蛋白,共计57种,包括过氧化氢酶、转移酶、水解酶、蛋白结合酶、细胞信号传递酶、转录调节因子、醇脱氢酶、短链脱氢酶、磷酸甘油醛脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶、核苷酸转移酶、热休克蛋白、核糖体蛋白、激酶、伴侣蛋白等,这些蛋白酶直接或间接参与耐低温复合菌系LTF-27降解底物的相关物质合成与分解代谢,为进一步探讨复合菌系降解稻秆中木质纤维素机制提供理论基础。
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S216

【参考文献】