高效木质纤维素分解菌复合系的发酵特性

发布时间：2020-07-27 12:00

【摘要】： 木质纤维类物质是农业废弃物两相厌氧消化过程中水解阶段的主要底物,由于其结构复杂,故很难被分解,成为整个发酵过程的限速步骤。针对以木质纤维素分解产物为产甲烷发酵的直接底物的复合菌系的研究,对木质纤维素类废弃物利用具有重要的应用价值,并可为实现沼气生产工业化打下基础。本研究对已有的分解木质纤维素混合培养物进行驯化培养,得到1组能快速分解纤维素的复合菌系。该复合菌系对纤维素和半纤维素有很高的分解效率,对木质素也有较高的分解能力。复合菌系在纤维素分解过程中最适宜的溶氧量为0.05～0.09mg/L,pH的最适范围在6～8之间。在分批发酵培养过程中,种子液接种量为10%(V/V),该复合菌系在50℃静置培养3 d,可以分解培养基中42.5%的稻草,15d后对稻草的总降解率可以达到89%。发酵过程中,乙酸是主要液相末端产物,其质量浓度在3d时达到最大值2.58g/L,此时液相末端产物总量也达到最大值2.98g/L。根据分批发酵试验的结果,设计一个分批补料发酵试验。试验分为5组,即A_1～A_5。每组加入200 mL发酵培养基,种子液的接种量为10%(V/V),50℃静置培养。每隔3 d加入0.6g稻草,每天定时从A_1～A_5抽取和添加相同体积的发酵液和培养基,各组分别对应的体积为20、40、60、80和100mL,33d试验终止。在分批补料发酵培养过程中,此复合菌系表现出较强的木质纤维素降解能力,在实验结束时,各组培养基中稻草的降解率为80%～85%。各组中的乙酸的质量浓度随稻草的添加呈现近似规律性的变化,即在稻草加入24 h后乙酸的质量浓度达到峰值,随后逐渐降低直至下一次添加。在整个分批补料发酵过程中,A_1组乙酸的质量浓度变化幅度最小,基本稳定在2g/L的水平,因此相对于其他4组,A_1组更具有实际应用价值。5组的发酵状态受培养基抽取和添加量的影响较小。利用变性梯度凝胶电泳法(DGGE)对分批补料发酵过程中试验中期和末期时各组发酵液中菌群的结构变化进行分析,发现复合菌系的菌群结构在两个时期有明显的不同。DGGE图谱上共有19条带,它们的BLAST数据库检索结果相应的分别为:Uncultured bacterium、Uncultured bacterium tbr1-10、Ureibacillus Sp.A3.03、Ureibacillus sp.A3.03、Clostridiumislandicum strain AK1、Ureibacillus sp.A3.03、Ureibacillus sp.A3.03、Uncultured Bacillibacterium clone SHBZ1189、Brevibacillus borstelensis strain U404、Clostridium straminisolvens、Uncultured Bacilli bacterium clone SHBZ1189、Uncultured Bacillus sD.clone 124、UnculturedBacillus sp.clone 26、Clostridium sp.PML14、Clostridium straminisolvens、Uncultured bacteriumclone TBM.190CT-28、Uncultured Bacilli bacterium clone SHBZ1189。这说明复合菌系至少由19种菌组成,以芽孢杆菌为主,其中,Ureibacillus sp.A3.03在试验中期为优势菌群,而在末期数量极少。而Brevibacillus borstelensis strain U404、Clostridium straminisolvens、UnculturedBacilli bacterium clone SHBZ1189在试验中期数量极少,而末期数量明显增加。在整个分批补料发酵过程中,Clostridium islandicum strain AK1一直为优势菌群。
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：S216.2
【图文】：

光学显微镜,情况,观察仪器,快速增殖

3.1复合菌系的形态观察光学显微镜是微生物学上最为常用的一种微生物观察仪器。通过光学显微镜可以在不破坏微生物活性的条件下，直接观察到微生物的形态特征及微生物的种群数量。图3一1是复合菌系在不同培养时期的光学显微镜图片，可以发现复合菌系中杆菌的数量远大于其他菌的数量。从菌的移动速度和路径判断复合菌系中存在大量可自主移动的菌，这便于在静态培养时复合菌系充分与底物接触，同时也为不同菌之间的协同作用创造条件。而不同时间的菌密度可以说明此复合菌系具有快速增殖的能力，这是复合菌系快速降解纤维素的必要条件。如图3一1所示，复合菌系随着时间的增加，生长迅速，在 108h时生长繁殖最旺盛，随后显现缓慢趋势，培养Z16h时

扫描电镜照片,扫描电镜照片,杆菌,原子力显微镜

Fig.3一 2SEMofmierobialeommunity为了进一步了解复合菌系微生物的组成和表面形态特征，本研究通过扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜 (AFM)对复合菌系(培养3一4天)进行观察，见图3一2所示，在复合菌系中杆菌为优势菌群，长度大约为1一5林m;同时还存在少量的螺旋菌，没有观察到球菌的存在，可能是数量太少或者不存在。利用原子力显微镜的观察结果显示，复合菌系的组成以杆菌为主，如图3一3，这与扫描电子显微镜的观察结果相附。同时还发现，复合菌系中的杆菌普遍具有鞭毛结构，既有端生鞭毛类型又有周生鞭毛类型，这一特征表明，复合菌系中的绝大部分菌具有较强的运动性

降解稻草,扫描电镜图,碳源

东北农业大学工学硕士学位论文一r3.2复合菌系纤维素分解能力的表观特征通过扫描电镜可以直接观察到复合菌系对以稻草为纤维素底物的分解能力。如图3一4可知，在发酵开始后的第ld，稻草的表面结构无明显破坏，此时复合菌系处于生长期，其利用的碳源主要来自于培养基内的碳源，这主要是因为培养基中的碳源比较容易利用。第Zd可以发现稻草的表面已经开始出现破损现象，此时复合菌系开始表现出对纤维素的分解能力。稻草表面破损现象轻微，说明此时培养基中的碳源仍是复合菌系主要的利用对象。第3d稻草表面的破损现象严重，说明培养基中的碳源己经耗尽，从此时稻草的破损状况可知此时复合菌系的代谢能力十分旺盛。这表明此复合菌系具有快速分解稻草的能力。

【参考文献】