在木质纤维素降解过程中热纤梭菌和热厌氧热解糖杆菌共生关系以及产氢机理的解析

发布时间：2020-10-16 13:45

　　 生物质是丰富存在的、可再生的、具有取代化石能源潜力的能源。在能够降解木质纤维素微生物中,嗜热厌氧的热纤梭菌(Clostridium thermocellum)是目前所知的降解纤维素最快的菌株。它进化形成一个高度组织化的、多酶复合体—纤维小体,来实现对纤维素的高效降解。热纤梭菌难以分纯,在环境中和一些非纤维降解菌生长在一起。我们发现共培养热纤梭菌(Clostridium thermocellum)和热厌氧热解糖杆菌(Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum)明显促进了纤维素向生物燃料的转化。在本文第二章,我们研究了两种菌的相互关系,并发现了纤维素降解效率变化的背后机制,与之前所得出的两者是一种互利共生的关系的结论不同的是,热纤梭菌和热厌氧热解糖杆菌是一种偏害共生的关系。虽然非纤维降解菌热厌氧热解糖杆菌通过热纤梭菌降解木质纤维素获得更多的纤维二糖和葡萄糖,解除热纤梭菌的碳阻遏效应。但是,结果表明热厌氧热解糖杆菌在共培养系统中明显阻遏了热纤梭菌的生长。与热纤梭菌相比,热厌氧热解糖杆菌具有更强的代谢优势,我们也加入能够刺激热厌氧热解糖杆菌生长的碳源,来调控和平衡微生物菌群,促进纤维素的降解和转化。在本文的第三章,根据先前的研究发现,混合培养C.thermocellum JN4和非纤维素降解菌株Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum GD17 比单独培养JN4产生更多的H2,然而提高的原因不明。在研究中,我们从进化和基因组的角度分析了两种菌的氢酶基因,分别在JN4和GD17证实了 5种和4种[FeFe]型氢酶,并且两种菌各有一种Ech[NiFe]型氢酶。通过转录水平的数据分析,JN4编码氢酶的基因受碳源葡萄糖和纤维二糖调控。而GD17则不受调控,但与单培养相比,混合培养可以使GD17氢酶基因的转录发生变化。而JN4没有改变。通过代谢水平的分析,GD17产H2的速率是JN4的4-12倍。这些结果可以得出混合培养过程中氢气提高的原因是由于GD17引起的。进一步实验表明,在混合培养中两种菌执行专一化的任务,提高混合菌中非纤维素降解菌的比例可以提高生物氢的产出。所以如何调控混合菌群各个菌的比例是今后的发展研究方向。总之,本文主要探讨了热纤梭菌JN4和非纤维素降解菌株GD17在降解木质纤维素培养过程中的共生关系,提出了两种菌不是互利共生,而是偏害共生关系。同时证实了两种菌共培养时氢气产量提高是由于非纤维素降解菌GD17所导致的。这些研究为我们设计和优化纤维素降解菌和非纤维素降解菌组成的微生物菌群、提高纤维素转化奠定基础。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TK6
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号说明及缩略词
第一章 绪论
    1.1 生物质能源和木质纤维素的降解
        1.1.1 概要
        1.1.2 生物质能和生物燃气
        1.1.3 氢能和生物氢能
    1.2 热纤梭菌的发酵产氢
        1.2.1 微生物制氢的分类和比较
        1.2.2 热纤梭菌
        1.2.3 纤维素酶和嗜热纤维素酶
        1.2.4 纤维小体
        1.2.5 热纤梭菌纤维素降解相关酶系的表达调控
    1.3 微生物菌群在降解木质纤维方面的研究现状
        1.3.1 微生物之间关系
        1.3.2 微生物相互关系的研究方法
        1.3.3 菌群在合成生物学方面的研究
        1.3.4 热纤梭菌和非纤维素降解菌的联合培养
    1.4 氢酶
        1.4.1 氢酶的性质和分类
        1.4.2 氢酶的分布和功能
        1.4.3 梭菌的产氢的代谢途径
第二章 热纤梭菌和非纤维降解伴生菌偏害共生关系的研究
    2.1 材料与方法
        2.1.1 本章所用菌株
        2.1.2 培养基和培养条件
        2.1.3 主要试剂和仪器
        2.1.4 分析方法
    2.2 结果与讨论
        2.2.1 混合菌群中JN4、GD17的验证以及代谢终产物的分析对比
        2.2.2 混合培养下木质纤维素降解相关基因的抑制解除
        2.2.3 与单培养相比,混合培养并没有改变纤维素的利用效率
        2.2.4 GD17明显损害了JN4的生长量
        2.2.5 热纤梭菌和热厌氧热解糖杆菌的代谢分析
        2.2.6 热纤梭菌和热厌氧热解糖杆菌偏害共生的关系模型
        2.2.7 加入外源物质对菌群在降解纤维素方面的调控
    2.3 本章小结
第三章 混合培养热纤梭菌和热厌氧热解糖杆菌的产氢的研究
    3.1 材料与方法
        3.1.1 菌株及载体
        3.1.2 培养基配方及条件
        3.1.3 常用仪器设备
        3.1.4 主要试剂和方法
    3.2 结果与讨论
        3.2.1 热纤梭菌和热厌氧热解糖杆菌的氢酶编码基因
        3.2.2 热纤梭菌和热厌氧热解糖杆菌的氢酶基因在操纵子上组织形式
        3.2.3 碳源对热纤梭菌和热厌氧热解糖杆菌氢酶基因的调控
        3.2.4 共培养热纤梭菌和热厌氧热解糖杆菌下氢酶基因的转录水平
        3.2.5 热纤梭菌和热厌氧热解糖杆菌代谢产氢的速率和产量
    3.3 本章小结
全文总结及展望
参考文献
附录
攻读学位期间已(待)发表的学术论文
致谢
学位论文评阅及答辩倩况表

【相似文献】

相关期刊论文 前3条

1 松永旭;继祥;守武;;应用低温训化厌氧菌进行低温甲烷发酵[J];可再生能源;1991年06期

2 杨华,叶虎年,童敏,李柱;色谱/红外光谱法联用鉴定厌氧菌[J];华中理工大学学报;1992年05期

3 刘克鑫;;看不见的“厌氧工厂”[J];太阳能;1982年02期

相关博士学位论文 前4条

1 熊惠磊;剩余污泥高温厌氧产酸与生物可降解塑料合成的研究[D];清华大学;2015年

2 寇巍;北方小城镇有机垃圾厌氧固态发酵关键技术研究[D];沈阳农业大学;2014年

3 倪龙兴;口腔厌氧菌膜泡的提取、生物学活性和酶动力学比较分析以及胰酶样蛋白酶的纯化研究[D];第四军医大学;1993年

4 周蕾;厌氧烃降解产甲烷菌系的组成及其代谢产物的特征[D];华东理工大学;2012年

相关硕士学位论文 前7条

1 黄晓燕;珠江沉积物甲烷厌氧氧化菌群群落结构研究[D];华南理工大学;2015年

2 赵奇;在木质纤维素降解过程中热纤梭菌和热厌氧热解糖杆菌共生关系以及产氢机理的解析[D];山东大学;2017年

3 张佩兰;厌氧生物除磷及其微生物种群结构特性的研究[D];广州大学;2011年

4 李伟;厌氧烃降解体系中微生物群落组成及功能基因[D];华东理工大学;2012年

5 甘如海;畜禽粪便厌氧干发酵处理搅拌反应器的研究设计[D];华中农业大学;2004年

6 刘艳娟;厌氧好氧法处理豆沙馅废水试验研究[D];中国地质大学（北京）;2006年

7 杨金龙;瘤胃厌氧真菌的筛选、诱变及发酵麸皮的研究[D];四川农业大学;2006年

本文编号：2843337