表面活性剂对堆肥过程中微生物胞外酶的作用及其机理研究

发布时间：2020-03-17 19:20

【摘要】： 堆肥过程是由大量微生物活动组成的一个复杂的生物化学过程,堆肥的物料成分复杂,除一小部分小分子的物质可以被微生物直接利用以外,大部分的有机物是以高聚物的形式存在,只有通过微生物所分泌的胞外酶将其分解为溶解性有机物质,才能渗入到细胞中供微生物代谢利用。由于堆肥物料中高聚物的存在形式是十分丰富的,因此,各种微生物产生的胞外酶也是多种多样的。如果能提高堆肥过程中一系列胞外酶的酶活,必将加快堆肥的进程,提高堆肥的效率。本研究将一种生物表面活性剂鼠李糖脂和一种化学合成的“温和型”非离子表面活性剂吐温80用于堆肥过程中,采用模拟堆肥实验、固态发酵实验、酶的内源荧光法及荧光探针等方法,从多个方面研究了两种表面活性剂对堆肥过程中微生物胞外酶的作用及其机理。在富含纤维素的废物稻草和麸皮的堆肥过程中,鼠李糖脂和吐温80对纤维素酶和木聚糖酶的活力有不同程度的增强和稳定作用,相应的,加速了纤维素和半纤维素的降解。堆肥过程中,主要来自于纤维素和半纤维素降解产生的水溶性有机碳,在含有表面活性剂的堆体中的含量要高于对照堆体,这有利于堆肥中微生物的生长,使得含有表面活性剂的堆体中微生物的种群数量要高于对照堆体。通过对比吐温80和鼠李糖脂对堆肥过程中的一系列参数的效果可以看出,鼠李糖脂对堆肥过程的促进作用要略好于吐温80。本实验的结果表明,“温和型”的表面活性剂,如吐温80和鼠李糖脂,对于富含纤维素废物的堆肥过程具有明显的促进作用。吐温80和鼠李糖脂对真菌简青霉(Penicillium simplicissimum),放线菌栗褐链霉菌(Streptomyces badius),细菌铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)和枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)胞外酶有不同的作用效果,这和表面活性剂的种类、微生物的种类、酶的种类都有一定的关系。总体来看,吐温80对于大多数微生物和酶来说都是一种提高酶活的促进剂,其适用条件更加广泛,而鼠李糖脂起作用的范围要相对小一些,但对一些酶却有突出的作用效果,例如木聚糖酶。吐温80和鼠李糖脂对微生物的生长没有抑制作用。酶的稳定性随着pH值的变化是不同的,纤维素酶在pH值3~7的条件下都较为稳定,基本不失活,而木聚糖酶在pH值7~9的条件下较为稳定,失活速度缓慢。稻草基质对纤维素酶的吸附失活作用随着pH值的增大而增强,而对木聚糖酶的吸附失活作用受pH值的影响不是很大;表面活性剂吐温80和鼠李糖脂在整体上都表现出对两种酶的稳定作用,但在细节上有一些不同。在酸性及中性(pH值3~7)条件下,吐温80对木聚糖酶的稳定作用要好于鼠李糖脂,而在碱性条件下,鼠李糖脂的效果要明显好于吐温80。通过内源荧光法研究酶蛋白分子构型的变化,得出了淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶和木聚糖酶在不同pH值条件下的稳定性,表面活性剂吐温80和鼠李糖脂对淀粉酶、纤维素酶和木聚糖酶都有不同程度的稳定作用,扩大了它们保持酶分子稳定的pH值范围,而对蛋白酶的作用不明显。通过采用芘作为荧光探针,研究鼠李糖脂和吐温80与4种微生物胞外酶,淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶和木聚糖酶之间的作用关系。鼠李糖脂和木聚糖酶之间有较强的作用力,纤维素酶次之,而淀粉酶和蛋白酶与鼠李糖脂之间的作用力不明显。吐温80与纤维素酶和木聚糖酶之间的作用力能使它们较好的结合,而与淀粉酶、蛋白酶之间的作用力反而不利于吐温80胶束的形成。和鼠李糖脂相比,吐温80和酶之间的作用力较小,随着吐温80的浓度的增大,它和酶之间的作用力逐渐越大,尤其在其浓度超过临界胶束浓度时。综上所述,一方面,表面活性剂吐温80和鼠李糖对堆肥过程中微生物的各种胞外酶具有不同程度的促进作用和稳定作用,从而加快了有机质的降解,提高了堆肥的效率;另一方面,这种促进产酶和稳定酶活的作用的大小和表面活性剂的种类、微生物的种类、酶的种类、环境pH值、堆肥物料等条件有一定的关系,不能从一而论。由于生物表面活性剂的多样性、可以由微生物原位产生、无污染等众多优点,使其在堆肥化处理有机固体废物中具有非常好的应用前景。
【图文】：

示意图,纤维素结构,示意图

结构由结晶区和无定型区两相组成立体线性分子有少量结晶区的空间结构不均一的分子，大多为无定型不定型的、非均一的、非线性的三维立体聚合物三类成分之间的连接无化学键结合与木质素有化学键结合与半纤维素有化学键合植物的生物质主要是由木质素、纤维素和半纤维素相互镶嵌结合而成的，木质素与半纤维素以共价键的形式结合，将纤维素分子包埋在其中，形成一种天然的屏障，使酶不易与纤维素分子接触。而木质素的非水溶性、化学结构的复杂性，导致存在于秸秆中的非水溶性木质纤维素的难降解性[44-47]。纤维素是植物残体中最丰富的部分，它是由 β(1-4)键的葡萄糖单元所组成的长链状大分子。通常一条链中含有 10000 多个葡萄糖分子，其葡萄糖亚基排列紧密有序，形成类似晶体的不透水的网状结构（图 1.1），以及分子间结合不甚紧密、排列不整齐的无定形区域。

示意图,示意图,木质素,微生物

由于分子大(相对分子质量>1.0×105)，溶解性差，没有任何规则的重复单元或易被水解的键(图1.2)，所以木质素分子结构复杂而不规则，，由于含有各种生物学稳定的复杂键型，因而微生物及其分解的胞外酶不易与之结合，与其他成分如纤维素、半纤维素等降解物不同，木质素不含有易水解而重复的单元，并且对酶的水解作用呈抗性，是目前公认的微生物难降解的芳香族化合物之一[48-50]。8
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：X705

【引证文献】