同型产乙酸菌Blautia coccoides GA-1的多相分类学鉴定及混合营养代谢机制

发布时间：2019-02-13 08:34

【摘要】：同型产乙酸菌是一类兼具自养和异养特征的厌氧微生物,不仅可以利用CO_2合成细胞物质并产生乙酸,也能够发酵有机物产乙酸获得生长。这类微生物广泛分布于自然界和人工构建的厌氧生物处理系统中,其菌种资源与应用技术,在废弃生物质资源化、CO_2减排与资源化以及有机废水处理与资源化等众多方面都有很好的应用潜力和发展前景,也可为乙酸化工业的可持续发展提供可靠的原料来源。然而,基于同型产乙酸培养的应用技术研究尚处起步阶段,适宜的菌种资源匮乏,代谢机制研究亦不够深入,应用技术研究成果更加有限。筛选具有应用前景的同型产乙酸菌种,并对其生理生态特性、生长代谢特征,以及可能的应用途径和潜力等进行深入研究,可为相关应用技术的研发提供理论依据和指导。为开发同型产乙酸菌菌种资源,分别以厌氧折流板反应器的产酸相污泥和产甲烷相污泥,以及连续流搅拌槽式反应器(CSTR)的甲烷发酵混合污泥为出发菌群,在特异性基质H_2/CO_2(v:v,4:1)和产甲烷菌抑制剂2-溴乙烷磺酸钠的选择作用下,得到了三个同型产乙酸菌富集培养物。其中,由CSTR甲烷发酵系统活性污泥富集得到的培养物,其同型产乙酸代谢能力最强,同化H_2/CO_2的产乙酸能力可达54.79 mmol/gMLVSS,其优势菌群中的Acetobacterium和Blautia均是同型产乙酸菌大量分布的菌属。从富集培养物中分离得到一株同型产乙酸菌,细胞球形或卵形,直径0.2~0.5μm,有荚膜,不产芽孢,G+,十六和十四碳饱和脂肪酸含量分别为42.66%和21.20%,G+C含量为48.40%,可以H_2/CO_2为唯一碳源进行自养生长,也可利用单糖营异养生长,主要代谢产物均为乙酸。多项分类学鉴定表明,该菌株在分类学上隶属Blautia coccoides,将其命名为B.coccoides GA-1。以H_2/CO_2作为唯一碳源,同型产乙酸菌B.coccoides GA-1可获得5.32 g/g-干细胞的比乙酸产率,但在混合营养条件下,其同型产乙酸作用会受到异养代谢的显著抑制,同化H_2/CO_2的产乙酸能力大幅下降。B.coccoides GA-1自养代谢受异养代谢的抑制机理比较复杂,可能存在3种机制,即:糖酵解途径和Wood-Ljungdahl途径对于CoA的竞争作用;细胞合成与CO_2同化作用对ATP的竞争作用;异养代谢产酸作用导致的低pH,影响了胞内的NADH/NAD+平衡。在初始pH 7.5左右、35~37℃、盐度2.5 g/L,以及添加1 g/L酵母粉和1 g/L碳酸氢钠条件下,B.coccoides GA-1的自养代谢和异养代谢能力都很强。菌株GA-1在完全自养条件下的长势较弱,其子代的自养代谢能力也会衰退。在培养基中添加适量葡萄糖,会刺激菌株GA-1的旺盛增殖,但高浓度的葡萄糖对其自养代谢能力有显著抑制作用。以H_2/CO_2(v:v,4:1)为气相条件,用200 mg/L的葡萄糖培养基对菌株GA-1进行传代培养,不仅可获得稳定的子代培养物,而且可以将其利用H_2/CO_2产乙酸的能力维持在2.16 g/g-干细胞的水平。Gompertz模型和Logistic模型都能很好地模拟B.coccoides GA-1的异养代谢过程,而Logistic模型更能准确地描述菌株GA-1的自养代谢过程。拟合结果表明,在葡萄糖浓度2000 mg/L、接种量10%(v:v)、37℃和初始pH 7.3左右等条件下,B.coccoides GA-1发酵葡萄糖的最大生长速率、最大基质降解速率和最大乙酸生成速率分别为93.24、370.26和79.11 mg/(L·h)。而以H_2/CO_2为唯一碳源时,菌株GA-1的最大生长速率、最大基质转化速率和最大乙酸生成速率分别为4.97 mg/(L·h)、0.05 mmol/(L·h)和2.87 mg/(L·h)。应用可行性研究与分析表明,B.coccoides GA-1在木质纤维素类生物质、有机废水以及燃料燃烧废气的处理和资源化利用方面,均有很大应用潜力,是一种用途广泛和颇具开发价值的菌种资源。针对木质纤维素类生物质、生物发酵气和燃料燃烧废气等廉价碳源的开发,探讨了它们用于B.coccoides GA-1发酵产乙酸的可能性和技术实现的可能途径,并对技术的发展前景进行了预测,为后续开发同型产乙酸菌种质资源利用技术提供了思路和参考。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703;X172
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本文编号：2421364