转化纤维素为电能的熊猫肠道产电细菌的筛选及应用

发布时间：2020-08-23 08:58

【摘要】：随着经济社会的发展,能源需求持续增长,能源资源和环境问题日益突出,加快开发利用可再生能源是应对日益严峻的能源和环境问题的必然选择。本文以熊猫肠道转化纤维素为电能的产电细菌的筛选和应用为主题,从以下几个方面开展了研究。1.以熊猫肠道微生物为研究对象,筛选并分离能同时降解纤维素并产电的菌株,经富集培养,从初筛的6株细菌中挑选出一株转化纤维素为电能的能力最强的菌株,16S r RNA基因测序结果表明该菌株属于纤维单胞菌属Cellulomonas,命名为LZ-P1。进一步检测发现菌株LZ-P1能分别以CMC、微晶纤维素、木聚糖、阿拉伯糖、玉米秸秆为唯一碳源生长并进行细胞外电子传输(Extracellular electron transfer,EET)。2.已有的从熊猫肠道分离的纤维素降解菌的研究主要集中在菌株对纤维素代谢能力的研究,对产电方面的研究涉及较少。为了深入了解菌株LZ-P1利用纤维素类物质产电的机理,本研究将菌株进行了全基因组测序,然后将得到的基因组序列进行生物信息学分析和功能研究。结果显示LZ-P1基因组上有大量与编码纤维素酶、半纤维素酶的基因、编码纤维素结合以及细胞外电子传输EET相关的蛋白,从遗传水平上说明菌株LZ-P1具有转化纤维素为电能的潜力,佐证了前期的表型实验。3.在基因组分析的基础上,进一步以蛋白质谱为研究手段,考察了菌株在以葡萄糖为碳源和以纤维素为碳源时差异表达蛋白,以及菌株在开路状态和闭路状态条件下的差异表达蛋白,结果显示菌株LZ-P1中与纤维素/半纤维素降解(内切葡聚糖酶,β-葡糖苷酶和内切木聚糖酶)以及EET(细胞色素C氧化酶和核黄素生物合成蛋白)相关的蛋白质在转化纤维素为电能的过程中都上调表达,基于这些上调表达蛋白,初步推测菌株LZ-P1作为熊猫肠道共生微生物在熊猫食物消化和营养代谢中发挥重要作用。4.最后一部分研究主要集中在菌株LZ-P1资源应用开发上,这部分以废纸张回收废水为研究对象,考察了菌株LZ-P1在废水处理中的性能。结果显示LZ-P1应用到以纸回收废水为底物的MFC中,72小时内可去除60.9%的COD,产电量为44.05 m W/m2。因此,菌株LZ-P1可应用于纸张回收废水的高效处理和能量回收。本研究的开展,有助于提升对熊猫共生肠道微生物在纤维类食物消化和营养代谢的认识和了解,为今后熊猫肠道微生物的开发和实际应用提供宝贵的菌种资源。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S852.6
【图文】：

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一种能将细胞内的电子传递到胞外(Extracellular electron transfer, EET) 的能力,以增加代谢过程中能量的产生。EET 机制主要包括三种类型，依赖电子中介体，依赖纳米导线或者微生物与电极直接接触（图 1-1）。例如，Lactococcus lactic 和Bifidobacterium longun 通过产生 ACNQ(2-amino-3-carboxy-1,4-naphthoquione)作为电子中介体完成电子传输；Shewanella oneidensis MR-1 通过自身产生的纳米导线传递电子；Geobacter sulfurreducens 通过直接接触电极传递电子 (Lovley &Nevin, 2011)。

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还可由一些肠道共生微生物产生，例如大肠核黄素(riboflavin)。核黄素是一种重要的具有氧化还报道 L.lactic 能利用核黄素作为电子中介体。同时另微生物 Faecalibacterium prausnitzii 在 flavin 和 thio 传递给 O2(Khan et al., 2012b)。并且有研究还证明肠原反应是与 NAD+/NADH 氧化反应相关联的 (图。综上所述，细胞外电子传递机制能够加速肠道微解和代谢，尤其是木质纤维素类食物，肠道微生物可资源库。

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图 1-4 熊猫肠道微生物的群落组成及功能 (Wei et al., 2015)Figure 1-4 The composition and function of the giant panda gut microbiota (Wei et al.,2015).

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