【摘要】：以秸稈為原料進行沼氣發(fā)酵是推動產(chǎn)業(yè)沼氣發(fā)展的重要途徑,然而秸稈中的木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易被微生物降解,嚴(yán)重制約了秸稈沼氣的發(fā)展。木質(zhì)纖維素的水解酸化是秸稈沼氣發(fā)酵的限速步驟,如何實現(xiàn)木質(zhì)纖維素的高效水解酸化一直是困擾研究學(xué)者的難題。關(guān)于木質(zhì)纖維素降解菌的研究有很多報道,但多數(shù)存在酶系組成單一、纖維素降解率低、發(fā)酵溫度要求過高的問題,不適合高寒地區(qū)沼氣工程的運行。本研究從黑龍江省內(nèi)富含腐草的多處特殊地理環(huán)境中取樣,利用微生物之間天然形成的協(xié)同關(guān)系,在中溫35℃條件下,篩選馴化能夠高效降解木質(zhì)纖維素的復(fù)合菌系,探討其形態(tài)特征、生長特性、稻稈降解和產(chǎn)酸能力。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下: 1篩選構(gòu)建木質(zhì)纖維素降解復(fù)合菌系 以稻稈為主要碳源,從富含纖維素的土壤中分離得到一組高效穩(wěn)定降解稻稈的復(fù)合菌系LZF-12,經(jīng)過四十多次的傳代培養(yǎng),該復(fù)合菌系的群落組成和降解性能趨于穩(wěn)定。該復(fù)合菌系6天內(nèi)即可將濾紙完全降解,7天即可軟化稻稈。光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡顯示LZF-12菌群組成比較復(fù)雜,從外觀形態(tài)來看,粗細(xì)、長短不一,桿菌占主要的比例,其中夾雜著少量的球狀菌、梭狀菌和啞鈴狀菌等。 2 LZF-12的生長特性研究 通過測量分析LZF-12的生長曲線和DO曲線,發(fā)現(xiàn)該復(fù)合菌系由好氧菌株和微好氧菌株構(gòu)成,好氧菌通過消耗培養(yǎng)基中的溶解氧為微好氧菌營造適宜環(huán)境,而木質(zhì)纖維物質(zhì)的降解主要依靠微好氧菌。不同初始pH值條件下,復(fù)合菌系發(fā)酵過程的環(huán)境pH值變化趨勢基本一致,表明該菌系對環(huán)境的pH值具有較強的緩沖調(diào)節(jié)能力。 3 LZF-12的發(fā)酵性能研究 在監(jiān)測稻稈被降解過程中的粗纖維變化時,發(fā)現(xiàn)復(fù)合菌系先利用稻稈中的半纖維素,然后開始降解纖維素,木質(zhì)素在整個過程中被降解較少,到發(fā)酵結(jié)束時,稻稈總失重率為66%。液相末端產(chǎn)物VFAs(揮發(fā)酸)濃度在整個過程中先增大后減小,在第6天左右達到峰值,為3.44g/L,其中,乙酸與丁酸之和占到90%以上,丙酸含量較低,為下步的接甲烷菌產(chǎn)沼氣反應(yīng)提供了適當(dāng)?shù)牡孜铩?4碳氮比對LZF-12發(fā)酵過程的影響 比較不同稻稈預(yù)處理方式對其降解的影響,結(jié)果顯示1%氫氧化鈉處理稻稈是一種經(jīng)濟有效的預(yù)處理方式。文中比較了五個碳氮比(即5:1,7:1,10:1,15:1,20:1)下發(fā)酵液中微生物濁度、pH值、稻稈降解率、VFAs變化,結(jié)果顯示:碳氮比越低,培養(yǎng)基中氮源相對豐富,微生物量越大,稻稈的降解率也越大,相應(yīng)的發(fā)酵產(chǎn)物VFAs產(chǎn)量也越高。因此,低的碳氮比利于復(fù)合菌系LZF-12降解稻稈產(chǎn)酸。 5 DGGE監(jiān)測發(fā)酵過程中群落動態(tài) DGGE分析顯示,復(fù)合菌系LZF-12中微生物種類較多,優(yōu)勢菌群有Clostridium sp.、Uncultured Verrucomicrobia和Clostridium cellulolyticum。有資料顯示這幾類菌群具有較強的降解木質(zhì)纖維素的能力,對于稻稈的降解起到了關(guān)鍵作用;此外,復(fù)合菌系中還含有Pseudomonas sp.、Acetivibrio sp.、Uncultured Acidithiobacillus sp.和Uncultured eubacterium等微生物種群,它們能發(fā)酵碳水化合物產(chǎn)生包括乙酸、丁酸、甲酸等的混合酸,形成了復(fù)合菌系以揮發(fā)酸為主要發(fā)酵產(chǎn)物的代謝途徑。
【圖文】：

纖維素的生物降解過程有兩種：（1） 從外向內(nèi)破壞，主要指細(xì)菌等微生物，它們先黏附在纖維素纖維或其他纖維素材表面上，從纖維素表面逐漸向內(nèi)部增生，，在與微生物接觸的區(qū)域內(nèi)，纖維素被消化，纖維材料表面出現(xiàn)鋸齒蝕痕。（2） 從內(nèi)向外破壞，主要是指霉菌，它們在纖維素材料的端部最為活躍，會貫穿進入維素材料內(nèi)部并不斷生長，由內(nèi)向外消化纖維素，最終使整個纖維素被侵蝕破壞。微生物在降解纖維素過程中，會釋放酶，進而引起纖維素的酶降解。而這種酶稱之為纖素酶。纖維素酶可將纖維素水解成葡萄糖，其降解選擇性比較強，但降解條件溫和，是一干凈無污染的纖維素水解方法。纖維素酶主要有三種酶組分，內(nèi)切-β-葡聚糖酶、外切-β聚糖酶和 β-葡糖苷酶。目前認(rèn)為，纖維素酶降解纖維素的機理如下：結(jié)晶纖維素首先被內(nèi)-β-葡聚糖酶破壞生成無定形纖維素使其變成可溶性低聚糖，然后被外切-β-葡聚糖酶作用直形成葡萄糖；也可以先被纖維二糖水解酶水解成纖維二糖，再被 β-葡糖苷酶水解成葡萄糖切-β-葡聚糖酶的作用主要是將纖維素水解成為纖維二糖和纖維三糖，它不能將纖維素水解葡萄糖。提高纖維素的水溶性或降低結(jié)晶度可提高纖維素酶的水解速率，但纖維素取代衍化使酶降解速率降低。纖維素酶降解能夠使纖維素材料的堿潤脹程度增加、抗拉強度降低圖 1-1 纖維素結(jié)構(gòu)圖Fig.1-1 Picture of cellulose construction

木質(zhì)素單元結(jié)構(gòu)之間多為醚鍵和 C-C 鍵，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，十分穩(wěn)定，不易被降解。在植物木質(zhì)素是包裹在纖維素外面的。因此，木質(zhì)素的降解也是多年來木質(zhì)素研究中的一個在 1983 年以前，僅知道木質(zhì)素降解是一個氧化過程，Cα-Cβ 和 β-O-4 鍵斷裂是木質(zhì)素主要方式，除了側(cè)鏈氧化外，芳香環(huán)在從木質(zhì)素大分子上脫離下來以前，就通過脫甲裂。1983 年，Tien 和 Kirk 及 Glennr 兩個實驗室?guī)缀跬瑫r獨立地從樺黃孢原毛平革haneroehaete chrysosporium）中發(fā)現(xiàn)了木質(zhì)素過氧化物酶（lignin peroxldase，LiP），1uwahar 又從同一株菌中發(fā)現(xiàn)了錳過氧化物酶（Mn-dependent peroxidase，MnP），這才素降解研究打開了新的局面。木質(zhì)素的生物降解化學(xué)反應(yīng)機制可歸納為以下幾點：（1）木質(zhì)素模型化合物的 Cα-C（2）Cα-氧化機制，（3）芳香環(huán)取代機制，（4）氧的活化，（5）黎蘆醇及其衍生物的（6）芳香環(huán)開裂，（7）單甲氧基芳香物的氧化，（8）醌/氫醌的形成，（9）漆酶催化木化的機制，綜上所述，木質(zhì)素降解過程中氧化反應(yīng)占主要地位，同時需要還原反應(yīng)的高振華， 邸明偉，2008）。3 微生物復(fù)合菌系協(xié)同降解木質(zhì)纖維素的研究現(xiàn)狀圖 1-2 木質(zhì)素主體的基本結(jié)構(gòu)Fig.1-2 The basic structure of Lignin subjectivity
【學(xué)位授予單位】：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：S216.4

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本文編號：2640554