【摘要】： 堆肥過程是由大量微生物活動組成的一個復雜的生物化學過程,堆肥的物料成分復雜,除一小部分小分子的物質可以被微生物直接利用以外,大部分的有機物是以高聚物的形式存在,只有通過微生物所分泌的胞外酶將其分解為溶解性有機物質,才能滲入到細胞中供微生物代謝利用。由于堆肥物料中高聚物的存在形式是十分豐富的,因此,各種微生物產(chǎn)生的胞外酶也是多種多樣的。如果能提高堆肥過程中一系列胞外酶的酶活,必將加快堆肥的進程,提高堆肥的效率。 本研究將一種生物表面活性劑鼠李糖脂和一種化學合成的“溫和型”非離子表面活性劑吐溫80用于堆肥過程中,采用模擬堆肥實驗、固態(tài)發(fā)酵實驗、酶的內源熒光法及熒光探針等方法,從多個方面研究了兩種表面活性劑對堆肥過程中微生物胞外酶的作用及其機理。 在富含纖維素的廢物稻草和麩皮的堆肥過程中,鼠李糖脂和吐溫80對纖維素酶和木聚糖酶的活力有不同程度的增強和穩(wěn)定作用,相應的,加速了纖維素和半纖維素的降解。堆肥過程中,主要來自于纖維素和半纖維素降解產(chǎn)生的水溶性有機碳,在含有表面活性劑的堆體中的含量要高于對照堆體,這有利于堆肥中微生物的生長,使得含有表面活性劑的堆體中微生物的種群數(shù)量要高于對照堆體。通過對比吐溫80和鼠李糖脂對堆肥過程中的一系列參數(shù)的效果可以看出,鼠李糖脂對堆肥過程的促進作用要略好于吐溫80。本實驗的結果表明,“溫和型”的表面活性劑,如吐溫80和鼠李糖脂,對于富含纖維素廢物的堆肥過程具有明顯的促進作用。 吐溫80和鼠李糖脂對真菌簡青霉(Penicillium simplicissimum),放線菌栗褐鏈霉菌(Streptomyces badius),細菌銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)和枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)胞外酶有不同的作用效果,這和表面活性劑的種類、微生物的種類、酶的種類都有一定的關系�？傮w來看,吐溫80對于大多數(shù)微生物和酶來說都是一種提高酶活的促進劑,其適用條件更加廣泛,而鼠李糖脂起作用的范圍要相對小一些,但對一些酶卻有突出的作用效果,例如木聚糖酶。吐溫80和鼠李糖脂對微生物的生長沒有抑制作用。 酶的穩(wěn)定性隨著pH值的變化是不同的,纖維素酶在pH值3~7的條件下都較為穩(wěn)定,基本不失活,而木聚糖酶在pH值7~9的條件下較為穩(wěn)定,失活速度緩慢。稻草基質對纖維素酶的吸附失活作用隨著pH值的增大而增強,而對木聚糖酶的吸附失活作用受pH值的影響不是很大;表面活性劑吐溫80和鼠李糖脂在整體上都表現(xiàn)出對兩種酶的穩(wěn)定作用,但在細節(jié)上有一些不同。在酸性及中性(pH值3~7)條件下,吐溫80對木聚糖酶的穩(wěn)定作用要好于鼠李糖脂,而在堿性條件下,鼠李糖脂的效果要明顯好于吐溫80。 通過內源熒光法研究酶蛋白分子構型的變化,得出了淀粉酶、蛋白酶、纖維素酶和木聚糖酶在不同pH值條件下的穩(wěn)定性,表面活性劑吐溫80和鼠李糖脂對淀粉酶、纖維素酶和木聚糖酶都有不同程度的穩(wěn)定作用,擴大了它們保持酶分子穩(wěn)定的pH值范圍,而對蛋白酶的作用不明顯。 通過采用芘作為熒光探針,研究鼠李糖脂和吐溫80與4種微生物胞外酶,淀粉酶、蛋白酶、纖維素酶和木聚糖酶之間的作用關系。鼠李糖脂和木聚糖酶之間有較強的作用力,纖維素酶次之,而淀粉酶和蛋白酶與鼠李糖脂之間的作用力不明顯。吐溫80與纖維素酶和木聚糖酶之間的作用力能使它們較好的結合,而與淀粉酶、蛋白酶之間的作用力反而不利于吐溫80膠束的形成。和鼠李糖脂相比,吐溫80和酶之間的作用力較小,隨著吐溫80的濃度的增大,它和酶之間的作用力逐漸越大,尤其在其濃度超過臨界膠束濃度時。 綜上所述,一方面,表面活性劑吐溫80和鼠李糖對堆肥過程中微生物的各種胞外酶具有不同程度的促進作用和穩(wěn)定作用,從而加快了有機質的降解,提高了堆肥的效率;另一方面,這種促進產(chǎn)酶和穩(wěn)定酶活的作用的大小和表面活性劑的種類、微生物的種類、酶的種類、環(huán)境pH值、堆肥物料等條件有一定的關系,不能從一而論。由于生物表面活性劑的多樣性、可以由微生物原位產(chǎn)生、無污染等眾多優(yōu)點,使其在堆肥化處理有機固體廢物中具有非常好的應用前景。
【圖文】：

結構 由結晶區(qū)和無定型區(qū)兩相組成立體線性分子有少量結晶區(qū)的空間結構不均一的分子，大多為無定型不定型的、非均一的、非線性的三維立體聚合物三類成分之間的連接無化學鍵結合 與木質素有化學鍵結合與半纖維素有化學鍵合植物的生物質主要是由木質素、纖維素和半纖維素相互鑲嵌結合而成的，木質素與半纖維素以共價鍵的形式結合，將纖維素分子包埋在其中，形成一種天然的屏障，使酶不易與纖維素分子接觸。而木質素的非水溶性、化學結構的復雜性，導致存在于秸稈中的非水溶性木質纖維素的難降解性[44-47]。纖維素是植物殘體中最豐富的部分，它是由 β(1-4)鍵的葡萄糖單元所組成的長鏈狀大分子。通常一條鏈中含有 10000 多個葡萄糖分子，其葡萄糖亞基排列緊密有序，形成類似晶體的不透水的網(wǎng)狀結構（圖 1.1），以及分子間結合不甚緊密、排列不整齊的無定形區(qū)域。

由于分子大(相對分子質量>1.0×105)，溶解性差，沒有任何規(guī)則的重復單元或易被水解的鍵(圖1.2)，所以木質素分子結構復雜而不規(guī)則，，由于含有各種生物學穩(wěn)定的復雜鍵型，因而微生物及其分解的胞外酶不易與之結合，與其他成分如纖維素、半纖維素等降解物不同，木質素不含有易水解而重復的單元，并且對酶的水解作用呈抗性，是目前公認的微生物難降解的芳香族化合物之一[48-50]。8
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2007
【分類號】：X705

【引證文獻】

相關博士學位論文 前1條

1 肖勇;基于分子生物學技術的堆肥微生物群落、功能與應用研究[D];湖南大學;2011年

相關碩士學位論文 前5條

1 陳曉旭;麥草甘油預處理的研究[D];江南大學;2010年

2 胡晨璐;生物表面活性劑在固態(tài)發(fā)酵中對木質纖維素生物降解的影響研究[D];湖南大學;2010年

3 宋甜甜;表面活性劑在生物滴濾器凈化苯乙烯氣體中的作用[D];湖南大學;2012年

4 姜麗麗;表面活性劑對簡青霉去除水體中鎘離子的影響及機理探討[D];湖南大學;2012年

5 周梅芳;表面活性劑對固態(tài)發(fā)酵中簡青霉產(chǎn)漆酶及降解苯酚的影響[D];湖南大學;2011年

本文編號：2587578