降解甘蔗渣纤维素的木霉菌株的筛选及其诱变育种

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中国是世界甘蔗生产第四大国,甘蔗渣(Sugarcane Bagasse,SCB)作为制糖业的副产物,同时也是一种可再生的生物质资源。广西是我国最大的甘蔗产区,具有丰富的甘蔗资源,为了使甘蔗渣能够高值化资源化利用,需要找到可以高效降解纤维素的菌株或酶,在酶解前需破坏甘蔗渣纤维原料的“顽抗性”,用以增加酶与底物的可及性,达到更好的酶解效果。甘蔗渣具有可再生、低成本、可生物降解、来源集中等优点,适用于工业化生产应用。纤维素降解菌株可以将纤维素生物质当作碳源,通过液体或固体发酵的方法生产多种如纳米材料,低聚木糖等高附加值产物。本研究以从霉变甘蔗渣中筛选出来的纤维素降解菌S-16作为诱变出发菌株,对其进行生物学鉴定,确定为木霉属菌株。菌株经紫外线(Ultraviolet,UV)和等离子体(Atmospheric Room Temperature Plasma,ARTP)复合诱变,得到具有高产酶能力且遗传稳定特性的突变菌株,可以有效提高甘蔗渣纤维素降解率,拟解决甘蔗渣利用难题。UV的最佳照射时间为4 min,ARTP最佳照射时间为400 s。经刚果红培养基初筛、采用内切葡聚糖酶(CMC酶活)为指标进行复筛、通过5次传代培养后得到一株高产纤维素酶并且稳定性良好的突变菌株A-8。为获得更高的酶活,对突变菌株A-8进行液体发酵,分别从发酵周期、碳源、氮源、p H值、接种量以及温度等方面进行产酶条件优化。优化得到突变菌株A-8产酶的最佳条件是发酵周期5 d、最佳碳源滤纸、最佳氮源(NH42SO4、培养基p H 4、最佳接种量8%、培养温度为30℃,经测定突变菌株A-8的CMC酶活为7.23 U,较未优化前提高了1.2倍。采用所产纤维素酶分别对未预处理甘蔗渣、酸预处理甘蔗渣和碱预处理甘蔗渣进行酶促水解,得到葡萄糖和还原糖含量为:未预处理甘蔗渣(分别为2.33 mg/m L和3.21 mg/m L),酸预处理甘蔗渣(分别为4.05 mg/m L和5.32 mg/m L),碱预处理甘蔗渣(分别为4.42 mg/m L和5.97 mg/m L);采用扫描电镜(Scanning Electron Microscope,SEM)、傅里叶变化红外光谱(Fourier Transform infrared spectroscopy,FTIR)以及X射线衍射(Diffraction of X-Rays,XRD)对酶解残余物进行表征,发现其结构和官能团发生了改变,结晶指数由47.57%降至30.39%,其中碱预处理甘蔗渣表现出更好的酶可及性。研究结果表明UV和ARTP诱变能够达到很好的诱变效果,可以增强木霉的产纤维素酶能力,诱变得到的突变菌株A-8具有良好的产酶能力和遗传稳定性,能够进一步提高甘蔗渣纤维素的酶促降解效果。
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