纤维素分解复合菌系的构建、筛选及特性研究

来源 :三峡大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jiangyoung
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纤维素是地球上含量最丰富的可再生有机质资源,广泛存在于自然界各种木质纤维素材料中,如稻草、小麦秸杆和玉米秸秆等农业废弃物。利用微生物发酵技术可将木质纤维素中的纤维素类成分转化成各种能源(如酒精、沼气、氢气)或化工产品(如有机酸、糖类物质),而要实现纤维素的生物转化首先需解决纤维素的水解问题,即将纤维素大分子降解成发酵微生物可吸收利用的可溶性糖类物质,因此研究具有高效纤维素分解功能的菌株、菌群及其菌间共生关系具有重大的理论价值和应用前景。  为探索微生物协同降解纤维的机理及菌间关系,本研究采取了人工构建复合菌系的方法。首先,以一组能高温发酵蔬菜废叶产沼气的菌群为菌源,综合运用多种微生物纯化技术,对菌群中具有较高丰度的细菌和古菌进行了分离并测序鉴定;然后,将分离获得的菌株与本实验室现有的一株热纤梭菌(Clostridium thermocellum)CTL-6进行人为组配,构建了一系列菌株组成明确的纤维素分解复合菌系,并以滤纸纤维素分解能力为评判指标,筛选出分解能力较强的复合菌系;最后,对筛出菌系分解纤维素的性质和初步的菌间关系进行了研究。主要试验结果如下:  1)利用16S rRNA基因测序技术对分离获得的菌株进行了测序鉴定,结果显示分离获得的微生物类群主要有:地衣芽孢杆菌(Bacilluslicheniformis)、解硫胺素芽孢杆菌(Aneurinibacillusthermoaerophilus)、好热黄无氧芽孢菌(Anoxybacillus flavithermus)、硫气孔芽孢菌(Bacillussolfatarensis)、铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)和硫酸盐还原菌(Sulfate reducing bacteria)。  2)通过对已知菌株进行人为组配,构建获得了一系列滤纸分解能力各异的复合菌系。试验结果表明,两菌组合中分解能力较强的有Ba2CTL-6、Ba3CTL-6、CTSCTL-6;三菌组合中滤纸分解能力较强的有Ba2CTL-6+CTS、Ba2CTL-6+Ba5、Ba3CTL-6+Ba6;四菌组合中滤纸分解能力较强的有Ba2CTL-6+CTS+YW4、Ba2CTL-6+CTS+Ba3、Ba2CTL-6+CTS+Ba5。  3)一株地衣芽孢杆菌Ba2(Bacillus licheniformis)与CTL-6的菌株组合具有很强的滤纸纤维素分解能力。两菌共培养9天,累计滤纸分解量为484.6mg,滤纸相对分解率高达93.2%。研究结果表明,Bacillus licheniformis能有效促进Clostridium thermocellum CTL-6的纤维素分解活性,且该菌株组合可作为后期进一步构建纤维素甲烷转化复合菌系的基础。  4)将分解滤纸纤维素过程中pH倾向于碱性变化的Ba2CTL-6组合与倾向于酸性变化的Ba5CTL-6组合进行再组合后,获得的复合菌系Ba2CTL-6+Ba5的纤维素分解能力相比之前两个组合有了显著提升。该结果表明“酸碱互补”的菌系组合原则是可行且有效的。  5)对Ba2CTL-6+CTS组合的纤维素分解能力和各构成菌株在组合中的作用进行了初步研究。  结果表明:Ba2CTL-6+CTS组合具有较强的纤维素分解能力,培养7天,累计滤纸分解量为315.3 mg,滤纸相对降解率为61.8%;该组合的纤维素分解能力依赖于CTL-6菌株,Ba2和CTS菌株起辅助调节作用。Ba2菌株在Ba2CTL-6+CTS组合中的作用有:提升菌系滤纸分解能力;有助于增强菌系中CTL-6产纤维素酶的代谢活动,但对其后期产酶代谢活动有不利影响;Ba2菌株对菌系胞外总蛋白分泌的贡献很大,且CTS菌株可能对Ba2菌株的代谢活动存在一定的抑制作用;对该菌系丙酸和丁酸的代谢有影响。CTS菌株在Ba2CTL-6+CTS组合中的作用有:增强菌系滤纸分解能力的持续稳定性;使滤纸分解高峰出现的时间提前;延长CTL-6产纤维素酶的代谢活动时间;对该菌系乳酸、甲酸、丙酸、丁酸的代谢均有影响。  6)对一株采用SRB选择性培养基分离获得菌株CTS进行了测序鉴定和生长性质研究。  结果表明:CTS具有降解转化SO42-的能力,且能使SRB鉴定培养液变黑,单菌落在含有Fe2+盐的固体培养基中表现为黑色,但系统发育分析显示该菌株与目前已知的SRB类菌株的亲缘关系较远,故初步判断CTS很可能为一株新发现的SRB;CTS菌株革兰氏染色为阴性,菌体细胞呈杆状、稍弯曲、无鞭毛,宽度为0.4μm~0.6μm,长度在1.8μm~2.0μm之间,属高温菌。最适生长温度为50℃,最适生长pH为7.0~7.5。菌株生长增殖较快,在培养基初始pH为7.5和培养温度为55℃条件下,培养12h即可进入对数生长期。
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