黃孢原毛平革菌及其關鍵功能酶對木質(zhì)纖維素降解轉(zhuǎn)化特性的研究.pdf

1、木質(zhì)纖維素是自然界中最豐富的可再生有機資源。天然的木質(zhì)纖維素是由木質(zhì)素、纖維素、半纖維素構成；其中木質(zhì)素是高度不規(guī)則且不可溶的聚合物，它通過共價鍵與半纖維素相連接形成木質(zhì)素-碳水化合物復合物，此后又與纖維素相包裹形成結構更為復雜的植物細胞壁，即天然的木質(zhì)纖維素。如此復雜的化學結構既妨礙了木質(zhì)纖維素的轉(zhuǎn)化，同時也導致自然界中木質(zhì)纖維素的降解過程非常緩慢。由于木質(zhì)素對木質(zhì)纖維素的保護作用及其自身的難降解特性使得木質(zhì)素降解成為木質(zhì)纖維素降解的

2、關鍵因素和限速步驟。堆肥化處理技術是實現(xiàn)有機固體廢物無害化、減量化、資源化的重要手段。但是傳統(tǒng)的堆肥方法存在歷時長，肥效低，有機質(zhì)傳化不完全等問題。特別是富含木質(zhì)纖維素廢物的堆肥基質(zhì)，其影響更加明顯。白腐菌是目前所發(fā)現(xiàn)的一類唯一能徹底降解木質(zhì)素的微生物，它可以分泌木質(zhì)素過氧化物酶、錳過氧化物酶、漆酶等胞外酶降解木質(zhì)素。黃孢原毛平革菌是白腐菌的典型代表，因此，本研究選擇了黃孢原毛平革菌作為研究對象，系統(tǒng)地考察了該菌體及其關鍵功能酶在簡單固

3、態(tài)條件下(固態(tài)發(fā)酵)和復雜固態(tài)條件下(堆肥體系)中對天然木質(zhì)素降解能力及降解機理。
　　 在固態(tài)發(fā)酵條件下，黃孢原毛平革菌接種濃度過高而會影響木質(zhì)纖維素的降解效率，過低則會導致其降解效果較差。在本實驗范圍內(nèi)，最佳的接種濃度為4mL/35g干樣。在此接種濃度下，木質(zhì)素的降解率可以達到39.1％。此外由于木質(zhì)素的屏障作用被打破，黃孢原毛平革菌對半纖維的降解能力也有了顯著的提高。電鏡掃描結果與紫外光譜分析結果也表明，在此接種濃度下黃孢

4、原毛平革菌對木質(zhì)纖維素結構破壞的程度最為嚴重。
　　 將黃孢原毛平革菌接種子堆肥體系，結果表明它可以顯著提高木質(zhì)素和半纖維素的降解率，但對纖維素的降解影響不是很明顯。此外本實驗還考察了該菌對堆肥過程中物質(zhì)轉(zhuǎn)化的影響。因此，在堆肥過程中監(jiān)測了腐殖質(zhì)、胡敏酸、富里酸以及腐殖化指標的動態(tài)變化。結果表明，接種黃孢原毛平革菌對富里酸形成的影響不明顯，但它可以顯著增加胡敏酸的含量。腐殖化指標結果表明黃孢原毛平革菌可以有效地促進堆肥腐熟速度，

5、縮短堆肥周期，提高堆肥腐殖質(zhì)的穩(wěn)定性以及腐殖化度。腐殖質(zhì)的光學特性以及其分級分析結果表明接種黃孢原毛平革菌可以促進堆料中脂肪類、多糖類等物質(zhì)的降解，同時還可以有效提高芳環(huán)族類化合物的含量。實驗結果還表明，隨著堆肥時間的推進，處理樣中胡敏酸芳構化的進程被加速；最后，聚類結果表明，接種黃孢原毛平革菌可以有效縮短堆肥周期，促進堆體提前腐熟和穩(wěn)定。
　　 黃孢原毛平革菌主要依靠其所分泌的胞外酶降解木質(zhì)素。本實驗通過正交實驗法考察了愈創(chuàng)木

6、酚與復合碳源共降解對黃孢原毛平革菌產(chǎn)酶的影響；同時探討不同分子結構對酶催化機制的影響。實驗結果表明：同時添加愈創(chuàng)木酚及不同結構的碳源對該菌產(chǎn)酶有顯著影響，高濃度的愈創(chuàng)木酚對產(chǎn)酶有明顯的促進作用；在培養(yǎng)基中添加愈創(chuàng)木酚2mmol/L、葡萄糖2.5g/L和糊精5g/L，可以顯著提高黃孢原毛平革菌的綜合產(chǎn)酶能力；黃孢原毛平革菌可以分泌纖維素酶和木聚糖酶，而且二者之間有較好的線性正相關關系。
　　 將以上優(yōu)化條件得到的高活性粗酶液添加至

7、富含木質(zhì)纖維素的堆肥體系中，考察其對堆肥基質(zhì)降解和轉(zhuǎn)化的影響。結果表明：添加酶液主要是有利于打破木質(zhì)素所形成的屏障作用，同時使半纖維素得以暴露，因此半纖維素的降解率也可以被有效提高，此結果與直接接種黃孢原毛平革菌菌體的效果相類似。腐殖質(zhì)變化結果表明，酶液對胡敏酸形成的影響主要作用于堆肥后期(30d以后)，但此階段以促進微生物對腐殖質(zhì)分子結構的轉(zhuǎn)換為主，而對于有機物降解能力的影響不明顯。堆肥過程的酶活性變化表明，堆肥過程中LiP和MnP的

8、活性高峰是交替出現(xiàn)，且添加酶液對LiP的影響主要體現(xiàn)在堆肥后期。FTIR光譜分析結果表明，添加酶液有利于木質(zhì)素結構中甲基、亞甲基以及羥基基團的降解，同時GC/MS結果分析表明，添加酶液可以促進木質(zhì)素結構中苯環(huán)氧化開環(huán)，C-C鍵的斷裂以及雙鍵氧化等。這些作用均有利于堆肥過程中其它微生物群落的營養(yǎng)供給以及物質(zhì)進一步的降解與轉(zhuǎn)化。
　　 為了進一步從機理上了解添加關鍵功能酶對堆肥過程的影響，本章節(jié)以Biolog方法為主要監(jiān)測手段，結合

9、聚類分析以及PCA分析方法，考察添加酶液對富含木質(zhì)纖維素堆體中微生物群落代謝能力的影響。結果表明，添加酶液可以顯著提高微生物對有機碳的降解能力；AWCD的變化表明，當堆肥進入第6d后，添加酶液后，微生物對胺類碳源的代謝能力顯著增強，同時在堆肥進入第15d后，微生物對羧酸類碳源和聚合物類碳源的能力也有較為明顯的提高。微生物群落代謝聚類分析結果表明，添加酶液可以改善堆肥微生物對中間代謝產(chǎn)物類碳源的代謝能力。通過主成分分析(PCA)發(fā)現(xiàn)，添加