復合菌系降解木質纖維素特性及其菌群動態(tài).pdf

1、化石燃料的儲量有限性以及過度利用化石燃料所造成嚴重的溫室效應，迫使人類尋求化石燃料的替代品。生物質能源由于兼具能源和環(huán)境效益受到了高度認可。木質纖維素是生物質的主要組成成分，同時也是生物質利用的瓶頸。如何高效的實現(xiàn)木質纖維素的水解酸化一直是困擾生物法利用生物質資源的難題，為了提高木質纖維素的降解效率，不同領域的研究學者已經做了大量的科研工作，近年來隨著環(huán)境生物技術的發(fā)展，微生物的協(xié)同作用逐漸受到重視，利用復合菌系進行木質纖維素降解成為研

2、究的熱點。本論文的主要研究內容和研究結果如下：
　　 系統(tǒng)地研究了一組木質纖維素降解復合菌系的形態(tài)特征、生長特性及生態(tài)條件。通過顯微觀察發(fā)現(xiàn)，復合菌系主要由桿菌組成，普遍周生鞭毛，胞外分泌粘液，表面形貌多樣。在降解過程中復合菌系對氧的需求量較低，反應體系的DO值的波動范圍很小，始終維持在0.07~0.25 mg/L范圍內。體系的pH值呈現(xiàn)出先降低后上升的趨勢，表明復合菌系對發(fā)酵產物的反饋抑制有較強的緩沖能力。
　　 對復

3、合菌系的發(fā)酵特性進行了較為詳細的探討，其對木質纖維素的降解表現(xiàn)出較強的能力，即在216 h內稻草降解了75 ％，纖維素降解了81 ％，半纖維素降解了92 ％，木質素降解了46 ％，并且前60 h為高效降解階段，期間對稻草、纖維素、半纖維素和木質素的降解量分別占總降解量的59.0 ％、48.5 ％、86.8 ％、44.0 ％。而從復合菌系的發(fā)酵類型分析，其屬于典型的乙酸型發(fā)酵，90％以上的代謝產物是乙酸，其次是少量的乙醇、丁酸和丙酸。發(fā)酵

4、108 h后，乙酸濃度達到最大值2.58 g/L，此時總揮發(fā)酸也達到最大值2.90 g/L，該發(fā)酵類型為下游兩相厭氧消化的產甲烷相的穩(wěn)定、高效運行提供重要物質基礎。發(fā)酵體系的COD值呈現(xiàn)出先增加后降低的總體趨勢，說明了底物由固態(tài)的木質纖維素轉變?yōu)橐簯B(tài)的揮發(fā)酸，再轉變?yōu)闅鈶B(tài)的CO2和H2的過程?？倓P氏氮和氨態(tài)氮的變化趨勢表明，復合菌系的活性在降解后期降低的原因不是氨態(tài)氮的累積而是營養(yǎng)的耗盡。
　　 復合菌系的生長規(guī)律表明，其整個生

5、長發(fā)酵過程劃分為三個時期，即0~108 h的對數(shù)生長期、108~144 h的穩(wěn)定期、144~216 h的衰亡期。并利用變形梯度凝膠電泳（即DGGE）對復合菌系的菌群組成及動態(tài)進行了探討，結果表明，該復合菌系主要由14個微生物種群組成；隨著發(fā)酵降解的逐漸進行，復合菌系的菌群出現(xiàn)了一定的波動。DGGE指紋圖譜的聚類分析顯示，整個降解過程可以劃分為三個階段：0~12 h為降解初期，24~120 h為降解中期，144~216 h為降解末期，與生

6、長曲線大致吻合。
　　 在降解初期微生物菌群之間競爭激烈，其中，Proteolyticum ethanoligenes strain GW、Uncultured Acidobacteria bacterium clone RDM3-B02、Uncultured Bacillus sp. Clone 126、Aneurinibacillus danicus gene等種群數(shù)量相對較多，由于這些好氧菌的生長速率相對較快，引起反應體系

7、的DO值和pH的迅速下降，從而為復合體系內微好氧菌群的生長發(fā)酵提供了適宜的條件。隨著發(fā)酵的進行，這些種群的活性逐漸地受到抑制，從而轉入休眠狀態(tài)。
　　 降解中期是稻草水解的主要階段，數(shù)量較多的微生物種群主要有Clostridium sp. PML14、Clostridium islandicum strain AK1、Brevibacillus borstelensis clone US12、Ureibacillus sp. A

8、3.03、Uncultured bacterium tbr1-10、Bacillus sp. R-30914、Brevibacillus borstelensis strain U404。這些微生物都屬于內生芽孢的革蘭氏陽性菌，對溫度和pH值變化的適應性強，可以產生胞外水解酶。其中Uncultured bacterium tbr1-10、Bacillus sp. R-30914、Brevibacillus borstelensis st

9、rain U404、Clostridium islandicum strain AK1是功能微生物，多種微生物的協(xié)同作用可以解除木質素降解過程中產生的有毒物質對降解的抑制，這是復合菌系高效降解木質纖維素的重要原因之一。
　　 進入降解末期后，隨著底物營養(yǎng)的逐漸耗盡，內源性呼吸作用加強，從而導致部分功能菌群數(shù)量減少，如Clostridium islandicum strain AK1、Brevibacillus borstelen

10、sis clone US12、Ureibacillus sp. A3.03、Uncultured bacterium tbr1-10、Bacillus sp. R-30914；部分菌群數(shù)量出現(xiàn)了相反的趨勢，即在降解后期數(shù)量表現(xiàn)明顯增加的跡象，逐漸成為優(yōu)勢菌，如：Bacillales bacterium 01QDX、Uncultured Bacilli bacterium clone SHBZ1189和Aneurinibacillus d