镇江香醋醋酸发酵阶段产乳酸功能细菌的物种多样性

乳酸是传统食醋中主要的不挥发性有机酸,具有柔和食醋酸感、增强风味品质等作用,但是目前对于醋酸发酵过程中乳酸形成的微生物机理尚缺少深入研究.首先分析了镇江香醋醋醅中D-乳酸和L-乳酸含量;继而采用宏基因组和宏转录组测序分析了醋醅中L-乳酸脱氢酶(L-LDH)和D-乳酸脱氢酶(D-LDH)基因的相对表达水平;最后利用兼并引物扩增和扩增子测序方法分析了L-LDH和D-LDH基因的物种多样性.结果表明,参与L-LDH和D-LDH合成的微生物均主要分布在Lactobacillus,其相对丰度均占到80%以上;其中与D-LDH相关的微生物主要为Lactobacillus reuteri(67.9%),Lactobacilluspontis(10.2%),Lactobacillusfermentum(4.1%),Lactobacillushelveticus(1.3%),而与L-LDH相关的微生物主要为Lactobacillus helveticus(70.3%),Lactococcus lactis(9.2%),Lactobacillus pontis(8.0%),Lactobacilluscasei(1.3%).因此,镇江香醋醋酸发酵阶段乳酸主要由Lactobacillus菌群代谢丙酮酸产生,但D-乳酸和L-乳酸的产量则受到具体菌株的调控,其中D-乳酸可能主要由L. reuteri产生,L-乳酸可能主要由Lactobacillus helveticus产生.本研究结果可为解析醋酸发酵过程中乳酸的生物合成途径提供理论基础.(图7表1参30)     

转录调控因子ALsR表达强度对枯草芽孢杆菌合成乙偶姻和2,3-丁二醇的影响

转录调控因子ALs R是枯草芽孢杆菌中赖氨酸家族的转录调控因子,负责调控丙酮酸到乙偶姻和2,3-丁二醇合成途径中乙酰乳酸合成酶和乙酰乳酸脱羧酶的表达.为探究枯草芽孢杆菌生产乙偶姻和2,3-丁二醇过程中ALs R的最适表达强度,选取5个不同强度的启动子来调控ALs R的表达,首先以绿色荧光蛋白(GFP)作为报告基因表征了不同强度启动子的转录活性,然后使用这些不同强度的启动子来调控ALs R的表达,研究ALs R的表达强度对枯草芽孢杆菌乙偶姻和2,3-丁二醇发酵的影响.结果发现,在使用表达水平较强的组成型启动子P_(als SD)调控ALs R表达时,细胞的发酵周期延长8 h,细胞密度有所下降,乙偶姻和2,3-丁二醇产量也有一定程度的下降.当使用较弱的启动子P_(srf A)、P_(bdh A)、P_(zwf)、P_(als R)调控ALs R表达时,ALS和ALDC酶活分别提高1.15-2.25倍和2.4-4.8倍,此时比较适于乙偶姻和2,3-丁二醇的合成,乙偶姻和2,3-丁二醇的产量分别提高了9.24%-19.63%和7.16%-14.91%,同时副产物乳酸和乙酸的产量分别降低了5.45%-18.18%和19.46%-31.21%,其中在启动子P_(bdh A)调控ALs R表达时,即ALS和ALDC酶活分别提高1.9倍和4.1倍,此时最适于乙偶姻和2,3-丁二醇的发酵生产,乙偶姻和2,3-丁二醇的产量分别提高了19.6%和14.9%,副产物乳酸和乙酸的产量也显著下降.本研究发现过量地表达转录调控因子ALs R会对细胞的生长造成影响,不利于乙偶姻和2,3-丁二醇的发酵,而适度强化表达转录调控因子ALs R不会对细胞的生长造成影响,可以有效地提高乙偶姻和2,3-丁二醇的产量,降低发酵过程中的副产物乙酸和乳酸的积累.(图5表4参34)     

乙酰辅酶A合成酶的酶学性质及其在甲羟戊酸合成中的应用

乙酰辅酶A合成酶(ACS)在微生物体内可直接将乙酸转化为乙酰辅酶A,乙酰辅酶A再进入微生物的碳代谢循环过程.为提高乙酸的利用效率,筛选催化活性较高的乙酰辅酶A合成酶,从大肠杆菌(Escherichia coli K-12)和巴氏醋酸杆菌(Acetobacter pasteurianus ATCC 33445)中扩增得到3个不同的乙酰辅酶A合成酶基因,将这3个基因分别连接到p ET-28a(+)载体上,Western Blot分析表明,3个基因均在E.coli BL21(DE3)中成功表达.对3个不同来源的乙酰辅酶A合成酶的酶活性进行比较,发现来自于巴氏醋酸杆菌的乙酰辅酶A合成酶(ACS2)具有较高的催化活力;其最适温度37℃,最适pH在7-8之间;在最适反应条件下,K_m为1.16 mmol/L,最大反应速度(V_(max))为20.45 mmol L~(-1) min~(-1).将ACS2应用到以乙酸为底物生物合成甲羟戊酸过程中,当过表达ACS2时,单批补料发酵条件下,甲羟戊酸产量达到6.59g/L.本研究筛选到1种催化活性较高的乙酰辅酶A合成酶,显著提高了甲羟戊酸的生物合成,可为乙酰辅酶A合成酶的进一步研究和应用提供理论支持.(图8表1参18)     

浓香型白酒中优势乳酸菌和酵母菌间的相互关系

为了更深入地认识白酒发酵机理,探究多粮浓香型白酒中优势乳酸菌和优势酵母菌的相互作用关系及代谢模型,利用五粮粉为培养基,测定分离自酒醅中的2株优势乳酸菌和2株优势酵母菌纯培养及其共培养中菌株的理化指标、活菌数以及主要挥发性代谢产物的变化.结果显示,Saccharomyces cerevisiae J7产乙醇(56.7 g/L)和酯类物质多,Lactobacillus buchneri R62和Lactobacillus acetotolerans R73产乳酸较多,峰值分别达到11.79和11.64 g/L;共培养时,S.cerevisiae J7显著抑制两株乳酸菌的生长和乳酸合成;两株乳酸菌对Pichia membranifaciens J42的生长和乙醇合成有抑制作用;从挥发性代谢产物可知,P.membranifaciens S42与乳酸菌共培养时,乳酸乙酯含量显著增加.本研究表明浓香型白酒酒醅中的乳酸菌和酵母菌存在相互作用,并且共培养时生成了乳酸乙酯;结果可为白酒发酵提供理论基础.(图5表2参22)     

泸型酒酒醅与窖泥中乳酸菌群落结构差异

乳酸菌对泸型酒风味品质的发酵形成具有重要作用.为促进对酒醅和窖泥中乳酸菌群落物种组成、发酵演替规律以及表型差异的深入认识,采用分子生态学技术,在种水平上对比和揭示同一窖池酒醅和窖泥中乳酸菌群落的结构差异和演替规律,并运用BugBase预测酒醅和窖泥乳酸菌群落主要表型的差异.结果显示,窖池中共检出6科16属乳酸菌.酒醅发酵过程中乳酸菌平均丰度为65.21%±29.47%,而窖泥中乳酸菌仅占细菌总量的4.06%±4.24%. 0-3 d酒醅中优势乳酸菌是乳杆菌属(Lactobacillus,占乳酸菌丰度44.01%)、魏氏菌属(Weissella,27.33%),其后乳杆菌属丰度维持在91.06%以上,窖泥中优势乳酸菌为乳杆菌属(95.67%±9.17%). OTU0和OTU3是窖池中乳杆菌属的优势物种,其丰度占乳酸菌总量的76.08%±29.21%.酒醅与窖泥乳酸菌需氧类型不同,发酵初期(0-5 d)的酒醅中好氧乳酸菌相对丰度显著高于后期酒醅和窖泥样品(P 0.01),窖泥中兼性厌氧乳酸菌的丰度高于酒醅样品.综上所述,酒醅和窖泥中乳酸菌群落存在时空异质性,可能影响酒醅和窖泥对泸型酒风味的贡献.(图4参34)     

乳酸合成丁酸的工艺构建及其条件优化

为构建一套乳酸合成丁酸的工艺,在开放体系中,驯化培养丁酸合成混合菌,并对发酵工艺条件进行系统研究和优化.首先通过单因素试验设计确定各因素的最佳水平范围.结果表明,p H值控制在5.5-7.5之间,乳酸浓度控制在20-40 g/L之间,外加乙酸浓度控制在1.5-3.5 g/L之间可以得到丁酸的最大产率.在此基础上,进一步对p H值、乳酸浓度和外加乙酸浓度进行三因素三水平的Box-Behnken试验设计及响应面法分析,以丁酸产率作为响应值,探究影响丁酸产率的各因素之间相互作用.通过方差分析显著性及求解回归方程得到最优发酵工艺条件:在p H值为6.72,乳酸浓度为27.83 g/L,外加乙酸浓度为2.79 g/L时,丁酸最高产率理论可达2.47 g L~(-1) d~(-1).验证试验得到的结果是丁酸产率为2.43g L~(-1) d~(-1),与预测值接近,较优化前产率提高了47.27%.此外,利用高通量测序技术(Miseq)对微生物群落结构进行分析,发现混合微生物中占优势的菌群是Clostridium sensustricto、Lactobacillus与Clostridium IV,其丰度分别为69.35%、15.41%与10.05%.利用本发酵新工艺能够得到相对稳定的丁酸产率,因此在工业中具有广阔的应用前景.     

泸型酒中层酒醅真菌群落的发酵演替规律

考察泸型酒发酵过程中中层酒醅真菌群落的演替规律,探讨菌群演替与环境因子变化的相关性.采用高通量测序技术分析泸型酒中层酒醅真菌群落的演替规律,并运用Mantel test分析不同发酵阶段的真菌群落演替与环境因子变化的相关性.结果表明,中层酒醅发酵过程中存在155个属的真菌,以Kazachstania、Aspergillus、Thermoyces、Thermoascus和Eurotium为主(相对丰度 0.5%).通过聚类分析可将酒醅发酵过程划分为3个阶段:阶段I(0-4 d),阶段II(5-17 d)和阶段III(18-40 d),且3个阶段的酒醅真菌群落结构差异显著(P 0.05). Metastats分析发现,阶段II酒醅真菌群落中Kazachstania的相对丰度比阶段I显著升高(P 0.05),而Trichomonascus、Xeromyces、Thermomyces、Paecilomyces、Aspergillus和Thermoascus相对丰度显著降低(P0.05).与阶段II相比,阶段III酒醅真菌群落中Kazachstania相对丰度显著增长(P 0.05),Thermomyces、Thermoascus、Aspergillus、Wickerhamomyces和Paecilomyces相对丰度显著下降(P 0.05).Mantel test分析发现,阶段I的真菌菌群演替与酒醅水分含量呈显著线性相关(P 0.05),而阶段II和阶段III的真菌菌群演替与酒醅温度、水分、酸度、乙醇浓度变化均没有显著相关性(P 0.05).本研究表明,泸型酒中层酒醅中真菌群落在不同发酵阶段结构差异显著,且酒醅水分变化与发酵前期(0-4 d)真菌群落演替具有显著相关性,结果可为进一步阐明泸型酒发酵过程微生物酿造机理奠定研究基础.     

基于高通量测序和传统分离研究雪茄外包皮表面细菌多样性及演替

细菌在烟叶发酵过程中起着重要作用,为探索烟叶的发酵机理,采用Illumina miseq高通量测序技术(Highthroughput sequencing,HTS)和传统微生物分离方法,对墨西哥不同发酵时期雪茄外包皮表面细菌群落结构、丰富度及演替进行研究.(1)HTS获得有效序列条数514 641条,包含65个OTUs,主要种属为棒状杆菌属(Corynebacterium)、葡萄球菌属(Staphylococcus)、不动杆菌属(Acinetobacter)、假单胞菌属(Pseudomonas)、芽孢杆菌属(Bacillus)等.HTS结果表明,墨西哥雪茄外包皮表面细菌群落组成丰富,细菌群落结构随发酵进程而变化,优势微生物由棒状杆菌属(44.64%)和假单胞菌属(40.88%)演替为后期的葡萄球菌属(72.78%).α多样性结果表明FJQY-1和FJQY-2样品的细菌群落具有较高的丰富度.β多样性分析发现FJQY-2、FJQY-3和FJQY-4三个样品细菌结构及丰度较为相似.(2)传统分离结果显示,不同发酵时期雪茄外包皮表面细菌主要为芽孢杆菌属(55.10%)和葡萄球菌属(22.45%),与HTS结果比较,单一传统分离方法不能全面反映不同时期雪茄外包皮表面细菌群落结构和演替.本研究表明,在不同发酵时期,雪茄外包皮表面细菌发生着群落演替;HTS测序在揭示微生物群落演替中发挥了重要作用;传统微生物分离鉴定方法不能全面反映微生物多样性及群落演替,但能获得发酵过程中的部分微生物用于后期功能研究.     

添加乙酸对干玉米秸秆与白菜废弃物混贮品质的影响

为促进干秸秆的跨季节贮存及尾菜资源化利用,利用青贮原理将干玉米秸秆与白菜废弃物进行混合贮存发酵,探讨不同添加量乙酸对二者混贮发酵品质的影响,并通过Miseq高通量测序技术解析发酵过程中的微生物多样性.设置ME组(无乙酸添加)为对照组,AA组(添加量0.3%)和AB组(添加量0.6%)为2个乙酸处理组,18±1℃恒温密闭混贮60 d,间隔30 d分析其化学组分、发酵品质及微生物多样性.结果表明,AA组贮存60 d时的干物质、可溶性碳水化合物和粗蛋白含量均显著高于ME组,酸性洗涤纤维和酸性洗涤木质素含量显著下降,半纤维素、纤维素和综纤维素含量显著增加. AB组在30 d和60 d时pH均显著低于ME组,乳酸含量在30 d时显著增加,60 d时显著降低.AA组和AB组中乳酸/乙酸、乳酸/总有机酸及氨氮/总氮值均低于ME组.混贮发酵期间ME组、AA组和AB组的门水平细菌主要为Proteobacteria和Firmicutes,属水平细菌包括Lactobacillus、Paralactobacillus、Enterobacter、Pediococcus、Flavobacterium、Chryseobacterium、Pedobacter、Sphingomonadaceae、Erwinia等,其中Lactobacillus、Paralactobacillus和Enterobacter为优势菌.与ME组相比,AA组和AB组中腐败菌Enterobacter丰度呈下降趋势;2个乙酸处理组的总乳酸菌丰度高于ME组,但乳酸菌多样性较ME组有所减少,主要包括Lactobacillus、Paralactobacillus和Pediococcus等乳酸菌属.总之,干玉米秸秆与白菜废弃物能以适宜比例混贮60 d不变质,尽管添加乙酸后的乳酸发酵强度有所抑制,但低剂量乙酸更有助于保存干物质、可溶性碳水化合物、粗蛋白、综纤维素等有机组分,建议乙酸添加量为0.3%.     

紫外诱变选育高产丁二酮乳酸菌株及其低成本发酵优化

2,3-丁二酮是一种常用的安全食品添加剂,为了提高微生物发酵中菌株的丁二酮产量,从泡菜水样品中分离筛选出一株野生型高产丁二酮菌株,并进行紫外诱变选育以及发酵条件优化.筛选获得高产丁二酮野生型乳酸菌株(1)-2,产量为67.02 mg/L,经16S r DNA分子鉴定为植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum).紫外诱变获得高产丁二酮突变株U13,产量为127.88 mg/L.对突变前后菌株几种丁二酮代谢相关酶酶活变化的比较结果显示,突变株丁二酮产量的提高是因为乳酸脱氢酶减少及乙酰乳酸合成酶增加.正交实验优化突变株U13的最佳丁二酮发酵条件为接种量3%,初始pH 6.6,葡萄糖30 g/L,组合氮源(蛋白胨:酵母粉:牛肉膏=2:1:2)20 g/L,柠檬酸氢二铵3 g/L,乙酸钠2 g/L,吐温-80 1 m L/L,K_2HPO_4 2 g/L,Mg~(2+)2 mmol/L,Mn~(2+)0.7 mmol/L,Cu~(2+)2 mmol/L,温度为37℃.利用廉价碳氮源淀粉及小麦麸皮替代原有碳氮源,淀粉替代率不超过20%、小麦麸皮替代率不超过40%时,丁二酮产量降幅比较低.本研究通过诱变选育和发酵条件优化,提高了菌株丁二酮产量,并通过廉价碳氮源替换降低了成本,可为丁二酮的微生物工业发酵提供参考.     

磺胺二甲嘧啶对沼气发酵过程中酶活性和微生物群落功能多样性的影响

随着畜禽养殖业的发展,兽用抗生素作为饲料添加剂被广泛应用于畜禽养殖,以促进畜禽生长和防病,导致畜禽粪便和抗生素污染总量增加。为了探讨抗生素对沼气发酵过程的影响,以猪粪和玉米秸秆为原料,研究磺胺二甲嘧啶(SMZ)对沼气发酵过程中脲酶、脱氢酶以及微生物群落代谢的影响。结果表明,在沼气发酵初期(3~6 d),20 mg·kg~(-1)SMZ和60 mg·kg~(-1)SMZ处理(T1、T2处理)对脲酶活性有激活作用,随着发酵时间的延长,SMZ对脲酶活性由促进变为抑制作用。120 mg·kg-1SMZ处理(T3处理)对脱氢酶活性表现为先抑制后促进作用。采用Biolog方法分析SMZ对沼气发酵过程中微生物群落功能多样性的影响,结果表明,T2和T3处理对平均颜色变化率(AWCD)具有先抑制后促进作用。对Shannon指数和Simpson指数分析表明,在沼气发酵的启动期(第6天),SMZ能够显著降低微生物群落的功能多样性和物种丰富度;随着沼气发酵时间的延长,在沼气发酵产气下降期(第35天),SMZ增加了微生物群落的功能多样性和物种丰富度。可见,SMZ对猪粪沼气发酵过程中水解酶活性和微生物群落功能多样性的影响较大,在沼气发酵不同时期,SMZ对水解酶活性和微生物群落多样性的影响也不同。     

接种异常毕赤酵母对干玉米秸秆与废弃白菜混贮品质的动态影响及微生物群落结构分析

为提升干玉米秸秆与废弃白菜的混贮品质,研究接种异常毕赤酵母(Pichia anomala)对干玉米秸秆与废弃白菜混贮发酵品质的动态影响.试验设置无添加剂对照组(ME)和微生物处理组(PA),连续恒温贮存发酵170 d,间隔一定时间分析感官质量、有机组分和发酵品质,并利用高通量测序技术考察发酵过程中细菌群落的动态变化.结果显示:与ME组相比,贮存170 d期间PA组中的干物质、粗蛋白、可溶性碳水化合物和乳酸含量显著增加(P 0.05),p H值、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量显著降低(P 0.05),乳酸/乙酸和乳酸/总有机酸比值得到优化.细菌群落结构显示:PA组中门水平优势菌为厚壁菌(Firmicutes)和变形菌(Proteobacteria),属水平优势菌为乳杆菌(Lactobacillus)和类乳杆菌(Paralactobacillu).接种异常毕赤酵母能使肠杆菌(Enterobacter)、假单胞菌(Pseudomonas)和黄杆菌(Flavobacterium)等腐败菌的相对丰度逐步降低,130 d时肠杆菌消失,有益乳酸菌的总丰度始终保持在50%以上.本研究表明接种异常毕赤酵母能改善干玉米秸秆与白菜的混贮发酵品质,使干秸秆能保质贮存近半年时间,结果可为其资源化利用提供原料保障.(图5表5参38)     

16S rDNA克隆文库方法对制药废水处理系统中微生物多样性的研究

采用分子生物学构建16S rDNA克隆文库的方法对制药废水交替流生物反应器内的微生物群落进行了多样性研究,该反应器对CODcr、氨氮、石油类化合物以及多种特殊污染物均有较高的去除效率.代表序列的BLAST比对结果表明微生物群落具有高度多样性,优势菌群为Proteobacteria,占78.6%.微生物群落分属7个不同纲,优势顺序为Alphaproteobacteria (39.8%),Betaproteobacteria(23.5%),Gammaproteobacteria(14.3%),Chlorobil(6.3%),Firmicutes(4.1%),Flavobacteria (1.0%),Deltaproteobacteria(1.0%.使用Vector NTI Suite 6.0软件对50个OTU的代表序列和NCBI基因库中最相近的已知细菌16S rDNA序列绘制系统进化树,表明克隆子与已知菌之间的基因系统进化关系.     

新型己酸菌强化对人工窖泥培养过程中原核微生物群落结构及酸、酯含量的影响

人工窖泥对于浓香型白酒的生产酿造起着至关重要的作用.前期研究中首次分离到能够利用乳酸合成己酸的新型产己酸菌,一种瘤胃梭菌(Clostridium sp. CPC-11,CGMCC No. 9926),该菌属于瘤胃菌科(Ruminococcaceae)中Clostridium cluster Ⅳ的一个新种.在此基础上,通过16S rDNA高通量测序技术(MiSeq)结合有机酸与酯类含量分析研究CPC-11在强化人工窖泥的制作过程中对窖泥微生物群落结构和理化指标的影响.结果显示,经35 d培养,窖泥微生物群落多样性显著降低,表明窖泥中杂菌不断减少,有益菌不断增加.其中,芽孢乳杆菌科(Sporolactobacillaceae)与瘤胃菌科(Ruminococcaceae)成为最主要的优势类群,丰度分别为66.2%和22.8%.窖泥中己酸的含量在前21天不断升高,但在35 d时显著下降(P 0.05);乳酸和乙醇呈不断升高趋势,而乙酸则缓慢下降,丁酸未有显著改变.酯类分析显示,四大酯类(乙酸乙酯、乳酸乙酯、丁酸乙脂和己酸乙酯)积累量均呈不断增加趋势.冗余分析(RDA)结果显示,窖泥中己酸含量与瘤胃梭菌(Clostridium cluster IV)呈正相关,与芽孢乳杆菌呈负相关;乳酸含量与芽孢乳杆菌、乳酸杆菌呈正相关.本研究表明新型己酸菌的强化可以在35 d内使己酸菌的相对丰度保持在22.8%,并显著提高己酸乙酯在窖泥中的累积量,促进窖泥快速成熟;结果可为改进人工窖泥的制作方法和提高人工窖泥的品质提供理论依据.(图5表3参31)     

大庆油田聚合物驱后油藏微生物多样性研究

从大庆油田4个聚合物驱后的采油井中提取总DNA,扩增其16S rDNA片段,克隆到大肠杆菌,然后用ARDRA法对所得的298个克隆中的插入片段进行分析,建立了16S rDNA克隆文库.采用文库库容值(C)、香农-威纳指数(H)和均匀度指数(E)对文库微生物多样性进行了评价.结果表明,4个样品中共得出22个操作分类单元(OUT).其中4个OUT(在整个群落中占78.18%,9个OUT只有一个克隆.对22个OUT的代表克隆序列、GenBank数据库比对和系统发育分析表明,聚驱后油井中的细菌基本属于α变形菌纲(24.83%)、γ变形菌纲(23.49%)、δ变形菌纲(35.56%)和未培养微生物(16.78%).与石油烃降解和产生物表面活性剂相关的假单胞菌(Pseudomonas)和不动杆菌(Acinetobacter),在文库中占的比例分别是17.79%和6.02%.     

枸杞种植废弃物固态发酵生物饲料条件优化及其微生物群落

枸杞种植废弃物（Lycium barbarum planting waste,LBPW）饲料化是其资源化利用的重要方式之一,也是枸杞种植产业可持续发展的重要环节.发酵是饲料化处理枸杞种植废弃物的核心技术,为提高枸杞种植废弃物的发酵品质和饲用价值,开展固态发酵枸杞种植废弃物为生物饲料的条件优化试验,并探索枸杞种植废弃物发酵产物品质与微生物群落结构之间的联系,以期获得枸杞种植废弃物饲料化技术的关键信息.条件优化试验结果显示,固态发酵枸杞种植废弃物的最佳条件为50%的含水量、25℃的发酵温度、比例为15%的枸杞加工废弃物添加量、80 u/g的纤维素酶添加量,且发酵菌株接种量为3%、酵母菌和乳酸菌的体积比例为3:7,发酵周期为20 d.发酵条件优化后,枸杞种植废弃物发酵产物的品质较未优化前显著提升（P <0.05）.微生物群落分析结果显示,枸杞种植废弃物发酵产物的品质与参与发酵的微生物之间存在密切联系：发酵产物品质好,样品中Lactobacillus丰度高而Devosia丰度低;反之发酵产物品质差,样品中Lactobacillus丰度低而Devosia丰度高.此外,发酵产物的品质越好,发...     

数学模型在合成微生物群落构建中的应用

微生物在自然环境中分布广泛、多样性高,作为群落成员发挥着重要的生态系统功能.然而,自然微生物群落的组成和相互作用极其复杂,简单可控的合成微生物群落更易于研究微生物群落多样性与生态系统功能的关系及其相互作用机制等关键微生物生态学问题.将数学模型应用于合成微生物群落是目前合成微生物生态学研究的重要手段,有助于理解微生物群落的动态演替和生态学原理.本文综述构建合成微生物群落的数学模型,分别描述微生物个体、种群和基因组水平构建模型的基本原理和优缺点及其在合成微生物群落构建中的应用最新进展,并讨论集成微生物个体、种群与基因组水平的建模方法,指出通过"设计—构建—分析—学习"的循环能更好地实现数学模型在合成微生物群落构建中的应用,推动合成微生物生态学的研究.同时,介绍合成微生物群落在工业技术、环境修复、人类健康等方面的应用,展望数学模型在合成微生物群落构建中应用的发展方向与应用前景.未来应从完善实验数据和模型算法以及两者更好地结合等方面入手,提高数学模型在微生物群落构建中的预测性、适用性与通用性,并将这些模型应用于合成微生物生态学和微生物组工程,为相关生物技术提供理论指导,促进生物经济的发展.(图1表1参95)     

氯化钠对乳酸合成己酸效能及功能微生物群落的影响

探究己酸功能菌群对NaCl的耐受浓度,以及在不同NaCl浓度条件下的己酸合成效能,为评估餐厨垃圾转化为己酸的潜力提供参考.为探究己酸功能菌群对NaCl的耐受浓度,以及在不同NaCl浓度条件下的己酸合成效能,从而为评估餐厨垃圾转化为己酸的潜力提供参考.通过批式试验研究不同浓度的NaCl(0、2、6、10、20和30 g/L)对以梭菌属第四族(Clostridium Ⅳ)为核心的混合菌群发酵乳酸合成己酸的效能以及群落结构的影响.结果表明,随着NaCl浓度从2-10 g/L的升高,己酸合成效能呈下降趋势,而短链脂肪酸(乙酸、丙酸、丁酸和戊酸)的浓度呈上升趋势;当NaCl浓度达到20g/L时,己酸合成停止,丙酸、丁酸和戊酸成为主要产物;当NaCl浓度达到30g/L时,丙酸成为最主要的产物,细胞浓度和总ATP浓度显著下降.对己酸发酵菌群的多样性分析结果表明,当NaCl浓度提高至10 g/L时,在系统分类的属水平上,与产己酸相关的Clostridium Ⅳ在整个菌群中的相对丰度由47.78%(空白)下降至35.06%(10 g/L),而另一种可能与产己酸相关的菌Pseudoramibacter比例则由0.04%上升至0.17%. NaCl浓度达到30 g/L时,与丙酸合成相关的菌Propionibacterium的相对丰度从0.006%(空白)上升至0.09%.本研究表明,对于乳酸合成己酸系统来说,NaCl是一种不利的影响因素,当NaCl浓度在6 g/L及以下时,己酸菌可以保持其功能,即将乳酸主要转化为己酸;当NaCl浓度提高至10 g/L及以上时,己酸合成受到抑制;结果可为羧酸平台技术应用于餐厨垃圾处理的实际工程提供科学依据和理论支撑.(图6表1参53)     

接种不同乳酸菌对干玉米秸秆与白菜废弃物混贮品质的影响

动态研究植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum,LP)和布氏乳杆菌(Lactoacillus buchneri,LB)对干玉米秸秆与白菜废弃物连续混贮170 d期间品质变化的影响,利用Mi Seq高通量测序平台考察细菌多样性.无添加剂设为对照组(ME组),定期分析感官品质、有机化学组分、发酵品质和细菌多样性.结果表明,与ME组相比,30 d时LB和LP组干物质(DM)含量均显著(P0.05)下降,之后分别于60 d和90 d显著(P0.05)增加,且LB组始终高于LP组.贮存170 d期间LP和LB组中可溶性碳水化合物(WSC)含量显著(P0.05)高于ME组,且LB组始终高于LP组(除130 d).30-90 d期间LP和LB组pH显著(P0.05)低于ME组,且LP组始终低于LB组,LP组乳酸(LA)含量显著(P0.05)增加,氨态氮/总氮(AN/TN)显著(P0.05)降低.130-170 d期间LP和LB组中乳酸/乙酸(LA/AA)和乳酸/总有机酸(LA/TOA)均明显低于ME组,乳酸发酵程度变弱.3个处理组中厚壁菌(Firmicutes)和变形菌(Proteobacteria)为门水平优势类群;乳杆菌(Lactobacillus)始终为属水平优势菌;2种乳酸菌剂均能使肠杆菌(Enterobacter)、假单胞菌(Pseudomonas)和黄杆菌(Flavobacterium)等腐败菌丰度显著(P0.05)降低,130 d时Enterobacter消失.总之,L.plantarum有助于改善混贮中前期(90 d)发酵品质,能有效保存纤维素、半纤维素和综纤维素等能源组分,L.buchneri有利于170 d贮存期间的DM和WSC保存;建议实际生产中根据贮存周期长短来选择适宜的乳酸菌,以便获得最佳贮存品质.     

温度对厨余垃圾高温厌氧消化及微生物群落的影响

使用全混流反应器(CSTR),研究53℃和60℃条件下厨余垃圾的处理效果,同时利用T-RFLP(末端限制性片段长度多态性)以及16S rRNA基因克隆文库的方法,对微生物群落结构进行跟踪解析.结果表明,在温度为53℃、挥发性总固体(VTS)负荷为4 g L-1 d-1时,处理性能稳定,有机酸积累少,产气率约为900 mL/g VTS;当温度升高至60℃时,TOC和有机酸积累,产气率显著下降.微生物群落分析结果表明,当温度从53℃升高至60℃后,细菌群落从以发酵产酸菌群为主转变为以各类发酵菌和有机酸氧化菌为主,产甲烷菌群落中乙酸营养型产甲烷菌比例下降,而氢营养型产甲烷菌比例升高.运行温度从53℃升高至60℃后厌氧处理能力下降的主要原因是乙酸营养型产甲烷菌比例下降,乙酸的消耗需要通过乙酸氧化菌和氢营养型的产甲烷菌的协同作用,产甲烷速率降低,从而导致处理能力下降.图3表3参50