快速木质纤维素分解菌复合系MC1对秸秆的分解能力及稳定性

以天然水稻秸秆为材料研究了快速降解木质纤维素的细菌复合系MC1对木质纤维素的分解能力;并在不同条件保藏、高温处理以及利用变性梯度胶电泳(DGGE)技术研究了复合系的稳定性.结果表明,复合系MC1在50℃液体静止培养条件下8～10d,把培养液2%干重的水稻秸秆完全分解溶化;经过9d的培养,水稻秸秆的总干重减少81%,其中纤维素减少99%,半纤维素减少74%,木质素减少51%.连续继代培养4a、常温干燥保存4a、-20℃冷冻藏4a、培养液直接在室温和4℃保存1a、90℃处理30min仍具旺盛的分解能力并稳定传代.平板培养基培养证明MC1全部由细菌组成,16SrDNA变性梯度胶电泳(DGGE)检测结果,在6个月内主要条带几乎没有变化,说明MC1的菌种组成相当稳定.MC1对纤维素的分解利用具重要前景.     

一组高效稳定纤维素分解菌复合系MC1的筛选及功能

从4种堆肥样品中分别筛选出纤维素分解能力较强的4组混合菌,再以酸碱反应互补的原则重新优化组合并驯化成1组纤维素分解能力非常强而稳定的纤维素分解菌复合系MC1.100mL培养物在50℃静止培养72h,分别可分解0.48g滤纸、0.49g脱脂棉、0.19g麦秆和0.08g锯末.分解滤纸时,第24h CMC糖化力最高,为122.3U·mL^-在初始pH4～10的不同培养基上接种,均能把pH调到中性,最后稳定在8.0～8.5之间.在连续投放滤纸情况下纤维素分解能力稳定保持20d以上,其发酵液的pH在有滤纸时稳定在6.0～6.5之间,没有滤纸时稳定在8.0～8.5之间.     

木质纤维素分解菌复合系WSC-6分解稻秆过程中的产物及pH动态

为了探明WSC-6分解稻秆过程中的代谢特性,本试验以稻杆为唯一碳源,50℃静止培养WSC-6,以一次性添加不同量稻秆和多次连续添加的方式,研究了WSC-6分解稻杆的相对分解率、绝对分解量、分解产物及pH变化特性.结果表明,一次性添加1%稻秆时,pH由初始的7.8迅速下降,第3 d降到6.0后逐渐回升,6 d后稳定在8.0左右,在此过程中DO值保持在0.01～0.12 mg·L-1微好氧条件.以GC-MS法在稻杆分解过程中检测到乙醇、乙酸、乳酸、甘油等10种以上有机物,其中乳酸的含量最高,为7.381 g·L-1.在90 d的实验中,一次性添加不同量稻秆时,随着稻秆量的增加,pH下降得快而低,且回升时间拖后,当稻秆量为5%时pH下降到5.0后不再回升.在多次连续添加稻秆的实验中,隔12d和15d添加的处理pH重复下降和回升的规律性变化,分解活性保持旺盛.90 d后隔15 d添加的处理相对分解率最高,为86.7%;绝对分解量以隔6 d添加的处理最高,为32.4 g.pH变化规律能够反映WSC-6对木质纤维素的分解进程及分解活性.     

一组可抗抗生素干扰的木质纤维素分解菌复合系ADC-6的筛选

以高温期堆肥样为菌源,在含0.025 mg·mL-1四环素的培养基内以秸秆作为唯一碳源,经多代驯化筛选到一组能够分解木质纤维素和抗生素的ADC-6复合系.该复合系能够在6 d内分解四环素0.0194 mg,在14 d内使稻秆减重32%.ADC-6纤维素内切酶酶活、半纤维素酶活、总纤维素酶活在第4 d、2 d和2 d达到最大值分别为15.85 U·mL-1、62.97 U·mL-1和15.56 U·mL-1.用变性梯度凝胶电泳检测驯化过程中菌种的动态变化,并用克隆文库对稳定阶段的菌种多样性分析,发现该菌群中含Bacteroidetes、Sphingobacteriales、Bacillaceae、Clostridiales和Proteobacteria等5个属的微生物,其中,Clostridiales对木质纤维素的转化能力较强,很可能是菌群中分解木质纤维素的关键菌,而Bacteroidetes很可能是分解抗生素的关键菌.     

高效稳定纤维素分解菌复合系WSC-6的稳定性

对筛选到的一组纤维素分解菌复合系WSC-6,通过变性梯度胶电泳(DGGE)方法研究了菌种的组成稳定性.结果表明,在连续继代培养的第74～83代复合系的菌种组成没有变化,非常稳定.多代继代培养过程中各代的pH值变化趋势一致,pH值从发酵开始的8.7下降到纤维素旺盛分解时的6.5以下;随着分解结束,pH值逐渐恢复到发酵开始时的水平并保持稳定,具有较强的自我调节能力.多代继代培养后复合系各代的滤纸纤维素分解率和CMC糖化差异很小;在发酵液起始pH4～10的范围内,复合系对pH值具有缓冲能力,并正常分解纤维素;经过70～100℃高温处理10min后再转接的复合系对纤维素仍然具有分解能力,功能稳定.     

堆肥中高效降解纤维素林丹复合菌系的构建及功能

以4种高温期的堆肥样品为材料,经2种筛选方法、多代淘汰及其不同系之间优化组合,最后筛选驯化出一组能有效降解纤维素和林丹的复合微生物菌系.该复合系对滤纸、脱脂棉、稻秸粉和锯末等不同纤维素材料均有较强分解能力,相比之下对天然纤维素含量高的碳源(如滤纸、脱脂棉)分解活性更高.两者的CMC糖化活性在第5d都达到40U以上,分解率达到95%以上.该复合菌系能在较大的pH范围内保持高的纤维素林丹分解活性,在pH为7.0、8.0、9.0条件下林丹降解率均较高,达到45%以上,而纤维素分解率也都在90%以上.而且在pH6～9之间的培养条件下,林丹降解与滤纸分解之间有很好的一致性.     

纤维素降解复合菌系的微生物多样性及关键功能菌解析

为分析纤维素降解复合菌系中微生物多样性及关键功能菌,本研究通过梯度稀释法观察不同梯度下滤纸降解及酶活变化情况,确定复合菌系实现滤纸有效降解的临界点为10-5;在此基础上结合高通量测序技术对不同稀释度下的稀释液进行测序.研究结果表明,具有降解能力的稀释液(稀释度≤10-5)与无降解能力的稀释液(稀释度10-5)微生物组成差异显著.从门水平热图看,Firmicutes和Proteobacteria为复合菌系的优势菌门;在属水平上,复合菌系中协同降解纤维素的菌株主要属于Clostridium、Petrobacter、Defluviitalea等属,Clostridium属在有降解能力(稀释度≤10-5)的稀释液中丰度较高,而随着稀释度的增大,在无降解能力(稀释度10-5)的稀释液中几乎消失.经分析判断梭菌属Clostridium是纤维素降解复合菌系的关键功能属,它们与Petrobacter、Defluviitalea等菌属协同作用从而实现纤维素的高效降解.     

纤维素降解复合菌系中纤维结合蛋白的分离及鉴定

采用亲和消化法分离纯化了纤维素降解复合菌系中的纤维素结合蛋白,纯化后的纤维结合蛋白液经SDS-PAGE(聚丙烯酰氨凝胶电泳)后得到13条条带(命名为CBP1~13),通过对其进行酶谱分析,发现低分子量的蛋白主要表现CMC(羧甲基纤维素钠)酶活性,而高分子量(66~200 k Da)的蛋白兼有CMC酶和木聚糖酶的活性,其中纤维结合蛋白CBP6表现出的木聚糖酶和CMC酶活性最强.这些条带经质谱鉴定后被确定由8种蛋白组成,除CBP4为Paenibacillus sp.分泌的木聚糖酶5外,其余的蛋白均由C.clariflavum DSM 19732所产生,其中CBP1~3为β-1,4木聚糖酶,CBP5,6为碳水化合物结合蛋白,CBP7~9,11,12为锚定蛋白,CBP10和CBP13为未知蛋白.通过结构域预测,发现除纤维结合蛋白CBP13外所有的蛋白均具有一种催化结构域,分别隶属于第8、9、10及48家族的糖苷水解酶,而部分蛋白(CBP1,2,4~6)还具有碳水化合物结构域或者锚定蛋白结构域(CBP5~12).     

天然秸秆纤维素分解菌的分离选育

从土壤、酒糟、腐烂的玉米秸秆及牛粪中共分离到14株能分解纤维素的真菌菌株,外加已保藏的10株共24株菌株。分别对其进行了滤纸分解度、羧甲基纤维素(CMC)酶活和天然纤维素酶活的测定。筛选出6株对天然纤维素有较强的降解能力,酶活力在60mg/mL.d以上的菌株。通过改变其培养基中天然纤维素的含量,发现随着培养基中天然纤维素含量的减少,酶活力也随之降低。     

纤维素分解菌和EM菌协同作用在有机废弃物堆肥中的应用

从堆肥、马粪、果园土、污泥等原料筛选出活性较高的纤维素分解菌，采用紫外诱变技术培育优良菌株。利用培育的纤维素分解菌、EM菌及两者的混合菌种作堆肥对比试验，通过对比堆肥过程中温度、微生物数量、出口气体浓度，证明堆料中接种微生物菌剂，可以提高有益微生物的群体数目和质量，使微生物群落之间相互协调，形成复杂而稳定的生态系统，从而增强微生物的降解活性，使堆肥温度迅速升高并维持较长的时间，提高堆肥效率。     

Degradation of corn stalk by the composite microbial system of MC1

The composite microbial system of MC1 was used to degrade corn stalk in order to determine properties of the degraded products as well as bacterial composition of MC1. Results indicated that the pH of the fermentation broth was typical of lignocellulose degradation by MC1, decreasing in the early phase and increasing in later stages of the degradation. The microbial biomass peaked on the day 3 after degradation. The MC1 efficiently degraded the corn stalk by nearly 70% during which its cellulose content decreased by 71.2%, hemicellulose by 76.5% and lignin by 24.6%. The content of water-soluble carbohydrates （WSC） in the fermentation broth increased progressively during the first three days, and decreased thereafter, suggesting an accumulation of WSC in the early phase of the degradation process. Total levels of various volatile products peaked in the third day after degradation, and 7 types of volatile products were detected in the fermentation broth. These were ethanol, acetic acid, 1,2-ethanediol, propanoic acid, butanoic acid, 3- methyl-butanoic acid and glycerine. Six major compounds were quantitatively analysed and the contents of each compound were ethanol （0.584 g/L）, acetic acid （0.735 g/L）, 1,2-ethanediol （0.772 g/L）, propanoic acid （0.026 g/L）, butanoic acid （0.018 g/L） and glycerine （4.203 g/L）. Characterization of bacterial cells collected from the culture solution, based on 16S rDNA PCR-DGGE analysis of DNAs, showed that the composition of bacterial community in MC1 coincided basically with observations from previous studies. This indicated that the structure of MC1 is very stable during degradation of different lignocellulose materials.     

Process of rice straw degradation and dynamic trend of pH by the microbial community MC1

The process of the rice straw degradation in the fermentor with aeration at 290 ml/h was studied. The results of dissolved oxygen （DO） indicated that the optimum DO during cellulose degradation by microbial community MC1 ranged from 0.01 to 0.12 mg/L. The change model ofpH values was as follows： irrespective of the initial pH of the medium, pH values decreased rapidly to approximate 6.0 after being inoculated within 48 h when cellulose was strongly degraded, and then increased slowly to 8.0--9.0 until cellulose was degraded completely. During the degradation process, 15 kinds of organic compounds were checked out by GC-MS. Most of them were organic acids. Quantity analysis was carried out, and the maximum content compound was ethyl acetate which reached 13.56 g/L on the day 4. The cellulose degradation quantity and ratio analyses showed that less quantity （under batch fermentation conditions） and longer interval （under semi-fermentation conditions） of rice straw added to fermentation system were contributed to matching the change model of pH, and increasing the quantity and ratio of rice straw degradation during cellulose degrading process. The highest degradation ratio was observed under the condition office straw added one time every five days （under semi-fermentation conditions）.     

微生物法降解药渣中残留四环素的试验研究

发酵法生产四环素过程中会产出大量废弃药渣,其中含有丰富的营养物质,但同时也残留一定量未提取完的四环素,从而限制其资源化利用。研究筛选到一株对药渣中残留四环具有高效降解作用的优势菌株,经16S rDNA鉴定为无丙二酸柠檬酸杆菌(Citrobacteramalonaticus)。该菌株在35℃、初始pH 5.5、装液量为50 mL、接种量为5%、转速为150 r/min条件下,处理四环素药渣72 h,药渣中残留四环素的降解率为86.1%。     

高效稳定纤维素分解混合菌群的筛选及分解特性研究

以高纤维素素含量的土壤为筛选源,利用定向筛选技术,经过多代淘汰,最终筛选出一组木质纤维素分解混合菌群P-C。混合菌群的生长曲线没有明显的分界线,在培养4至5天时,出现了短暂的平稳期,在培养第7天时出现峰值,此时混合菌群的纤维素酶活最高。以天然纤维素为产酶碳源时,混合菌群纤维素酶活明显高于以人工纤维素为产酶碳源时的酶活,以秸秆为碳源时的纤维素酶活是以滤纸为碳源时的1.5倍。混合菌群纤维素酶的最适pH是6,最适酶促反应温度是45℃,但在35℃-40℃时也具有较高酶活。pH=6,糖化48 h时,发酵液糖浓度最高。     

再生纤维素膜的微生物降解

采用田间掩埋、平皿培养和ＣＯ２释放试验分别测试了再生纤维素膜的生物降解性。试验结果表明：膜的失重随掩埋时间而增加;不同试验菌株对膜有不贩降解活性,其顺序为木霉Ｔ－３１１〉黑曲霉Ａ－３０５〉青霉Ｐ－３０７;掩埋或用菌株Ｔ－３１１接种４２ｄ后,膜的生物降解率可超过７０％;在膜的微生物降解过程中,失重、菌株在膜表面的可见生长和ＣＯ２释放分别是膜不同降解程度的表征,彼此既相关又有区别。     

高效木薯渣分解复合菌群RXS的构建及其发酵特性研究

从富含腐烂纤维质的环境中取样,通过以木薯渣及滤纸为碳源的蛋白胨纤维素培养基不断地富集培养,构建了一组高效稳定的纤维质分解复合菌群.考察了该复合菌群对不同纤维质底物的分解性能及其在木薯渣水解过程中主要参数的变化.研究发现该复合菌群对滤纸、脱脂棉、微晶纤维素、麦秸秆和木薯渣等原料均能够进行有效的降解.在该复合菌群应用于木薯渣的水解过程中,监测发现纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶等关键酶的酶活力分别在第2～3 d达到最大值34.4、90.5和15.8U;经过10 d的发酵后,木薯渣中的纤维素、半纤维素及木质素分别降解了79.8%、85.9%和19.4%,且木薯渣的失重高达61.5%;此外,代谢产物主要是乙酸、丁酸、己酸和甘油;而溶解性COD、总糖和总挥发酸的变化表明第2 d时木薯渣的水解率最高.上述结果表明,该复合菌群能够有效地水解木薯燃料酒精生产过程中的废弃物木薯渣,并有望用于木薯渣高效沼气发酵的前处理中.