嗜碱细菌降解木质素的复合碳源共代谢研究Ⅱ—营养条件调控机制的研究

文章研究了在蔗糖（第一碳源）＋麦草木质素（第二碳源）的复合碳源组合方式培养条件下,嗜碱木质素降解菌降解木质素的降解率及营养条件调控机制对其的影响。结果表明,蔗糖初始浓度为1g/L,添加0．3％的T－80和0.5mmol/L的ABTS并静置培养对菌株的产酶及降解能力有较大的促进作用。     

麦草畏降解菌株Sphingobium sp.Dca-5的分离、鉴定及降解特性

麦草畏是一种广谱高效除草剂,随着抗麦草畏转基因作物的推广和使用,麦草畏的使用量急剧增加.为研究麦草畏的微生物降解机制,发掘新的麦草畏高效降解菌株和基因资源,从农药厂排污口土壤中筛选到一株以麦草畏为唯一碳源生长的鞘酯菌属(Sphingobium sp.)细菌Dca-5.该菌株48 h内完全矿化2.0 mmol/L的麦草畏,并检测到代谢产物3,6-二氯水杨酸,表明该菌株通过脱甲基起始麦草畏降解.Dca-5粗酶液在添加NADH时具有麦草畏脱甲基酶活性,但加入细胞色素P450抑制剂1-氨基苯并三唑、增效醚或马拉硫磷后酶活受到显著抑制.在Dca-5基因组中找到两个3,6-二氯水杨酸降解基因簇但未发现DMO和dmt同源基因.结果表明菌株Dca-5中的麦草畏脱甲基酶是一个新的细胞色素P450类单加氧酶.本研究为阐明麦草畏的微生物降解代谢机制,获得新的麦草畏脱甲基酶基因提供了菌株材料和理论依据;并且Sphingobium sp. Dca-5能快速矿化麦草畏,在麦草畏污染土壤的微生物修复方面具有良好的应用前景.(图8表1参27)     

一组高效木质素降解复合菌的筛选

木质素的有效降解是秸秆等农业废物减量化及资源化利用的难点.采用连续驯化培养的方法,从农业废物堆肥过程升温、降温和腐熟3个阶段的微生物菌群中分别筛选驯化出3组具有木质素降解能力的复合菌MC1、MC2和MC3.通过初筛和复筛实验,筛选出一组性能稳定并具有高效木质素降解能力的复合菌,并对其继代培养的稳定性进行了验证.结果表明,从堆肥升温阶段筛选出的复合菌MC1的木质素降解能力最强.在37℃静置条件下液态发酵培养14d,d6时复合菌MC1各酶活值均达到最大,其中木质素过氧化物酶酶活为258.37UL-1,锰过氧化物酶酶活486.39UL-1,漆酶酶活为49.25UL-1;d14时木质素降解率达到36.25%.继代培养实验结果表明复合菌MC1具有较好的稳定性.图2表1参19     

Streptomyces venezuelae GY1产聚乙烯醇降解酶的培养条件

放线菌StreptomycesvenezuelaeGY1产生的聚乙烯醇(PVA)降解酶是一种诱导酶.以4种不同类型的PVA为唯一碳源时,该菌株单位质量细胞产酶能力比以糖类物质为唯一碳源时提高10倍以上.聚合度和醇解度最高的PVA1799是该菌株产生PVA降解酶的适宜底物,其浓度为1gL-1时,PVA降解酶的产量为120u/g(细胞).培养基中PVA1799浓度由1gL-1上升到5gL-1时,该菌株单位质量细胞产酶能力下降73%,表明PVA1799浓度过高会抑制产酶.GY1菌株产酶的最适温度和pH分别为30℃和7.0.在GY1菌株生长过程中控制以下条件有利于产生PVA降解酶:(1)保持培养体系中较高的溶氧水平;(2)在氮源中补充NO-3;(3)在一定浓度范围内添加MgSO4·7H2O、CaCl2、MnSO4、BaCl2、ZnSO4、FeSO4·7H2O和CuSO4等金属盐.Pseudomonassp.产生的PVA降解酶能够作用伯醇或仲醇类化合物,以这些伯醇或仲醇类化合物代替培养基中的PVA,不能诱导GY1菌株产生PVA降解酶;而在培养基中有PVA存在时,再添加0.5gL-1的3戊醇和环己醇能够明显促进PVA降解酶的产生(单位质量细胞产酶能力分别提高了21%和32%).图8表1参10     

产聚乙烯醇降解酶的培养条件

放线菌StreptomycesvenezuelaeGY1产生的聚乙烯醇(PVA)降解酶是一种诱导酶.以4种不同类型的PVA为唯一碳源时,该菌株单位质量细胞产酶能力比以糖类物质为唯一碳源时提高10倍以上.聚合度和醇解度最高的PVA1799是该菌株产生PVA降解酶的适宜底物,其浓度为1gL-1时,PVA降解酶的产量为120u/g(细胞).培养基中PVA1799浓度由1gL-1上升到5gL-1时,该菌株单位质量细胞产酶能力下降73%,表明PVA1799浓度过高会抑制产酶.GY1菌株产酶的最适温度和pH分别为30℃和7.0.在GY1菌株生长过程中控制以下条件有利于产生PVA降解酶:(1)保持培养体系中较高的溶氧水平;(2)在氮源中补充NO-3;(3)在一定浓度范围内添加MgSO4·7H2O、CaCl2、MnSO4、BaCl2、ZnSO4、FeSO4·7H2O和CuSO4等金属盐.Pseudomonassp.产生的PVA降解酶能够作用伯醇或仲醇类化合物,以这些伯醇或仲醇类化合物代替培养基中的PVA,不能诱导GY1菌株产生PVA降解酶;而在培养基中有PVA存在时,再添加0.5gL-1的3戊醇和环己醇能够明显促进PVA降解酶的产生(单位质量细胞产酶能力分别提高了21%和32%).图8表1参10     

基于木质素生物降解的堆肥化接种剂开发

选取由农林废物堆肥中筛选出的木质素降解优势土著微生物枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、铜绿假单孢菌(Pseudomonas aeruginosa)、黑曲霉(Aspergillus niger)、简青霉(Penicillium simplicissim)、栗褐链霉菌(Streptomyces badius),依据PLFA-PLS定量分析所得堆肥化2次发酵期有效的木质素降解微生物群落组成比例混合接种至稻草基质发酵瓶中,做1组L9(34)正交试验以优化混合比例,期望开发1种基于木质素降解的高效堆肥化接种剂.试验结果表明:混合菌剂具有较强的木质素降解能力,其对木质素的降解是木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶、漆酶、纤维素酶和半纤维素酶共同作用的结果;当按照个数比细菌∶放线菌∶真菌为85∶5∶ 10,枯草芽孢杆菌∶铜绿假单孢菌为55∶25,黑曲霉∶简青霉为2∶1配比时,木质素、纤维素、半纤维素降解率最高,分别达到22.13%,48.97%和55.93%;在不灭菌前提下,按此配比接入菌剂,其木质素、纤维素、半纤维素降解率分别比不接菌剂发酵稻草提高19.16,38.25和46.30百分点.     

白腐真菌降解五氯酚的初步研究

研究了白腐真菌黄孢原毛平革菌在不同营养条件下对五氯酚的降解.采用土豆葡萄糖液体培养基,接种后第2天投加PCP,在胞外木质素降解酶活性极低的真菌反应体系中,五氯酚能够有效降解,4d内10mg·1-1五氯酚降解率达到98%;采用高氮培养基,接种后第6天投加五氯酚,在胞外木质素酶含量极低的真菌反应体系和不含胞外酶的菌丝体反应体系中,五氯酚均能有效降解,1d内降解率分别达到56%和22%;采用低氮培养基,接种后第6天投加五氯酚,在胞外木质素酶含量较高的真菌反应体系、胞外酶液反应体系和不含胞外酶的菌丝体反应体系中,五氯酚均能有效降解,1d内降解率分别达到86%,17%和46%.结果表明,黄孢原毛平革菌在非木质素降解条件下,依赖胞内酶能有效地降解PCP;在木质素降解条件下依赖胞外木质素降解酶和胞内酶降解五氯酚,降解效率高于非木质素降解条件.     

厌氧纤维素降解产氢复合菌系L-3研究

从厌氧发酵污泥中筛选到一组高效、传代稳定的厌氧纤维素降解复合菌系L-3.该复合菌系的内切葡聚糖酶活(Cx)、滤纸酶活(FPA)、外切葡聚糖酶活(C1)、β-葡聚糖苷酶活(β-glucodase)分别为0.216、0.101、0.132、0.002U/mL;该复合菌系可使滤纸在42h内溃烂,并能在降解纤维素的同时产生氢气,气体中氢气含量最高可达70.2%,d13时滤纸失重率为70.6%.DGGE结果表明,该复合菌系主要由14种菌组成.在所选实验条件内,该复合菌系产纤维素降解酶的最适条件为:最佳碳源为滤纸,最佳氮源为硫酸铵,温度36℃,pH6.5～7.0,接种量5%.     

不同类型外加碳源对制药污泥堆肥过程中青霉素降解的影响

以制药污泥为研究对象,采用葡萄糖、蔗糖、玉米秸秆粉及其混合物作为外加碳源,研究不同类型的外加碳源对堆肥系统一次发酵周期内温度、有机质等理化参数变化及青霉素的降解情况的影响.结果表明,堆体中有机质含量与外加碳源的量呈正比,堆体中有机质的质量分数随堆肥时间不断下降且趋于稳定.温度是青霉素降解的主要影响因素.外加碳源增加了堆体溶解性有机质质量分数,生物可利用碳源的增加促进了堆肥过程中微生物的转化作用,并有助于提高堆肥过程温度.在堆肥周期内外加碳源可以提高青霉素的降解速率(15 d内对照组青霉素降解率为94.44%,其他组均大于95%),且外加蔗糖与玉米秸秆粉的混合碳源处理组青霉素降解速率最快(15 d内降解率可达到99.08%).堆肥过程中升温阶段(中温阶段和高温阶段)青霉素含量与温度呈负相关(P0.01),与溶解性有机碳呈正相关(P0.01).15 d内所有处理组青霉素降解率均可以达到90%以上.     

一株产木聚糖酶嗜热真菌樟绒枝霉的鉴定及其产纤维质降解酶系分析

对分离得到的一株产耐热木聚糖酶的真菌CAU521进行鉴定,并对其产纤维质降解酶系进行研究.通过菌落形态、显微镜产孢结构以及18S rDNA序列同源性比对等分析,鉴定该菌为樟绒枝霉(Malbranchea cinnamomea),其最适生长温度为45℃,为一株嗜热真菌.该菌能以农业废弃物玉米芯为碳源液体发酵产耐热木聚糖酶,50℃下培养7 d,木聚糖酶的最高酶活力达到173 U/mL.SDS-PAGE和酶谱分析表明该菌株能同时分泌多种纤维质降解酶:4种木聚糖酶、2种纤维素酶、3种葡聚糖酶和1种甘露聚糖酶.结果表明樟绒枝霉CAU521在降解和利用纤维质材料方面具有潜在的应用价值.     

汽爆麦草固态发酵木质素酶

木质素是地球上主要的可再生芳香族化合物 ,是地球上仅次于纤维素的第二丰富可再生天然资源 ,然而 ,对它的利用研究却很少 ,是天然高分子中未开发的领城[1] .80年代初发现了木质素过氧化物酶 (ＬｉＰ) [2 ,3] 和锰过氧化物酶 (ＭｎＰ) [4 ] 以后 ,木质素酶和木质素生物降解研究取得了一定进展 .但木质素微生物转化降解研究中仍存在许多问题 .( 1)由于木质素酶解是一种非专一性的、以自由基为基础的链反应过程[5] .因此 ,木质素酶在化学工业、煤化学和环境保护方面具有很大的开发前景 .而现在木质素酶的生产大多用合成培养基 ,必需添加昂贵的…     

不同配方培养料生产双孢蘑菇过程中主要木质纤维素降解酶及物料组分的变化

为探讨双孢蘑菇生产过程木质纤维素的利用情况,以麦草秸秆、玉米秸秆和杂草秸秆为主料的3种不同配方的培养料为研究材料,分别测定各配方培养料不同时期主要胞外木质纤维素降解酶活性和木质纤维素组分(纤维素、半纤维素和木质素)的相对含量,并统计各配方产量.结果显示,麦草配方(FWS)的纤维素酶总活性和木聚糖酶活性不断升高,出菇期达到稳定;玉米秸秆配方和杂草配方堆肥期的纤维素酶总活性保持在1 U/g左右,发菌期大幅升高,出菇期先稳定后下降,木聚糖酶活性始终保持在7.97-23.85 U/g之间;3个配方的漆酶活性在堆肥期未检测到,发菌期升至最高,出菇期快速降低.3个配方堆肥期纤维素和半纤维素的相对含量明显下降,木质素相对含量则几乎不变.发菌及出菇期木质素与半纤维素的相对含量较纤维素的下降明显.3个配方双孢蘑菇的产量关系为麦草配方(30.00 kg/m~2)玉米秸秆配方(17.21 kg/m~2)杂草配方(16.67 kg/m~2).本研究表明堆肥期主要为堆肥微生物及物理化学作用降解纤维素和半纤维素,发菌期则主要是双孢蘑菇菌丝利用木质素;从播种至三潮菇清床,双孢蘑菇菌丝主要利用木质素和半纤维素;本研究中麦草配方是栽培双孢蘑菇的最佳培养料,而玉米秸秆配方和杂草配方有待进一步优化.     

不同碳源培养条件下假丝酵母菌产槐糖脂的结构及性能

采用不同碳源,如油酸、菜籽油、棉籽油和煎炸废油作为假丝酵母菌(Candida.bombicola)ATCC 22214发酵生产槐糖脂的脂溶性碳源,考察了在不同碳源条件下该菌株合成槐糖脂的能力、所产槐糖脂的结构及表面活性特点.结果表明,以油酸、菜籽油及棉籽油为脂溶性碳源时,该菌株有着较高的槐糖脂产量,分别为101、73、51 g·L-1;通过高效液相色谱-高分辨质谱(HPLC-MS/MS)对以不同脂溶性碳源为发酵底物产生的槐糖脂进行分析,发现所产槐糖脂均由乙酰基取代的内酯型和酸型槐糖脂同系物构成且以内酯型槐糖脂结构为主.槐糖内酯中脂肪酸基的结构有所差异,但主要以脂肪链不饱和度为1的十八烯酸(C18∶1)结构为主.所产槐糖脂具有较低的表面张力和临界胶束浓度(CMC),其中最低表面张力结果一致约36.0—37.0 m N·m-1,而CMC有所差异.同时,该槐糖脂具有良好的稳定性,其水溶液的最低表面张力在100℃下保持2 h基本不变,在0—20%的Na Cl盐溶液及p H值为2—10范围内均保持良好的表面活性.     

麦草畏降解菌株Ochrobactrum sp.3-3的分离鉴定及其降解特性

麦草畏是理想的抗除草剂转基因工程的靶标除草剂;发掘新的麦草畏高效降解菌株和基因具有非常重要的理论和应用价值.从南京土壤样品中分离到一株麦草畏高效降解菌株,命名为3-3.根据生理生化特征和16S r DNA序列相似性分析,将其初步鉴定为苍白杆菌属(Ochrobactrum sp.).菌株3-3在48 h内完全降解100 mg/L的麦草畏.该菌株降解麦草畏的最适温度为30℃,最适p H为7.0.代谢产物高效液相和质谱鉴定结果表明该菌株降解麦草畏的起始步骤是脱甲基,形成没有除草活性的3,6-二氯水杨酸(DCSA).菌株粗酶液只在NADH存在时才有麦草畏脱甲基酶活性.PCR扩增和该菌基因组生物信息学分析表明该菌株没有已报道的麦草畏脱甲基酶基因DMO、Mtv及Dmt或其同源序列.总之,本研究首次分离筛选到苍白杆菌属的麦草畏降解菌,且该菌可能存在一个新的氧化酶类麦草畏脱甲基酶基因.     

一株能产生聚乙烯醇降解酶的委内瑞拉链霉菌

以聚乙烯醇(PVA)为唯一碳源,从土壤中筛选到1株能产生胞外PVA降解酶的放线菌GY1.根据扩增出的该菌株的16SrDNA全序列在GenBank中的比较结果,结合生理生化实验、细胞化学成分及菌落形态分析,确定该菌为委内瑞拉链霉菌(Stretopmycesvenezuelae).GY1菌株以PVA为唯一碳源时,产生的PVA降解酶活性达到120UL-1,是以葡萄糖或可溶性淀粉为唯一碳源时的10倍.当在PVA培养基中添加1gL-1至3gL-1的葡萄糖时,该菌株细胞量和PVA降解酶总酶活随着葡萄糖添加量的增加而增加,最大细胞量是未添加葡萄糖时的2.4倍,最高总酶活是未添加葡萄糖时的2.6倍,而单位质量细胞产生PVA降解酶的能力提高不大.但当添加的葡萄糖浓度从3gL-1增至10gL-1时,总酶活随着细胞量的增加出现下降趋势,同时单位质量细胞产生PVA降解酶的能力也大大降低.在相同PVA聚合度下,高醇解度PVA比低醇解度PVA更有利于GY1菌株的生长及产生PVA降解酶.图5表1参16     

一种白腐真菌的分离、鉴定、培养及产漆酶条件

白腐真菌是一类降解木质素使木材形成白色腐朽的担子菌,往往具有高产胞外漆酶的活性.从北京农学院校园内分离到一株高温型、高产漆酶白腐真菌菌株,编号为BUA-01.结合形态学特征与ITS序列分析,确定其分类学地位;进一步研究其菌丝生长的最适碳源、氮源、碳氮比(C/N)、生长因子、最适温度和最适p H值;利用不同浓度Cu~(2+)(Cu SO4)的诱导,探讨液体发酵条件下对胞外漆酶产量的影响;通过向发酵液中加入3种偶氮染料(依文思蓝、甲基橙和铬黑T),研究菌株对染料的降解效果.结果表明,该菌株与毛栓菌(Trametes hirsuta)的同源性最高,为100%,遗传距离为0,确定BUA-01菌株为栓菌属(Trametes)真菌.菌丝体生长的最适碳源为淀粉,最适氮源为黄豆粉、酵母浸粉,最适C/N值为40/1和10/1,最适温度为37℃,最适p H为6.0-7.0,供试生长因子对菌丝生长无显著促进作用.0.25m mol/L的Cu~(2+)对胞外漆酶产量有极显著的促进作用,在96 h时,发酵液的活性达到最高,为1081.33±6.3 U/m L,是对照组的26倍.BUA-01菌株对偶氮染料降解效果显著,12 h对依文思蓝、甲基橙和铬黑T的脱色率分别为93.31%±0.16%、92.37%±0.42%和79.25%±0.64%.本研究表明菌株BUA-01在产胞外漆酶和染料降解方面具有潜在应用价值.     

一株槭射脉革菌MY51的分离鉴定及对染料的脱色能力

通过对兔眼蓝莓叶片组织中分离得到的内生真菌MY51进行鉴定和产木质素降解酶活性检测,探讨该菌株对染料的脱色能力.通过形态学和分子生物学分类法对菌株MY51进行鉴定;对菌株MY51所产3种木质素降解酶酶活曲线进行测定;利用菌株MY51对固体条件下8种染料进行脱色能力的检测,筛选出较易脱色的染料后,以脱色效果较好的染料模拟污水染料,研究菌株MY51在静态条件下对不同浓度固体染料的脱色能力.结果表明,菌株MY51为白腐真菌——槭射脉革菌(Phlebia acerina),该菌株可以产木质素过氧化物酶、漆酶和锰过氧化物酶等木质素降解酶;且木质素过氧化物酶和锰过氧化物酶活性均在培养第8天达到最大值,分别为11.05、1.21 U/L;漆酶活性在第10天达到最大值18.52U/L;菌株MY51对不同的染料均有脱色效果,对活性红和活性黑的脱色效果最显著;但染料浓度较高时会对菌株MY51的脱色产生一定抑制作用,脱色15 d后,MY51对质量浓度为10、50、100、250和500 mg/L活性红脱色率分别为98.2%、94.5%、87.8%、88.3%和85.6%;对质量浓度为10、50、100、250和500mg/L的活性黑脱色率分别为98%、93%、83.3%、74.5%和65.5%.本研究表明菌株MY51对活性染料具有较好脱色能力,在染料废水处理领域具有一定的应用前景.(图10参31)     

木质素降解真菌的筛选及产酶特性

通过定性、定量系列实验从土壤中筛选到5株有木质素降解能力的低等真菌，经鉴定属于青霉属、镰刀霉属、曲霉属和木霉属，其中青霉属和镰刀霉属是土壤中木质素转化的主要作用者．降解能力最强的简青霉Penicillium simflitcissimum H5培养13d可降解Kraft木质素40．26％，产酶研究发现，该菌分泌胞外木质素过氧化物酶和漆酶，其中前者主要在培养前期产生，后者在整个培养过程中均有较好的活性．图4表1参14.     

甲基一六五降解菌J5的分离及其降解性状研究

从农药厂污水处理系统中分离到1株降解甲基一六五(O,O-二甲基-O-对硝基苯基-硫代磷酸酯,简称MP)的芽胞杆菌,初步鉴定为蜡状芽胞杆菌(Bacilluscereus)J5.J5能够高效降解MP,但它不能利用MP作为唯一碳源生长,其代谢方式可能为共代谢.在有葡萄糖作为碳源的条件下,J5可以高效转化MP,其转化效率可达95%以上.用薄层层析、紫外扫描和液相色谱法初步研究了J5对MP的降解性能及相关降解产物.     

消落带土壤黑碳降解过程中真菌群落结构及酶活特征

黑碳是生物质或化石燃料不完全燃烧或岩石风化形成的一种富含芳香族基团的产物,普遍存在于环境中,在全球碳循环中占有重要的位置。早期黑碳被认为是不可降解的,近年来许多证据表明黑碳是可降解的。腐生真菌降解是其降解的重要途径,该过程需要木质素降解酶的参与。然而,目前对降解黑碳的真菌群落结构和酶的种类和活性认识十分有限。选取消落带的典型土壤为研究对象,采用18S r DNA基因测序法,解析了消落带土壤黑碳降解过程中真菌群落结构,测定了木质素降解酶活性。结果表明,(1)该区土壤真菌以子囊菌(Ascomycota)和担子菌(Basidiomycota)为主。其中子囊菌以粪壳菌纲(Sordariomycetes)为优势类群,其次为散囊菌纲(Eurotiomycetes)、座囊菌纲(Dothideomycetes);担子菌以伞菌纲(Agaricomycetes)为优势类群。(2)木质素过氧化物酶(Li P)、锰过氧化物酶(Mn P)和漆酶(Lac)在该区土壤中均有不同程度检出,与Li P和Lac相比,Mn P活性相对较低。同时明确了研究消落带土壤黑碳降解应从水分对降解过程的影响和机制入手,并重视环境效应。该研究可为深入研究黑碳的生物地球化学循环提供重要依据。