土白蚁属白蚁(Odontotermes)肠道细菌多样性及其降解木质纤维素的功能研究

摘要

对化石能源的严重依赖而导致一系列的环境与能源问题已成为亟待解决的全球性问题之一，高效利用以木质纤维素为代表的生物质资源，是实现环境与能源可持续发展的重要突破口。但由于木质纤维素结构复杂，降解利用难度大，工业规模上高效转化成本高，限制了生物能源的发展。白蚁及其肠道微生物共生系统因具有独特、高效降解转化木质纤维素的能力，引起了各领域科研人员的广泛关注。土白蚁属白蚁（Odontotermes）是我国南方常见的一类高等培菌白蚁，占据整个培菌白蚁种群的一半以上，它与真菌以及肠道细菌组成三重共生关系，该体系几乎可以完全降解利用木质纤维素成分而备受关注。土白蚁属白蚁的共生真菌在木质纤维素特别是木质素的降解方面发挥重要作用。近年来，已有研究从培菌白蚁肠道细菌群落中发现大量的纤维素和半纤维素酶基因，表明其肠道细菌同样在木质纤维素降解中发挥重要作用，并逐渐成为研究热点。但目前我们对土白蚁属白蚁肠道细菌的多样性及其降解木质纤维素的功能还缺乏系统而深入的认识。
　　本文以西双版纳地区长颚土白蚁(Odonotermes longgignathus)、黑翅土白蚁(Odonotermes formosanus)以及Odonotermes sp. YN14这三种土白蚁为研究对象，通过高通量测序的技术，解析土白蚁属白蚁肠道共生细菌的组成及多样性；通过体外培养的方法，发掘白蚁肠道中木质纤维素降解类细菌资源，并对其产酶能力进行定性定量分析；挑选产酶能力较突出的菌株，进一步进行产酶条件优化，并对其应用前景进行了初步探讨。本研究的主要结果归纳如下：
　　（1）通过16s rRNA高通量测序的手段，成功解析了西双版纳地区长颚土白蚁、黑翅土白蚁、土白蚁YN14中肠道共生细菌的组成与多样性。研究发现，三种白蚁肠道细菌丰度最高的均为拟杆菌门（Bacteroidetes）、厚壁菌门（Firmicutes）以及变形菌门（Proteobacteria）。对三种土白蚁属白蚁肠道细菌组成的研究表明，白蚁自身的系统进化以及生境都会影响其肠道细菌组成，土白蚁属白蚁肠道可能存在大量的木质纤维素降解酶与微生物资源有待进一步挖掘。
　　（2）通过体外分离培养，成功从土白蚁属白蚁中筛选获得32株具有木质纤维素降解功能的细菌，探索了土白蚁属白蚁肠道可培养木质纤维降解细菌的组成，其中肠杆菌属细菌（Enterobacter）为其中的优势菌群。我们首次从白蚁肠道中筛选得到哈夫尼菌属（Hafnia）、勒克菌属（Leclercia）的细菌。对所筛选的菌株降解木聚糖与纤维素的功能进行定性与定量分析，发现一株降解木聚糖能力较突出的菌株，通过生化指标测定与分子鉴定确定该菌株为Citrobacter murliniae。
　　（3）通过对菌株C. murliniae的产木聚糖酶生长条件进行优化，其粗酶酶活比未优化的对照组显著提升了2.17倍。该菌株所产木聚糖酶48h对水稻秸秆的糖化率可达8.50%；对该菌株偶氮染料脱色能力的测定分析中发现，该菌株对RB亮蓝（Remazol Brilliant Blue R）以及活性黑（Reative Black）的脱色能力出色，最高脱色率分别为90.53%和92.7%，表明该菌株在处理印染废水方面也同样具有非常好的应用前景。
　　综上所述，本研究首次利用高通量测序技术系统解析了西双版纳地区三种土白蚁属白蚁肠道共生细菌的组成；从中筛选出了具有降解木质纤维素能力的多类共生细菌；成功筛选出了具有潜在工业应用价值的菌株（C. murliniae strain ZF1567）。本研究的开展为进一步系统阐明土白蚁属白蚁降解木质纤维素的机理，解决木质纤维素工业规模的高效转化应用难题提供了重要的理论基础及微生物资源。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 木质纤维素概述

1.2 白蚁及其肠道共生微生物

1.3 白蚁肠道共生微生物降解木质纤维素的研究

1.4 本研究目的和意义

第二章 土白蚁属白蚁及其肠道共生细菌的多样性研究

2.1 实验材料与仪器

2.2 实验方法

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 土白蚁属白蚁肠道木质纤维素降解细菌的筛选及鉴定

3.1 实验材料与仪器

3.2 实验方法

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 柠檬酸杆菌ZF1567产酶条件优化及应用研究

4.1 实验材料与仪器

4.2实验方法

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 创新点

5.3 展望

参考文献

致谢

硕士期间发表的学术论文