细菌Comamonas serinivorans C35对木质素的降解及其代谢机制初步研究

摘要

木质素是自然界中最丰富的可再生芳香族化合物，它的生物合成、分解与自然界中的碳循环密切相关。木质素是由三种基本苯丙烷结构单体(松柏醇、芥子醇和对香豆醇)，通过碳碳键和碳氧醚键等方式连接形成的一种三维网状无定型酚类聚合物。木质素分子量大，结构复杂且不规则，它作为天然屏障将纤维素和半纤维素紧紧包裹，使得木质纤维素难以被水解发酵，这也是目前生物乙醇生产过程中存在的主要难题。从生物质中提取出的纤维素和半纤维素已广泛应用于乙醇生产、食品和造纸等工业，然而木质素作为储量仅次于纤维素的天然可再生碳源却仍未被合理利用。目前大多数的木质素残渣都是随意堆放或直接燃烧，因此将木质素高效降解并实现高值化利用，对开发以木质纤维素为原料的可再生资源具有非常重要的意义。
　　对木质素的降解方法已进行了多年的研究，但仍存在诸多问题，如物理法面临高能耗挑战，化学法会造成二次污染，而生物法虽对环境友好但效率低。在自然界中真菌是木质素生物降解的先锋者，但由于在基因操纵和蛋白表达等方面存在巨大挑战，目前仍未实现工业化生成。虽然细菌降解能力弱于真菌，但由于其来源广泛、生长迅速、易于大规模应用，近年来在生物质利用方面备受人们关注。因此，筛选能高效降解木质素的细菌，研究其木质素代谢途径及机制，将会为木质素生物降解实现工业化生产提供重要的理论基础。本论文以细菌 Comamonas serinivorans C35为研究对象，对其木质素降解性能及代谢机制进行了系统研究。主要研究成果如下：
　　(1)菌株Comamonas serinivorans C35能够在以木质素为唯一碳源的培养基上生长，经过七天的培养，可使碱木质素和磨木木质素培养基中COD的去除率分别达到44.4%、30.8%，表现出较强的木质素降解能力。Comamonas serinivorans C35能使苯胺蓝染料褪色，且在粗酶液中检测到了过氧化物酶和漆酶活性。
　　(2)通过利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和气相色谱/质谱联用(GC-MS)技术检测，发现菌株Comamonas serinivorans C35能够攻击碱木质素和磨木木质素分子结构中的苯环、侧链、醚键以及C=O键等，使其解聚生成多种单环芳香族化合物，包括3-甲基苯甲醛、愈创木酚、香草酸、香草醛、丁香酸、丁香醛、对羟基苯甲酸和阿魏酸等。
　　(3)通过全基因组测序和生物信息学分析，发现菌株Comamonas serinivorans C35的基因组序列中含有编码木质素降解相关酶的基因序列414条，共计15种酶类，包括过氧化物酶、铜氧化酶、漆酶、双加氧酶和脱羧酶等。基于 GC-MS和基因组数据分析结果，发现菌株Comamonas serinivorans C35存在至少4条木质素降解途径，分别是苯甲酸盐途径、苯酚途径、对羟基苯乙酮途径和β-酮己二酸途径，其中对羟基苯乙酮途径为首次发现。

目录

声明

第一章 绪论

1.1木质素概述

1.2木质素的生物降解

1.3木质素及其模型化合物的生物降解机制

1.4木质素生物降解分子生物学研究进展

1.5丛毛单胞菌降解环境污染物研究进展

1.6本课题研究思路、内容和路线

第二章 Comamonas serinivorans C35木质素降解性能研究

2.1 实验材料与仪器

2.2实验方法

2.3实验结果与讨论

2.4本章小结

第三章 Comamonas serinivorans C35木质素代谢产物分析

3.1 实验材料与仪器

3.2实验方法

3.3实验结果与讨论

3.4本章小结

第四章 Comamonas serinivorans C35全基因组分析

4.1 实验材料与仪器

4.2实验方法

4.3实验结果与讨论

4.4本章小结

第五章 结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

致谢

在学期间发表的学术论文及其他科研成果