苎麻高效脱胶菌的筛选与应用研究

摘要

本研究从不同腐烂麻生境分离脱胶微生物，并进行了如下方面的应用探索：其一，将筛选得到的优势菌重新组成复合菌系，优化了优势菌的组合，分析了菌种间的协同作用效果；其二，探索了将脱胶优势菌以生物强化的方式利用到自然沤麻体系及其效果，并对生物强化后的自然沤麻体系的微生物群落结构和脱胶关键酶的变化进行了研究；其三，以生物强化沤麻菌群为产电微生物，沤麻废水为生物燃料，构建微生物燃料电池，探索微生物燃料电池技术处理沤麻废水的效果及资源化利用沤麻废水产电的潜能。 本文主要工作内容和研究成果如下： （1）利用苎麻发酵物培养基结合果胶培养基和木聚糖培养基，从老麻园土和人工驯化并稳定的沤麻菌群RAMCD407中共分离到40个脱胶菌，经16S rDNA基因鉴定分属于肠球菌属（Enterococcus）、芽孢杆菌属（Bacillus）、假单胞菌属（Pseudomonas）、肠杆菌属（Enterobacter），鞘氨醇杆菌属（Sphingobacterium）、鲁梅利杆菌属（Rummeliibacillus）、志贺菌属（Shigella）、克雷伯氏菌属（Klebsiella）和微小杆菌属（Exiguobacterium），其中以芽孢杆菌属为主。在分离得到的菌株中，29个菌株检测到有果胶酶或（和）木聚糖酶活力，其中果胶酶活力在2.55 U/mL到251.68 U/mL之间，木聚糖酶活力在3.29 U/mL到210.79 U/mL之间，20个菌株能够在116小时内完成脱胶。 （2）从15个脱胶优势菌中挑选出果胶酶活力超过160 U/mL或木聚糖酶活力超过100 U/mL的6个菌株进行了复合菌系的构建与脱胶实验，通过考察果胶酶活力、木聚糖酶活力、纤维素酶活力和胶质去除率来判断不同菌株组合的脱胶潜能。实验发现，2H2菌株在“六菌”复合系JHY中发挥重要作用，其缺失会显著降低复合菌系的果胶酶活力、木聚糖酶活力和胶质去除率；在“六菌”复合系中扣除菌株JY31，可使胶质去除率由50.87%提高到61.52%，表明JY31对复合系JHY的脱胶有负面影响。进一步采用菌株相容性分析考察菌株间的交叉生长情况，验证了JY31的存在的确抑制了Y2、2H3和2H2的生长，而这3个菌株对复合系JHY的果胶酶活力、木聚糖酶活力和胶质去除率都有明显的贡献。从挑选的六个菌株中扣除JY31，由余下的5株菌构成复合系HY，经过约41天的驯化和稳定后，其脱胶周期为66 h，脱胶过程中最高果胶酶活力为205.64 U/mL，最高木聚糖酶活力为143.21 U/mL，胶质去除率为61.52%，纤维强力为8.97 cN /dtex。 （3）从余下的优势菌中挑选出果胶酶活力超过60 U/mL或木聚糖酶活力超过60 U/mL的2个菌株P05和 X12分别放大培养后接种到自然沤麻体系中进行生物强化沤麻实验，考察不同接种体、接种量、接种时间和沤麻条件对沤麻效果的影响。结果表明，以P05和 X12等比例混合物按20%的接种量进行生物强化沤麻的效果最好，其最适的沤麻工艺为：在自然沤麻进行 24 h后进行接种强化，最适初始 pH 8.5，最适温度 42℃。在该工艺条件下，可在约 60 h内完成脱胶，纤维胶质去除率为 69.81%，束纤维断裂强力为 8.97 cN/dtex。生物强化沤麻过程中的微生物群落结构演变和脱胶关键酶活力考察表明，P05和 X12接种到自然沤麻体系后，能长时间保持较高的丰度，使原有沤麻体系的果胶酶活力由47.84 U/mL提升到80.84 U/mL，木聚糖酶活力由30.76 U/mL提升到50.51 U/mL，脱胶周期由120 h缩短到60 h，并使纤维强力由5.89 cN/dtex提升到了8.97 cN/dtex，有效地避免了纤维损伤。 （4）生化分析表明，同传统化学脱胶废水相比，生物强化沤麻废水的COD为 9880 mg/L，其中以有机物为主，不含强酸、强碱和表面活性剂，可生化性高，适宜于生物处理。以沤麻废水为阳极燃料，废水中自带的沤麻菌群为产电微生物，0.2 g/L KMnO4溶液为阴极液，负载电阻2200?，构建了一个双室微生物燃料电池，并即刻成功地启动了燃料电池。待燃料电池达到最大输出电压并稳定运行后，采用变化外电阻的方式测定燃料电池的产电能力，产生的最大电压为1096.1 mV，最大功率密度为36.55 mW/m2，内阻为470?。燃料电池电压降低至100 mV后，废液的COD去除率为55.26%，其中总糖去除率为31.91%，总蛋白质去除率为38.71%，总氮去除率为34.99%，总磷去除率为26.9%，悬浮物去除率为40.96%，色度去除率为36.36%，pH由6.4上升到6.89。该结果得到了FTIR光谱分析进一步验证，多个批次运行了燃料电池，考察了燃料电池降解沤麻废液及产电能力的稳定性。

目录

第一个书签之前