生物转化农业副产物及其产酶研究

摘要

自然界存在以木质纤维素为生存基质的天然菌群。从中筛选高产木质纤维素酶的菌种并发酵秸秆的研究已开展多年，并已取得一定成就。但迄今为止开展的绝大部分研究都是试图筛选到一个或几个纯培养菌株，然后通过这一个或几个菌株的发酵，实现对生物质的转化。植物木质纤维素结构非常复杂，而单一或少数几个菌种遗传资源有限，故所产酶系不完全，不足以有效降解和转化。
　　 但自然界中以木质纤维素为生存基质的天然菌群则由于长期进化，成员间形成微生态平衡的互生共生状态，并且具备丰富的宏基因组遗传资源，菌群内各成员所产酶可以相互协同补充，使菌群能够完全水解木质纤维素，虽然水解速度并不快，但它们确实具备了产生完整高效木质纤维素酶系的宏基因组遗传资源。对这些菌群进行优化有望实现对农业纤维质废物的高效生物转化。本文根据系统生物学策略，在原始植物材料自身微生态的基础上强化接种产酶菌群，通过构建微生态平衡的复合菌剂实现稻草秸秆等农业副产物的安全无污染降解。在稻草秸秆等生物质的转化过程中，为了缩短发酵时间，提高微生物对资源的利用效率，加入麦麸和苹果皮两种农业废弃物作为酶活的促进或抑制因子。评价最后生物质的转化效果时采用了三种评价方式，从不同角度、不同层次揭示复合菌剂对生物质的转化，这三种方式分别为酶活测定、电镜扫描和环境基因组测序。相关结论如下：
　　 1.稻草复合菌剂中含有种类丰富的微生物，它们中有的可以分泌纤维素酶，有的对体系的微生态平衡起重要的作用。底物中添加的苹果皮与麦麸可促进稻草基质产生多种酶活力，包括淀粉酶、CMC酶、木聚糖酶。淀粉酶的关键促进因子为麦麸，苹果皮和含水量所起的作用微小，CMC酶的关键促进因子为麦麸和苹果皮，含水量过高抑制CMC酶，木聚糖酶关键因子为麦麸和含水量，苹果皮过多不利于酶的产生。经过优化，底物中最大的CMC酶活为12.27U/gds。
　　 2.以玉米芯为基质的底物显示出较高的FPA酶活力，经过优化可以达到3.85U/gds。FPA酶活力的关键因子为麦麸和苹果皮，含水量并无显著影响。电镜扫描结果显示，玉米芯发酵前后结构有巨大差异，清晰的结构变得模糊了，致密纤维束结构基本消失，纤维分散并断裂成无规则的片状，说明了玉米芯在复合菌剂的作用下的确实现了转化。
　　 3.以甘蔗渣为基质的底物显示出较高的淀粉酶活力，经过优化可以达到127.53u/gds。在麦麸与含水量的交互作用中，麦麸是主效应因子，一旦麦麸的量确定下来，含水量对淀粉酶活的影响很小，也提示我们麦麸对于淀粉酶活而言是很重要的。
　　 4.以玉米秸秆为基质的底物显示出较高的木聚糖酶活力，经过优化可以达到6.75U/gds。在三因素的交互作用中，发现当玉米秸秆添加量为3g，麦麸添加量在3g以上时，苹果皮可以辅助麦麸，且此时若提高含水量，酶活会迅速上升。