高效解棉花秸秆木质素的糙皮侧耳菌株筛选及机理研究

摘要

棉花秸秆作为农业生产的副产品,含有大量的有机质和矿质元素,是一项重要的生物资源。但因其难以被降解利用,常被当作低级生物燃料,这不仅是对资源的巨大浪费,也造成了严重的环境污染问题。木质素的结构特殊,仅能被少数几种真菌氧化分解是棉花秸秆难以被生物降解的主要原因。
　　本研究采用平板变色法对12个糙皮侧耳菌株进行初步筛选,再通过棉花秸秆木质素降解实验对初选菌株进行进一步筛选,并结合出菇栽培实验对该筛选方法体系进行检验,以期建立一套简便、科学的筛选高效降解棉花木质素菌株的方法体系。同时通过对降解产物的红外光谱分析和气-质色谱联用分析,研究棉花秸秆木质素的氧化分解途径,以期为深入研究木质素降解机制提供一些理论基础。
　　主要研究成果如下:
　　(1)建立一整套筛选高效降解棉花秸秆木质素的糙皮侧耳体系,分为初筛和复筛两个步骤。初筛过程中,综合PDA-Bavendamm平板显色法和PDA-RB亮蓝脱色法选出漆酶和过氧化物酶分泌能力都较强的菌株,操作简单,方便快速且成本低廉;复筛采用VanSoest法测定木质素降解率并计算选择性指数,准确性高,定量精确,但操作复杂,耗时较长。将两种筛选方法科学的组合,相互取长补短,可以建立一套更为简便、科学的筛选体系。
　　(2)通过PDA-Bavendamm平板显色法和PDA-RB亮蓝脱色法初步筛选出漆酶和过氧化物酶分泌能力都较强的8个糙皮侧耳菌株。在此基础上,通过木质素降解实验进一步复筛出木质素降解率和选择性系数都较高的的4个糙皮侧耳菌株:苏平1号、皖平1号、苏平3号、黑平A,其中以苏平1号对棉花秸秆木质素的降解能力最强,其木质素降解率为14.82％。最终选定为高效降解棉花秸秆木质素的糙皮侧耳菌株,并进一步投入生产应用。
　　(3)红外光谱分析发现,棉花秸秆木质素经过糙皮侧耳的生物降解作用,木质素聚合体中紫丁香基和愈创木基的芳香环被破坏,木质素苯环间的羰基、甲基和甲氧基结构等侧链已部分被降解。S-木质素相对含量较G-木质素比降解前有所降低,也进一步证明木质素中的S-木质素和G-木质素单元被氧化降解。同时被糙皮侧耳降解的棉花秸秆中很多木质素单体特有的基团被检出。
　　通过气质联用色谱对木质素降解后的产物分析,发现了大量的侧链较短的芳香酸酯类、愈创木基衍生物、紫丁香酸和紫丁香醛,同时单体间连键的断裂后,单体侧链发生了氧化反应。产物中含有呋喃类物质,间接证明了苯环的开裂,进一步说明糙皮侧耳能将木质素降解。
　　综合降解后的木质素结构与降解产物的光谱学分析,推断糙皮侧耳降解棉花秸秆木质素的过程为首先,木质素聚合体中的单体间连键发生断裂,同时伴随着木质素单体的芳香环侧链发生Cα-Cβ键的氧化断裂、侧链的氧化脱羧反应、甲氧基的取代反应,主要以形成类似木质素单体形式从木质素高聚体上解聚。而后木质素单体类似物的芳香环结构被氧化开环,进一步生成小分子脂肪烃。这些小分子链烃可以直接参与其他物质的合成代谢,也可能直接被氧化降解。

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1文献综述

1.1我国秸秆资源的利用现状

1.2棉花秸秆的结构特性

1.3降解木质素白腐菌

1.4木质素生物降解机理的研究进展

2 引言

2.1研究目的和意义

2.2研究内容

2.3 技术路线

3 材料与方法

3.1 实验材料

3.2 实验设备

3.3实验方法

4.结果与分析

4.1高效降解棉花秸秆木质素菌株的初步筛选

4.2 高效降解棉花秸秆木质素菌株的复筛

4.3高效降解棉花秸秆木质素菌株的生长特性研究

4.4菌株对棉花秸秆木质素降解前后结构分析

5.讨 论

5.1PDA-Bavendamm显色法和PDA-RB脱色法比较

5.2高效降解木质素菌株的进一步筛选

5.3菌株子实体的生长特性

5.4棉花秸秆木质素降解产物的光谱分析

6.结论

参考文献

附录

致谢

作者简介

在读研究生期间发表的文章