木质素降解微生物的筛选及其降解特性的研究

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木质素是一种广泛存在于生物质中的生物高分子,其单体结构为苯基丙烷。每年木质素会以秸秆焚烧或制浆废水排放等方式被直接废弃,造成生物质资源的浪费。在对木质素的回收应用中,生物降解可使木质素转化为小分子物质,进而分离纯化为化工原料。其具有成本低廉、二次污染小等优势,相比物理和化学法更受青睐。木质素结构复杂而稳定,生物降解难,故而微生物的降解能力是决定性因素。因此,本研究就降解菌株筛选鉴定、降解特性研究及降解途径分析等方面开展了相应的研究,并取得了如下结果:1.利用木质素磺酸钠为唯一碳源,从腐殖土、中药残渣等多种样本中共分离出20株具有木质素降解能力的菌株。其中包括13株真菌,7株细菌。苯胺蓝和愈创木酚平板定性检测表明,各真菌可产木质素降解酶。菌株F-1主要产木质素过氧化物酶和漆酶,LiP活性到第7d达到34.6U/L,漆酶酶活在培养12d达到6.8U/L。以碱木质素及木质素磺酸钠为唯一碳源对菌株进行液态降解研究,菌株F-1摇瓶培养12d后对碱木质素与木质素磺酸钠降解率分别达到36.4%和30.7%。结合菌株产降解酶能力与降解能力遗传稳定性的研究,确定菌株F-1木质素降解优势菌株。经形态学和ITS全序列分析,该菌株属曲霉属,为黄曲霉,命名为黄曲霉LDY(Aspergillus flavus LDY)。2.对黄曲霉LDY降解进行了木质素磺酸钠降解条件调控研究的影响因素进行了考察,当各因素分别为如下之值时,黄曲霉LDY对木质素的降解效果较好:在添加0.5g/L葡萄糖,最适氮源及浓度为2.5g/L硫酸铵,底物浓度为2g/L,30℃,pH7.0的条件下,摇瓶培养12d后对,木质素磺酸钠降解率可达36.4%。对黄曲霉LDY降解木质素进行多因素交互作用的考察。利用Design Expert8.0软件通过多因素的响应曲面分析,明确了黄曲霉LDY降解木质素的主要影响因素,并优化其找出较适宜的降解条件组合。获得优势菌株降解木质素的最佳条件为:初始pH为6.71;氮源浓度为2.55g/L;底物浓度为1.78g/L。在此条件下,进行黄曲霉LDY降解木质素的研究,在5d后,木质素实际降解率达到44.7%,降解条件优化效果较显著。3.通过GC-MS检测分析分析降解液的油相萃取物,结果表明:其中含有五元环结构和较多的脂肪族小分子物质,如2,3-丁二醇(3.3%)、2-乙氧基丁烷(1.4%)、3-羟基-2-丁酮(1.0%)等,这些产物的形成应源于醌型结构中间体的存在及其开环裂解。这说明,黄曲霉LDY降解木质素的途径应为:木质素在生物处理中产生了醌型结构,在菌体代谢中产生的氧化剂吸引木质素酚盐阴离子的电子,产生苯氧游离基,再与氧化剂作用形成氢化过氧环己二烯中间体,最终生成对醌与邻醌结构。醌型结构的存在及其开环裂解有利于产生五元环结构和更多脂肪族小分子。4.经生物处理后的木质素在用于与丙烯酸作用形成吸附材料后,其吸附性能(仅指重金属离子及蛋白酶类)均优于未经处理的木质素所制备的吸附材料,其对Cu2+的吸附容量可达96.6mg/g,对木瓜蛋白酶的吸附容量可达634.0mg/g。初步说明,生物处理可以作用于木质素并获得较多的吸附位点。
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