木质纤维素厌氧发酵过程中半纤维素的分解转化机理

There are many limiting factors, like lignin content and crystallinity of cellulose, to impede the digestibility and the methane production efficiency of natural lignocellulosic biomass. To destroying the stable structure by degrading lignin or hemicellulose is a significant pathway to promote the hydrolysis yield and total methane yield. However, lignin content is difficult to degrade in anaerobic condition, and natural hemicellulose content is not efficiently degraded by single strain. Therefore, focusing on hemicellulose, a microbiological community which has a strong ability to degrade hemicellulose first and destroy lignocellolosic structure has been enriched, and it has high degrading activity than a single strain which could improve total conversion productivity, save the digestibility time and the cost. Simultaneously based on the anaerobic digest micro-community, we use clone library, real time PCR, stable isotope probe technique (SIP) and Denaturing Gradient Gel Electrophoresis (DGGE) to discover key microorganism during hydrolysis, acidification and methane-producing phases, and to reveal mechanism of hemicellulose first priority of micro-community. From metabolites, hemicellulose enzyme activity and the key microorganisms point, mechanism of hemicellulose degrading and conversion in anaerobic digest process would be revealed finally.

天然木质纤维素中纤维素被半纤维素和木质素重重包围、结构致密，导致其厌氧发酵效率的低下。通过分解木质素或半纤维素，破坏其致密的结构，是提高木质纤维素厌氧发酵产气效率的重要途径。然后，在厌氧条件下木质素很难被分解，纯微生物对天然半纤维素的分解效果并不理想。因此，本研究选择半纤维素为攻击目标，定向筛选具有半纤维素优先分解的厌氧发酵复合菌系，优先强化分解半纤维素，破坏木质纤维素结构，来提高其整体的分解转化效率，从而缩短厌氧发酵时间，降低沼气工程成本。同时以这个“厌氧发酵复合菌系”为平台，利用Clone文库构建、定量PCR、稳定同位素技术（SIP）和DGGE等分子生态学技术，系统地研究半纤维素在水解、产酸和产甲烷3阶段的关键微生物，探索复合菌系优先分解半纤维素的机制。最终，从代谢产物、半纤维素酶活和关键微生物的角度，揭示木质纤维素厌氧发酵过程中半纤维素的分解、转化机理。

天然木质纤维素中，纤维素、半纤维素和木质素相互残绕、结构致密，导致其厌氧发酵效率较低，其限速步骤就是木质纤维素的分解。前人研究一般多是针对木质素进行预处理，破坏致密的结构，提高木质纤维素的整体厌氧产气效率。然而，木质素很难被微生物快速分解，因此微生物预处理效果不佳。本研究利用不同底物（秸秆、污水）的厌氧发酵菌群作为菌源，以半纤维素为底物，通过无氧富集培养基和限制性培养技术，定向驯化能够优先高效分解半纤维素、高效分泌半纤维素酶和高效产气的稳定厌氧发酵复合菌系。经过30代的继代培养后，半纤维素分解率达到了95%，半纤维素酶活提高了2.73倍，沼气发酵速率也明显提高。同时利用高通量测序研究了驯化过程中菌群的微生物变化规律，以及驯化后复合系的微生物组成，Firmicutes、Bacteroidetes、Synergistetes、Chloroflexi、Spirochaetae、Acidobacteria和Proteobacteria这7类菌群相对丰度之和占总菌群丰度的90%以上。其中占比最大的是厚壁菌门和变形菌门。之后研究了复合菌系对不同半纤维素含量底物的分解及产气特性，结果表明，半纤维素含量高的底物，其底物的分解效率和产气率均高于半纤维素含量底的底物，这也证明了半纤维素优先分解的厌氧沼气发酵复合菌系筛选成功。为了进一步探究厌氧发酵复合菌系对半纤维素的产酸过程及其主要的功能微生物，采用13C-木糖为模式底物，以及添加产甲烷抑制剂2-溴乙酸磺酸钠BES，通过理化指标分析、DNA-SIP、与高通量测序技术，考察厌氧复合菌系以木糖为底物时的产酸特性，同时研究了微生物群落的演替和主要功能微生物。结果表明，在半纤维素优先分解的厌氧发酵复合菌系中，厚壁菌门的Bacillus和Clostridium是主要的功能微生物，在其数量可能决定了其优先分解的数度。Clostridium在不添加BES的处理中占到了总细菌数量的38.22%；Bacillus在添加BES的处理中占到了总细菌数量的40.23%。迄今为止，针对半纤维素在厌氧发酵整个过程分解转化机理的研究，报道较少。这有助于我们进一步优化菌群，提高木质纤维素原料的分解转化效率，完善木质纤维素厌氧发酵系统理论，推进沼气产业化发展。