半纤维素定向分解复合菌系的协同分解机理研究

Lignocellulose biopretreatment is an important way to improve saccharification of enzyme and efficiency of bioenery convention. However, lignin is very difficult to be biodergraded and natural hemicellulose cannot be effectively decomposed by pure cultivated microorganisms and single of enzyme. Focus on hemicellulose of natural lignocellulose, we will screen hemicellulose directional decomposition microbial consortium from compost and soil to effectively degrade hemicellulose, and analyse the microbial component and the characteristics of the microbial consortium and so on. Complex enzymes from the microbial consortium will also be prepared, and the composition and characteristics of the enzymes will be intensively determined. Meanwhile, we will explore the key associated mechanisms between the microbes and hemicellulose directional decomposition process and enzyme production by using molecular ecology technologies such as clone library, realtime PCR, T-RFLP and DGGE. The ability of decomposition hemicellulose and enzyme production will be intensified by fermentation conditions optimization. In addition, the relationship between hemicellulose decomposition and efficiency of simultaneous saccharification and fermentation of crop straw to produce ethanol will be discussed, and how long the crop straw should be pre-degraded by the microbial consortium or the complex enzymes will also be investigated.

生物预处理是提高木质纤维素糖化和能源转化率的重要途径。然而，木质素很难被生物分解，纯培养微生物及单一酶对天然半纤维素分解效果并不理想。本项目选择木质纤维素中的半纤维素为攻击目标，从自然界中筛选对半纤维素具有定向快速分解能力的复合菌系，研究复合菌系的特性及微生物组成等，并探讨通过复合菌系获得半纤维素分解复合酶的新途径，深入分析复合酶的组成及酶解特性；同时，利用Clone文库构建、定量PCR、T-RFLP、FISH、DGGE等分子生态学技术，解析组成菌株与复合菌系产酶及半纤维素定向分解过程的关联机制，继而通过条件优化，强化复合菌系定向分解半纤维素及产酶能力，并探讨半纤维素分解程度与秸秆同时糖化发酵转化乙醇效率的关系，明确复合菌系及复合酶对秸秆的预处理时间。

生物预处理是提高木质纤维素糖化和能源转化率的重要途径。然而，木质素很难被生物分解，纯培养微生物及单一酶对天然半纤维素分解效果并不理想。本项目选择木质纤维素中的半纤维素为攻击目标，探讨半纤维素分解与秸秆同时糖化发酵转化乙醇的关系。通过项目实施，经过一年多筛选和定向驯化，成功筛选获得了2组对秸秆具有显著分解能力特别能优先分解秸秆中的半纤维素且能高效分泌半纤维素酶的复合菌系，并对其中的一组复合菌系的特性及其对促进秸秆转化乙醇的能力进行了重点研究。研究表明，在15天内，当固液比为1 g/100 ml时，该复合菌系能使经过0.5%NaOH处理的水稻减重60.3%，固液比为2 g/100 ml时，水稻减重19%。水稻秸秆分解过程中，产生较高的胞外木聚糖酶，在第6天达到峰值（8.357 U/mL），而胞外纤维素酶活水平很低。该复合菌系在改良的PCS培养基中具有最佳分解能力，在ATCC培养基中具有最佳产酶胞外木聚糖酶能力。所产生的胞外木聚糖酶对pH、温度等环境具有很好的适应性和稳定性。该复合菌系分泌的胞外酶对秸秆具有显著水解糖化能力，经48小时水解，玉米秸秆芯和水稻秸秆分别减重21.1%和11.9%，还原糖含量分别为2.4 g/l和1.3 g/l。分子生态学技术分析表明，该复合菌系中的微生物分别聚集于三个不同的簇：Clostridiales，Proteobacteria和Bacteroides；属于梭菌（Clostridiales）簇的clones最多占46.2%，与已报道的Clostridium sp., Sporomusa sp., Oscillibacter sp. and Psychrosinus sp.的近缘种具有较高的相似性；属于Bacteroides簇，占15.4%，主要与Dysgonomonas和Bacteroides属比较接近；属于Proteobacteria簇的占38.4%，主要与Devosia sp.，Pseudomonas sp.，Escherichia sp.和Alcaligenes sp.属接近。研究还显示，该复合菌系对未经化学处理的水稻、小麦、玉米秸秆具有显著的分解能力。复合菌系分解处理对提高乙醇产量具有很好的提升效果，与未经处理对照相比，利用复合菌系分解处理6天后乙醇产量提高了7.15倍。该研究为提高纤维素乙醇转化率开辟了新的途径。