木质纤维素的动物消化机制识别及在厌氧消化产甲烷过程中的调控应用与机理

Lignocellulosic biomass is the most abundant raw materials for renewable energy in the world, but the traditional utilization approach is inefficient; while ruminant animals and wood-consuming insects digest efficiently lignocellulosic biomass. Anaerobic digestion process with rumen microbes has shown the potential for degradation of lignocellulosic biomass. Based on the survey and previous studies, this proposal put forward efficient lignocellulosic biomass conversion process simulating animal digestion mechanisms, and the principle is to utilize the efficient multi-enzyme system, mixed microbial system and special digestive tract environment. The mechanisms of multi-enzyme systems in animal digestion are analyzed, and the multi-enzyme system for anaerobic lignocellulose digestion is built. The prokaryotic and eukaryotic microbial ecosystem in animal digestion is analyzed, and the complex microbial system for anaerobic digestion is built and the law of succession of microbial system and lignocellulose conversion is explored. The phase separation, pretreatment and biological fermentation collaborative, multi-level mixing and recycling etc. in animal digestive system are studied, and the bionic anaerobic digestion reactor is simulated. On this basis, the synergies of enzymes, microorganisms, and environmental conditions are optimized and the parameters for efficient conversion of lignocellulosic biomass are determined. Results will clarify the regulatory mechanism of anaerobic lignocellulose digestion based on animal digestion mechanisms, and provide a theoretical basis for the realization of efficient lignocellulose conversion and the promotion of renewable energy production.

木质纤维素是全球最丰富的可再生能源原料，但传统处理方法效率低下，而反刍动物和食木昆虫可高效消化木质纤维素。利用瘤胃微生物的厌氧消化工艺显示出降解木质纤维素的潜力。本项目在调研及前期研究基础上，进一步提出全方位模拟动物消化机制的木质纤维素高效转化工艺，原理是利用动物消化系统中的高效多酶体系、复合微生物系统及特殊消化道环境。解析动物消化多酶体系的作用机制，模拟构建厌氧消化多酶体系；解析动物消化的原核和真核微生物生态系统，构建厌氧消化复合微生物体系，探讨微生物体系演替及木质纤维素转化规律；系统研究动物消化系统中相分离、预处理和生物发酵的协同、多级混合和循环等作用形式，模拟构建厌氧消化仿生反应器；在此基础上，优化酶、微生物、环境条件的协同作用、确定木质纤维素高效转化的工艺参数。研究结果可系统阐明基于动物消化机制的木质纤维素厌氧消化调控机制，为实现木质纤维素高效转化、促进可再生能源生产提供理论依据。

瘤胃液处理能够促进玉米秸秆的水解酸化，底物浓度越高，生成的SCOD、还原糖和VFA浓度也随之增加，表明瘤胃液对于10% (w/v)浓度的玉米秸秆进行水解产酸也是可行的。瘤胃液处理后，玉米秸秆中部分半纤维素得到去除，结晶度和比表面积增加。高效的水解产酸效果主要是由于瘤胃微生物分泌的多种纤维素酶的参与。这些纤维素酶在最初的4 h能够被玉米秸秆吸附，从而促进水解。.瘤胃液多级发酵对不同底物浓度的玉米秸秆水解产酸有不同程度的促进作用。多级发酵过程中，stage 1水解产酸效果最好。通过对比纤维素酶在液体与固体中的分布，发现在stage 1中，固体中酶活要高于液体中酶活，表明玉米秸秆上附着的大量酶有助于快速水解。经过stage 2和stage 3的瘤胃液发酵，stage 4的水解和产酸作用也得到了提高。后三个阶段的减重约占总减重的31.99%-49.78%。.玉米秸秆与草坪草分别作为底物进行瘤胃发酵时，草坪草作为底物在发酵过程中表现较好的水解产酸效果。但是以玉米秸秆作为底物的发酵过程中，微生物的丰度与多样性都比较高。Prevotellaceae（普雷沃氏菌科）是群落中的主要优势菌科。通过聚类分析发现，从C4开始，以玉米秸秆与以草坪草为底物的瘤胃发酵样品中微生物多样性呈现差异。综合来看，从C5样品开始，瘤胃微生物的群落逐渐稳定。.瘤胃发酵产生的发酵液体与发酵固体经过适当的处理后作为接种物，能够对玉米秸秆进行有效的水解酸化。通过微生物多样性分析发现，瘤胃发酵过后的液体与固体中微生物的分布情况不同，发酵液体中的微生物群落丰度与多样性比发酵固体高。分别以发酵液体经过pH调节至中性，30%发酵固体作为接种物发酵玉米秸秆生成的SCOD与VFA浓度都比较高。经过微生物多样性分析发现，以发酵液体经pH调节后作为接种物的实验组中Firmicutes（厚壁菌门）所占比例比较高，而30%发酵固体接种的实验组中Bacteroidetes（拟杆菌门）所占比例较高。通过SEM扫描发现，瘤胃微生物能够侵蚀玉米秸秆表面形成孔洞。.