厌氧消化环境中多纤维素酶体的功能调控

木质纤维素类废物的低水解水平是限制其厌氧资源化利用的主要障碍。本项目拟聚焦于厌氧消化环境的水解特征性超分子蛋白复合体- - 胞外多纤维素酶体的环境功能表达，发展环境样品的多纤维素酶体体系宏蛋白质组学分析方法；确定特定厌氧环境下，多纤维素酶体的表达谱、表达程度、吸附和水解催化功能，通过与水解功能微生物的识别、定量和空间分布的相互印证，探讨厌氧环境因素与水解功能微生物活力、多纤维素酶体表达与功能、水解效率之间的相互关系；据此，探索以多纤维素酶体环境功能表达为特征的厌氧水解调控方法与厌氧水解效率间的影响机制，从而为调控木质纤维素类废物的厌氧水解效率提供更直接的酶学依据。

木质纤维素类废物的低水解水平，是限制其厌氧资源化利用的主要障碍。由于不明确其厌氧水解过程起作用的功能体，以及缺乏合适的研究手段，致使木质纤维素在厌氧消化反应器中的水解动力学一直难以通过微生物量、微生物种类或表观酶活力相关联，从而阻碍了木质纤维素类废物厌氧水解过程的优化及其技术发展。本项目聚焦于厌氧生态环境中的水解特征性超分子蛋白复合体——胞外多纤维素酶体的环境功能表达，发展了环境样品的多纤维素酶体体系宏蛋白质组学分析方法；确定了特定厌氧环境下多纤维素酶体的表达谱和水解功能，通过与水解功能微生物的识别、定量和空间分布的相互印证，探讨了厌氧环境因素与水解功能微生物活力、多纤维素酶体表达与功能和水解效率之间的互动关系；据此，探索基于多纤维素酶体环境功能表达的厌氧水解调控方法与厌氧水解效率间的影响机制，从而为发展木质纤维素类废物的厌氧水解调控技术提供理论依据。本项目研究解决了如下关键问题，包括：对富含腐殖质和杂质的废物介质样品的蛋白质提取纯化；采用数据库比对结合从头测序的鉴定方法，对尚未进行宏基因组测序的未知环境样品进行宏蛋白质组鉴别；通过环境样品蛋白质数据库去冗余方法，进行蛋白质的环境微生物源指认。借助于公共蛋白质数据库，首次从纤维素废物厌氧反应器中鉴定出多达514种的无冗余无污染代谢功能，而国际上在之前的研究仅能获得数十种代谢功能，从而拓展了宏蛋白质组学在环境微生态领域的应用。基于上述发展的宏蛋白质组研究方法，研究鉴定出已有35种非冗余蛋白被鉴定出与多糖的水解利用有关，一共分布于20个蛋白功能簇中，这些功能簇均指向梭菌纲中的数类微生物。通过分析厌氧反应器中各类微生物之间的功能分布和代谢联系，确定了这些微生物在反应器中的特定功能作用。例如，结晶型纤维素降解的多纤维素酶体起到了高效降解纤维素的作用，结晶型纤维素降解菌和半纤维素降解菌之间存在代谢互补，解蛋白细菌在纤维素原料厌氧反应器的独特“清道夫”功能作用，分析认为解蛋白细菌会降解其它细菌分泌的多纤维素酶体蛋白，导致纤维素原料水解效率的降低。因此，为了提高木质纤维素的厌氧水解效率，应尽可能抑制此类解蛋白细菌的活动。基于上述研究发现，还进一步拓展了多纤维素酶体、纤维素降解菌、解蛋白细菌等在废物生物处理中的应用。