堆肥生境中裂解多糖单加氧酶功能表达及其协同降解木质纤维素作用机制研究

In a composting process, biomass degradation mainly occurred in thermophilic stage, in which dissolved organic matter are formed by lignocellulose hydrolysis of extracellular enzymes secreted from microbes with mass heat production. Lytic polysaccharide monooxygenases（LPMOs）play a crucial role in the biomass deconstruction. As pioneering enzymes, LPMOs enhance lignocellulose oxidized\nbreakdowns, and producing many catalytic sites available to other hydrolyases,leading to efficient biodegradation of lignocellulose. The objects of this proposal are mining genes encoded LPMOs and LPMOs diversity, composition and abundance via integrated meta-omics, and gene clone and expressions of LPMOs are also studied for further understanding LPMOs catalytic features as well as reaction mechanisms using atomic force microscope, which is very significant in revealing new gene resources rich in a composting niche and effective lignocellulose deconstruction process and mechanisms.

堆肥生境中废弃生物质降解是一个多酶相互作用的复杂生物过程，主要发生在高温发酵阶段，微生物分泌胞外酶将生物质分解生成水溶有机质并释放出热量，裂解多糖单加氧酶(Lytic polysaccharide monooxygenases, LPMOs)在该过程中发挥至关重要的作用。它在生物质降解过程中率先将木质纤维素氧化裂解，暴露出大量水解酶作用位点，与其他水解酶协同作用促进生物质高效降解。本项目拟利用宏基因组学和宏蛋白质组学等技术从堆肥过程中挖掘LPMOs潜在功能基因、组成及其表达分布，并根据宏组学序列信息分析其他木质纤维素水解酶分泌表达、作用规律，研究LPMOs与水解酶协同作用机制，构建堆肥生境中碳代谢酶网络结构，为深入理解堆肥过程中木质纤维素降解提供酶学依据，同时也为生物质资源高效转化奠定理论基础。

堆肥发酵是解决有机固体废弃物处理与资源化利用的有效途径，能将木质纤维素等物质通过微生物降解和转化生成结构稳定的腐殖质用于土壤改良与修复。然而木质纤维素难降解特性在很大程度上限制了堆肥发酵过程与效果，是一个亟待解决的关键科学问题。本项目利用整合组学技术(宏基因组学和宏蛋白质组学等)研究考察了堆肥生境木质纤维素降解相关水解酶、氧化还原酶系功能基因表达以及微生物菌群结构动态变化分析，结合木质纤维素不同组分降解速率测定以及冗余分析等手段鉴定了堆肥生境裂解多糖单加氧酶（LPMOs）功能表达种类、木质纤维素协同降解水解酶以及潜在的电子供体酶，并分析了分泌LPMOs的功能微生物及其微环境关键驱动因子，提出了强化堆肥生境木质纤维素降解技术措施及其调控策略。研究结果有助于理解堆肥发酵生境LPMOs功能表达图谱及其协同降解木质纤维素作用机制，为促进堆肥发酵木质纤维素降解过程奠定了理论基础，也为理解木质纤维素生物质炼制酶解过程提供了技术支撑与借鉴。