暗黑鳃金龟幼虫肠道秸秆降解复合菌系的协同降解机制

Lignocellulose is one of nature’s most abundant renewable resources. Nowadays, microbial degradation is the greenest and lowest energy consumption way for application of lignocelluloses. However, because of that many strains showed low degradation abilities, and lignocelluloses degradation mechanisms were not fully clear, which limit the efficient utilization of lignocellulose resources. Our study was focus on the rice straw degradation composite flora, which was isolated from the hindgut of Holotrichia parallela larvae. The apparent, chemical structures of rice straw and degradation products would be analysed to illustrate the degradation way of rice straw. And the microbial and enzyme compositions and diversities would be analysed to reveal the microbial and enzymic synergistic degradation mechanisms. Furthermore, multi-factor coupling and correlation analysis would be empolied to build a efficient degradation model of rice straw. In some extent, those study will not only provide theoretical and technological basis for the screening of the lignocellulolytic microorganisms and enzymes, but also for the development of straw utilization technology and the improvement of existing process.

木质纤维素是自然界最丰富的可再生清洁资源，微生物降解是当前木质纤维素利用最环保且能耗最低的方法。然而，木质纤维素降解菌活力有限，降解机制不明确等限制了该资源的有效利用。本研究以前期从暗黑鳃金龟幼虫肠道中所构建的高活力的秸秆降解菌系为对象，运用现代分析手段，研究秸秆降解过程中表观、化学结构以及降解产物的时空变化规律，揭示秸秆降解的次序和途径；运用现代微生物学分子技术研究手段，研究秸秆降解过程中微生物群落结构的时空演替规律，揭示秸秆降解的微生物协同机制；运用酶学特性分析技术，研究秸秆降解过程中木质纤维素降解酶系的时空分泌规律，揭示秸秆降解的酶系协同机制；最后通过对秸秆降解产物、微生物和酶系组成等研究数据进行多因素耦合和相关性分析，构建秸秆高效降解模型，为高效木质纤维素降解菌以及相关酶系的筛选和应用提供理论依据，为秸秆资源高效利用工艺的开发及现有工艺的改良奠定理论和技术基础。

木质纤维素是自然界最丰富的可再生清洁资源，微生物降解是当前木质纤维素利用最环保且能耗最低的方法。本项目以暗黑鳃金龟三龄幼虫肠道微生物为试验材料，以水稻秸秆为唯一碳源，经过传代培养，筛选驯化降解能力强的秸秆降解菌系。并采用宏基因组测序、扫描电镜以及气相色谱-质谱联用等手段，分析了秸秆降解过程中微生物群落结构的时空演替规律、微生物与秸秆的接触规律以及降解产物的时空变化规律。主要结果如下：(1)经过20代的培养，我们得到一组降解活性强的木质纤维素降解菌系，其对于秸秆的降解率高达83.1%。随着驯化过程的进行，微生物多样性和丰度呈现下降的趋势。虽然在OM样品中，拟杆菌门为优势菌群，而在MM和FM样品中，变形菌门细菌含量显著升高。螺旋菌门细菌在三组样品中则呈现先升高后降低的趋势。(2)木质纤维素降解菌系宏基因组学分析表明，随着驯化过程的进行，细菌基因数越来越少，与之前微生物群落组成结构分析结果（随着驯化过程的进行，微生物群落组成越来越简单）相吻合。对三组样品中基因进行注释，研究结果表明三组样品中碳水化合物代谢途径基因以及糖苷水解酶基因数目最多，糖苷转移酶以及碳水化合物结合位点基因数目次之。此外，CAZy结果显示，OM样品中GH13，GH1，CBM48，GH78，GH20，GH32等基因与MM和FM样品中该基因差异显著，而MM和FM样品间差异不显著。说明该混合菌系驯化至10代时已经趋于稳定。(3)扫描电镜观察结果显示，空白组秸秆表面存在毛发状的丝状物以及硅结构，秸秆表面观察不到微生物的附着。对照组秸秆表面出现明显的裂痕，硅结构裸露，秸秆表面附着着大量的微生物。气质联用分析结果也进一步表明了对照组秸秆中的木质素成分得到了降解。综上所述，我们可以发现该木质纤维素降解菌系中变形菌门细菌可能对于木质纤维素的降解发挥着重要的作用，但仍需要进一步的验证。该菌系降解秸秆的大致过程是先对其表面的蜡质层结构进行破坏，使得硅结构裸露，然后对纤维素、半纤维素以及木质素进行进一步的降解。