水稻秸稈降解放線菌的分離鑒定及其降解機(jī)理研究

【摘要】：我國水稻秸稈資源十分豐富,利用微生物使其降解轉(zhuǎn)化為飼料、能源和化工原料對于解決目前面臨的環(huán)境污染和能源危機(jī)具有重大現(xiàn)實意義。 在黑龍江省3個水稻主產(chǎn)區(qū)采集27份土壤樣品,通過剛果紅染色平板初篩;液體搖瓶發(fā)酵纖維素酶活測定;水稻秸稈失重率測定;半纖維素和木質(zhì)素酶活性檢測等多重篩選,得到一株高產(chǎn)纖維素酶、對水稻秸稈有較好降解效果的放線菌菌株C-5,該菌株同時具有多種木質(zhì)纖維素酶活性。通過對該菌株的形態(tài)特征、培養(yǎng)特征和生理生化特征觀察;16S rDNA序列測定及系統(tǒng)發(fā)育分析,將菌株C-5鑒定為灰略紅鏈霉菌(Streptomyces griseorubens)。 測定了灰略紅鏈霉菌C-5對水稻秸稈降解過程中,水稻秸稈主要成分含量的變化和纖維素酶活、半纖維素酶活的連續(xù)變化。發(fā)酵后,水稻秸稈細(xì)胞壁的主要成分得到了有效降解,粗纖維含量明顯降低;纖維素、半纖維素酶活均可以在大部分發(fā)酵時間內(nèi)保持在相對較高水平。 采用紅外光譜(FTIR)法研究灰略紅鏈霉菌C-5對水稻秸稈的生物降解過程,分析表明,水稻秸稈中含有碳水化合物、木質(zhì)素和有機(jī)硅化物等成分,降解后生成了碳酸鹽、硅酸鹽和多糖類物質(zhì);羧基在發(fā)酵過程中以羧酸鹽形式存在,一些無機(jī)陽離子形成碳酸鹽。 對水稻秸稈木質(zhì)素生物降解過程的紅外光譜分析表明,灰略紅鏈霉菌C-5對水稻秸稈木質(zhì)素的降解主要是氧化作用,發(fā)生在木質(zhì)素單元結(jié)構(gòu)側(cè)鏈Cα的氧化及Cα-Cβ鍵的氧化斷裂;脂肪醚鍵發(fā)生斷裂,苯環(huán)側(cè)鏈的短鏈脂肪烴被降解;甲氧基含量明顯增加,氫醌類物質(zhì)形成;愈瘡木基型木質(zhì)素的降解程度高于紫丁香基型木質(zhì)素的降解程度。 利用掃描電鏡觀察水稻秸稈生物降解過程中的組織結(jié)構(gòu)變化,觀察結(jié)果表明,在生物降解初期,菌絲通過水稻秸稈端部侵入內(nèi)部,并在薄壁細(xì)胞的腔內(nèi)繁殖,薄壁細(xì)胞開始分解,蠟質(zhì)-硅化層明顯變薄;當(dāng)菌體大量繁殖后,維管束組織和部分厚壁組織開始降解;降解試驗結(jié)束時,水稻秸稈的完整結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞,薄壁組織被全部降解,蠟質(zhì)-硅化層大部分也被降解破壞,只剩下部分高度木質(zhì)化的表皮組織。 研究了不同培養(yǎng)條件對灰略紅鏈霉菌C-5產(chǎn)纖維素酶的影響。結(jié)果表明,碳源濃度、氮源濃度、pH和培養(yǎng)溫度對CMCase活力的影響均為極顯著,碳源濃度是影響CMCase活力的關(guān)鍵性因子;較高濃度的碳源對合成纖維素酶更為有利,外加有機(jī)氮源豆餅粉對產(chǎn)纖維素酶的促進(jìn)作用相對較大,較低濃度的氮源比較高濃度的氮源更能促進(jìn)纖維素酶的合成;31℃和pH7.5是產(chǎn)酶最佳溫度與酸堿度;菌株C-5在最佳產(chǎn)酶條件下的最佳產(chǎn)酶時間為發(fā)酵的4~14天。 【關(guān)鍵詞】：灰略紅鏈霉菌 篩選 水稻秸稈 生物降解 化學(xué)結(jié)構(gòu)性質(zhì) 顯微結(jié)構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：S141.4
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-13
• 第1章 緒論13-33
• 1.1 研究目的與意義13-14
• 1.2 國內(nèi)外研究綜述14-31
• 1.2.1 水稻秸稈的資源情況14
• 1.2.2 水稻秸稈的利用現(xiàn)狀14-16
• 1.2.3 水稻秸稈的化學(xué)組成16-22
• 1.2.4 水稻秸稈生物降解研究進(jìn)展22-29
• 1.2.5 放線菌降解木質(zhì)纖維素的研究29-31
• 1.3 存在的問題31-32
• 1.4 課題來源及主要研究內(nèi)容32-33
• 1.4.1 課題來源32
• 1.4.2 主要研究內(nèi)容32-33
• 第2章 材料與方法33-48
• 2.1 實驗材料33-37
• 2.1.1 土壤樣品33
• 2.1.2 秸稈來源33
• 2.1.3 培養(yǎng)基33-35
• 2.1.4 實驗試劑35-36
• 2.1.5 試劑配制36-37
• 2.1.6 實驗主要儀器37
• 2.2 實驗方法37-48
• 2.2.1 水稻秸稈降解菌的分離篩選37-38
• 2.2.2 菌株鑒定38-42
• 2.2.3 纖維素酶活測定42-43
• 2.2.4 水稻秸稈固體發(fā)酵試驗43
• 2.2.5 水稻秸稈主要組成成分降解率的測定43-44
• 2.2.6 木聚糖酶活測定44-45
• 2.2.7 蒽酮－硫酸法測定總糖45
• 2.2.8 水稻秸稈中木質(zhì)素的提取45
• 2.2.9 紅外光譜分析45
• 2.2.10 電鏡觀察45-46
• 2.2.11 產(chǎn)纖維素酶條件研究46-47
• 2.2.12 統(tǒng)計分析方法47-48
• 第3章 水稻秸稈降解放線菌的分離鑒定及生物信息學(xué)初步分析48-63
• 3.1 菌株的分離篩選48-55
• 3.1.1 菌株的分離和初篩48-50
• 3.1.2 搖瓶發(fā)酵篩選50-53
• 3.1.3 水稻秸稈失重率的測定53
• 3.1.4 半纖維素酶和木質(zhì)素酶活性檢測53-55
• 3.2 菌株的鑒定和生物信息學(xué)初步分析55-60
• 3.2.1 形態(tài)特征55
• 3.2.2 培養(yǎng)特性55-56
• 3.2.3 生理生化特征56-57
• 3.2.4 16S rDNA 序列測定及其生物信息學(xué)初步分析57-59
• 3.2.5 菌株C-5 鑒定結(jié)果59-60
• 3.3 關(guān)于水稻秸稈降解菌篩選和鑒定結(jié)果分析60-62
• 3.3.1 對水稻秸稈降解菌篩選結(jié)果的分析60-61
• 3.3.2 灰略紅鏈霉菌C-5 的獲得61
• 3.3.3 分子分類在放線菌多相分類中的應(yīng)用61-62
• 3.4 本章小結(jié)62-63
• 第4章 灰略紅鏈霉菌C-5 降解水稻秸稈過程分析63-96
• 4.1 水稻秸稈生物降解過程的化學(xué)分析63-69
• 4.1.1 水稻秸稈主要成分含量的變化64-66
• 4.1.2 纖維素酶、半纖維素酶酶活的變化66-68
• 4.1.3 產(chǎn)糖含量的變化68-69
• 4.2 水稻秸稈生物降解過程的物理學(xué)分析69-83
• 4.2.1 發(fā)酵過程中水稻秸稈紅外光譜變化69-73
• 4.2.2 水稻秸稈降解過程的掃描電鏡觀察73-83
• 4.3 灰略紅鏈霉菌C-5 產(chǎn)纖維素酶條件研究83-92
• 4.3.1 碳源濃度對產(chǎn)酶的影響83-84
• 4.3.2 氮源對產(chǎn)酶的影響84-85
• 4.3.3 氮源濃度對產(chǎn)酶的影響85-86
• 4.3.4 pH 對產(chǎn)酶的影響86-87
• 4.3.5 培養(yǎng)溫度對產(chǎn)酶的影響87-88
• 4.3.6 產(chǎn)酶條件正交優(yōu)化試驗88-91
• 4.3.7 培養(yǎng)時間對產(chǎn)酶的影響91-92
• 4.4 對灰略紅鏈霉菌C-5 降解水稻秸稈過程及產(chǎn)纖維素酶條件分析92-95
• 4.4.1 關(guān)于水稻秸稈降解過程的化學(xué)分析92-94
• 4.4.2 關(guān)于產(chǎn)纖維素酶條件的分析94-95
• 4.5 本章小結(jié)95-96
• 第5章 灰略紅鏈霉菌C-5 降解水稻秸稈機(jī)理研究96-104
• 5.1 灰略紅鏈霉菌C-5 對水稻秸稈木質(zhì)素的降解機(jī)理研究96-98
• 5.2 水稻秸稈木質(zhì)素生物降解機(jī)理的紅外光譜分析98-100
• 5.3 對水稻秸稈生物降解機(jī)理的掃描電鏡分析100-102
• 5.4 灰略紅鏈霉菌C-5 對水稻秸稈降解代謝規(guī)律102-103
• 5.5 本章小結(jié)103-104
• 結(jié)論104-106
• 參考文獻(xiàn)106-119
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文119-121
• 致謝121-122
• 個人簡歷122

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