基于微生物功能协同效应的木质素分离纯化策略效能研究

来源 :江南大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jiangchao1989
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木质素是自然界一种可再生的芳香族化合物,其分子中含有较多的酚羟基、醇羟基、甲氧基等反应活性基团,改性后可赋予其良好的黏合性、表面活性、络合性等性能,可广泛应用于工农业生产中。目前应用于生产的木质素分离纯化方法普遍存在成本高、二次污染隐患大,木质素材料性能弱化等弊端。生物法分离纯化木质素具备成本低、能耗低、反应条件温和,无二次污染等潜在优势,然而木质素与碳水化合物(主要为半纤维素)通过化学键形成的“木质素—碳水化合物复合体”(LCC)稳定结构极大限制了生物法木质素分离提纯效率,无法达到工业化生产要求。本课题针对LCC解构和多糖降解这两个木质素纯化的关键步骤,结合好氧真菌和厌氧微生物的功能协同潜力,提出了混合真菌发酵联合厌氧消化处理(FF+AD)的木质素生物分离纯化策略。即构建混合真菌体系高效破坏LCC结构,并串联厌氧消化过程深度脱除纤维素和半纤维素等多糖,通过微生物间的功能协同作用实现对木质素的高效分离提纯。论文的主要研究结果如下:(1)混合真菌发酵具备高效解构底物中LCC的潜力。其中,黄孢原毛平革菌+彩绒革盖菌+绿色木霉+青霉菌的组合体系解构LCC的功能最强,其发酵过程中Li P和Mn P活性的最高值分别为31.25 U/g和30.98 U/g。此外,该体系纤维素酶活性和半纤维素酶活性的最高值分别为37.45 U/g和84.88 U/g,能有效降解干物质中9.84%的纤维素和10.65%的半纤维素。相比于对照组,该菌种体系中碳水化合物代谢基因的丰度提高了0.07%,碳水化合物活性酶基因总数增加了7118,CE1、GH5、GH9和GH48的基因丰度分别上升了0.24%、0.20%、0.18%和0.08%,这是该菌种组合具备高效解构LCC能力的重要因素。(2)优化混合真菌体系的发酵工艺条件可以有效提高底物降解率。当接种量为7%、发酵时间为18 d、温度为25℃时的底物降解率最高,纤维素、半纤维素相对于本物质的降解率分别为46.40%和69.16%,分别为条件优化前的1.53倍和1.46倍。其中发酵时间对底物降解率的影响显著(P<0.05)。相比于条件优化前,优化后体系中碳水化合物代谢基因的丰度提高了1.61%,碳水化合物活性酶基因总数增加了245,CE1、GH5、GH9和GH48的基因丰度均上升了约0.05%,从基因的角度阐明了优化后底物降解率提升的微生物学机制。(3)基于混合真菌体系高效LCC解构功能的厌氧消化过程可以有效强化木质素的分离纯化效果。底物经混合真菌发酵联合厌氧消化的策略处理后(FF+AD组),其杂质被大幅度去除,底物中纤维素和半纤维素降解率分别为87.65%和96.34%,最后所得沼渣中木质素的纯度为62.32%,约为原料纯度的4倍,回收率为76.01%。相比于单一的厌氧消化过程(AD组),底物经混合真菌发酵后,厌氧体系中纤维素酶的活性和半纤维素酶的活性分别提升了24.77%和18.65%,Unclassified_Bacteroidetes、Clostridium_III、Petrimonas、MBA03_norank、Caldicoprobacter、Unclassified_Ruminococcaceae等六种与木质纤维素水解相关的微生物的丰度之和提高了4.89%,GH43、CE1和GH13的基因丰度分别提高了0.11%、0.10%,0.04%,这是该策略能高效破坏LCC结构同时去除纤维素和半纤维素等多糖,最终实现木质素高效分离纯化的重要原因。
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