《木質纖維素厭氧發酵過程中半纖維素的分解轉化機理》是依託中國農業大學，由袁旭峰擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：木質纖維素厭氧發酵過程中半纖維素的分解轉化機理
- 依託單位：中國農業大學
- 項目負責人：袁旭峰
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
天然木質纖維素中纖維素被半纖維素和木質素重重包圍、結構緻密，導致其厭氧發酵效率的低下。通過分解木質素或半纖維素，破壞其緻密的結構，是提高木質纖維素厭氧發酵產氣效率的重要途徑。然後，在厭氧條件下木質素很難被分解，純微生物對天然半纖維素的分解效果並不理想。因此，本研究選擇半纖維素為攻擊目標，定向篩選具有半纖維素優先分解的厭氧發酵複合菌系，優先強化分解半纖維素，破壞木質纖維素結構，來提高其整體的分解轉化效率，從而縮短厭氧發酵時間，降低沼氣工程成本。同時以這個“厭氧發酵複合菌系”為平台，利用Clone文庫構建、定量PCR、穩定同位素技術（SIP）和DGGE等分子生態學技術，系統地研究半纖維素在水解、產酸和產甲烷3階段的關鍵微生物，探索複合菌系優先分解半纖維素的機制。最終，從代謝產物、半纖維素酶活和關鍵微生物的角度，揭示木質纖維素厭氧發酵過程中半纖維素的分解、轉化機理。
結題摘要
天然木質纖維素中，纖維素、半纖維素和木質素相互殘繞、結構緻密，導致其厭氧發酵效率較低，其限速步驟就是木質纖維素的分解。前人研究一般多是針對木質素進行預處理，破壞緻密的結構，提高木質纖維素的整體厭氧產氣效率。然而，木質素很難被微生物快速分解，因此微生物預處理效果不佳。本研究利用不同底物（秸稈、污水）的厭氧發酵菌群作為菌源，以半纖維素為底物，通過無氧富集培養基和限制性培養技術，定向馴化能夠優先高效分解半纖維素、高效分泌半纖維素酶和高效產氣的穩定厭氧發酵複合菌系。經過30代的繼代培養後，半纖維素分解率達到了95%，半纖維素酶活提高了2.73倍，沼氣發酵速率也明顯提高。同時利用高通量測序研究了馴化過程中菌群的微生物變化規律，以及馴化後複合系的微生物組成，Firmicutes、Bacteroidetes、Synergistetes、Chloroflexi、Spirochaetae、Acidobacteria和Proteobacteria這7類菌群相對豐度之和占總菌群豐度的90%以上。其中占比最大的是厚壁菌門和變形菌門。之後研究了複合菌系對不同半纖維素含量底物的分解及產氣特性，結果表明，半纖維素含量高的底物，其底物的分解效率和產氣率均高於半纖維素含量底的底物，這也證明了半纖維素優先分解的厭氧沼氣發酵複合菌系篩選成功。為了進一步探究厭氧發酵複合菌系對半纖維素的產酸過程及其主要的功能微生物，採用13C-木糖為模式底物，以及添加產甲烷抑制劑2-溴乙酸磺酸鈉BES，通過理化指標分析、DNA-SIP、與高通量測序技術，考察厭氧複合菌系以木糖為底物時的產酸特性，同時研究了微生物群落的演替和主要功能微生物。結果表明，在半纖維素優先分解的厭氧發酵複合菌系中，厚壁菌門的Bacillus和Clostridium是主要的功能微生物，在其數量可能決定了其優先分解的數度。Clostridium在不添加BES的處理中占到了總細菌數量的38.22%；Bacillus在添加BES的處理中占到了總細菌數量的40.23%。迄今為止，針對半纖維素在厭氧發酵整個過程分解轉化機理的研究，報導較少。這有助於我們進一步最佳化菌群，提高木質纖維素原料的分解轉化效率，完善木質纖維素厭氧發酵系統理論，推進沼氣產業化發展。
