《黑翅土白蟻自然轉化木質纖維素的機理研究》是依託浙江大學，由莫建初擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：黑翅土白蟻自然轉化木質纖維素的機理研究
- 依託單位：浙江大學
- 項目負責人：莫建初
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
生物質的自然高效轉化一直是人類面臨的科學難題，以植物為食的白蟻為人類解決此難題提供了重要機會。黑翅土白蟻是我國南方廣泛分布且能自然高效轉化利用木質纖維素的白蟻，但其轉化利用木質纖維素的機理至今還不清楚。過去幾年中，在國家自然科學基金資助下，我們雖從黑翅土白蟻體內及共生真菌中獲得了一些編碼木質纖維素降解酶的基因，並用大腸桿菌進行了成功表達，但研究思路仍處於單一酶系的解析水平上。本研究將以系統的觀點，解析黑翅土白蟻自然轉化木質纖維素所涉及的酶系與菌系，探明重要酶系與菌系的構成與功能，闡明各酶系與菌系在不同理化條件下的協同作用機理。同時，利用定向突變技術，建立關鍵酶種的異源高效表達系統和重要菌系的大規模人工培養技術，從而為工業上建立高效的生物質自然轉化系統提供技術支撐，並為白蟻防治新藥物與新技術的開發提供新的工作思路。顯然，本項研究具有十分重要的理論意義和現實意義及較大的經濟套用前景。
結題摘要
生物質的自然高效轉化一直是人類面臨的科學難題，以植物為食的白蟻為人類解決此難題提供了重要機會。黑翅土白蟻是我國南方廣泛分布且能自然高效轉化利用木質纖維素的白蟻，但其轉化利用木質纖維素的機理一直不清楚。為了闡明這一科學問題，在國家自然科學基金資助下，我們以系統的觀點，對黑翅土白蟻自然轉化木質纖維素涉及的酶系與菌系進行解析，對重要酶系與菌系的構成與功能進行探索，對酶系與菌系在不同理化條件下的協同作用機理進行研究，並利用定向突變技術，建立關鍵酶的異源高效表達系統和重要菌系的規模化人工培養技術，以便為工業上建立高效低能耗的生物質自然轉化系統提供技術支撐，為白蟻防治新技術的開發提供新的思路。四年的研究結果表明，黑翅土白蟻作為培菌白蟻，其巢內工蟻具有明確的年齡分工，年老工蟻負責外出覓食，將食物搬運回巢內，堆積成食物堆；年輕白蟻負責將食物接種雞樅菌並經初步降解後堆積成菌圃；菌圃物質經雞樅菌發酵一個月後被各齡期的工蟻取食利用。進一步的研究結果表明，不同年齡階段的工蟻其腸道容積差異較大，且後腸內含有的真菌孢子數量不同。外出覓食的工蟻對木質纖維素顆粒無顯著的消化降解，木質纖維素結構的改變主要出現在菌圃，發酵初期S型木素髮生改變，中期H型木素髮生改變，末期G型木素髮生改變。酶學研究表明，工蟻消化道內具有β-1,4-內切葡聚糖酶、β-葡糖苷酶、β-1,4-內切木聚糖酶、β-1,4-木糖苷酶、α-l-阿拉伯糖苷酶和β-1,4-內切甘露聚糖酶等多種酶類。通過基因修飾，表達β-1,4-內切葡聚糖酶、β-葡糖苷酶和漆酶的基因能在畢赤酵母中高效表達。生化測定結果表明，黑翅土白蟻工蟻的消化道為中性，氧氣含量從腸壁到腸道中心逐漸降低至為0，氧化還原電位相對其他食性白蟻偏高，且腸道中富集高濃度氫氣，金屬離子則展現出了明顯的空間分布及濃度差異。黑翅土白蟻巢內菌圃的含水量在56%-62%之間，pH值約為4，14種重要金屬離子的濃度在菌圃上層、中層和下層間變化明顯。工蟻腸道和菌圃上的揮發性脂肪酸種類多，含量變化大。年輕工蟻和年老工蟻腸道與菌圃的細菌群落結構顯著不同。採用富集培養方法，從工蟻后腸中分離得到了3個具有鐵還原能力的細菌菌株，4個具纖維素酶活性的細菌菌株和1個可分泌纖維素酶的細菌複合菌系。通過培養基改良，建立了規模化培養雞樅菌的技術與方法。這些成果為工業化利用木質纖維素為生物資源與能源打下了良好基礎。
