（农业生物环境与能源工程专业论文）复合菌系降解木质纤维素特性及其菌群动态

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1、研究生学位论文独创声明和使用授权书摘要化石燃料的储量有限性以及过度利用化石燃料所造成严重的温室效应，迫使人类寻求化石燃料的替代品。生物质能源由于兼具能源和环境效益受到了高度认可。木质纤维素是生物质的主要组成成分，同时也是生物质利用的瓶颈。如何高效的实现木质纤维素的水解酸化一直是困扰生物法利用生物质资源的难题，为了提高木质纤维素的降解效率，不同领域的研究学者已经做了大量的科研工作，近年来随着环境生物技术的发展，微生物的协同作用逐渐受到重视，利用复合菌系进行木质纤维素降解成为研究的热点。本论文的主要研究内容和研究结果如下：系统地研究了一组木质纤维素降解复合菌系的形态特征、生长

2、特性及生态条件。通过显微观察发现，复合菌系主要由杆菌组成，普遍周生鞭毛，胞外分泌粘液，表面形貌多样。在降解过程中复合菌系对氧的需求量较低，反应体系的DO值的波动范围很小，始终维持在0.07~0.25mg/L范围内。体系的pH值呈现出先降低后上升的趋势，表明复合菌系对发酵产物的反馈抑制有较强的缓冲能力。对复合菌系的发酵特性进行了较为详细的探讨，其对木质纤维素的降解表现出较强的能力，即在216h内稻草降解了75%，纤维素降解了81%，半纤维素降解了92%，木质素降解了46%，并且前60h为高效降解阶段，期间对稻草、纤维素、半纤维素和木质素的降解量分别占总降解量的59.0%、4

3、8.5%、86.8%、44.0%。而从复合菌系的发酵类型分析，其属于典型的乙酸型发酵，90%以上的代谢产物是乙酸，其次是少量的乙醇、丁酸和丙酸。发酵108h后，乙酸浓度达到最大值2.58g/L，此时总挥发酸也达到最大值2.90g/L，该发酵类型为下游两相厌氧消化的产甲烷相的稳定、高效运行提供重要物质基础。发酵体系的COD值呈现出先增加后降低的总体趋势，说明了底物由固态的木质纤维素转变为液态的挥发酸，再转变为气态的CO2和H2的过程。总凯氏氮和氨态氮的变化趋势表明，复合菌系的活性在降解后期降低的原因不是氨态氮的累积而是营养的耗尽。复合菌系的生长规律表明，其整个生长发酵过程划

4、分为三个时期，即0~108h的对数生长期、108~144h的稳定期、144~216h的衰亡期。并利用变形梯度凝胶电泳（即DGGE）对复合菌系的菌群组成及动态进行了探讨，结果表明，该复合菌系主要由14个微生物种群组成；随着发酵降解的逐渐进行，复合菌系的菌群出现了一定的波动。DGGE指纹图谱的聚类分析显示，整个降解过程可以划分为三个阶段：0~12h为降解初期，24~120h为降解中期，144~216h为降解末期，与生长曲线大致吻合。在降解初期微生物菌群之间竞争激烈，其中，ProteolyticumethanoligenesstrainGW、UnculturedAcidobac

5、teriabacteriumcloneRDM3-B02、UnculturedBacillussp.clone126、Aneurinibacillusdanicusgene等种群数量相对较多，由于这些好氧菌的生长速率相对较快，引起反应体系的DO值和pH的迅速下降，从而为复合体系内微好氧菌群的生长发酵提供了适宜的条件。随着发酵的进行，这些种群的活性逐渐地受到抑制，从而转入休眠状态。降解中期是稻草水解的主要阶段，数量较多的微生物种群主要有Clostridiumsp.PML14、I东北农业大学硕士学位论文ClostridiumislandicumstrainAK1、Breviba

6、cillusborstelensiscloneUS12、Ureibacillussp.A3.03、Unculturedbacteriumtbr1-10、Bacillussp.R-30914、BrevibacillusborstelensisstrainU404。这些微生物都属于内生芽孢的革兰氏阳性菌，对温度和pH值变化的适应性强，可以产生胞外水解酶。其中Unculturedbacteriumtbr1-10、Bacillussp.R-30914、BrevibacillusborstelensisstrainU404、ClostridiumislandicumstrainAK

7、1是功能微生物，多种微生物的协同作用可以解除木质素降解过程中产生的有毒物质对降解的抑制，这是复合菌系高效降解木质纤维素的重要原因之一。进入降解末期后，随着底物营养的逐渐耗尽，内源性呼吸作用加强，从而导致部分功能菌群数量减少，如ClostridiumislandicumstrainAK1、BrevibacillusborstelensiscloneUS12、Ureibacillussp.A3.03、Unculturedbacteriumtbr1-10、Bacillussp.R-30914；部分菌群数量出现了相反的趋势，即在降解后