嗜热菌w16利用秸秆水解液混合糖产氢特性及代谢机制研究

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1、博士学位论文嗜热菌W16利用秸秆水解液混合糖产氢特性及代谢机制研究HYDROGENPRODUCINGCHARACTERISTICSANDMETABOLICMECHANISMOFCORNSTALKHYDROLYSATESUTILIZATIONTHERMOPHILICBACTERIUMW16赵磊哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：X703学校代码：10213国际图书分类号：628.35密级：公开工学博士学位论文嗜热菌W16利用秸秆水解液混合糖产氢特性及代谢机制研究博士研究生：赵磊导师：任南琪教授申请学位：工学博士学科：环境科学与

2、工程所在单位：市政环境工程学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:X703U.D.C:628.35DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringHYDROGENPRODUCINGCHARACTERISTICSANDMETABOLICMECHANISMOFCORNSTALKHYDROLYSATESUTILIZATIONTHERMOPHILICBACTERIUMW16Candidate：ZhaoLeiSupervisor：Prof.RenNanq

3、iAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：EnvironmentalScienceandEngineeringAffiliation：SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineeringDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要废弃物处理能源化符合国家节能减排和低碳发展战略需求，也是环境领域关注的热点问题

4、之一。利用丰富而廉价的可再生秸秆类生物质制取氢气是一种获得氢气的新方法，在产生可再生清洁能源的同时可以有效解决农业废弃物的处置问题，是未来能源发展的主要趋势。然而，由于秸秆类生物质的复杂性及难降解性，如何高效获取富含葡萄糖和木糖混合糖的秸秆水解液，以及解决目前发酵产氢微生物木糖代谢能力不足的问题对于实现秸秆废弃物资源的高值利用至关重要。本研究以本实验室筛选得到的能够利用葡萄糖木糖发酵嗜热产氢菌热解糖厌氧芽孢杆菌W16（ThermoanaerobacteriumthermosaccharolyticumW16）为研究对象，以建立经济高

5、效转化秸秆类生物质产氢体系为目标展开研究，考察了产氢菌W16葡萄糖木糖共利用发酵产氢规律，提出了采用补料分批发酵方式解决混合底物中木糖利用率低的问题；并分析了不同葡萄糖木糖碳源响应下细胞的代谢差异特征及可能的代谢调控机制，为实现葡萄糖木糖混合糖的同步高效转化提供重要的理论基础；在此基础上，采用生物法预处理及酶解糖化玉米秸秆，探讨了产氢菌W16利用玉米秸秆水解液发酵产氢效能，为实现农业废弃物玉米秸秆的高值利用以及生物转化过程经济可行性提供技术理论依据。通过不同葡萄糖木糖混合糖浓度比下发酵产氢特性，确定了产氢菌W16能够同时利用葡萄糖和

6、木糖发酵产氢，但与葡萄糖的利用相比，木糖的消耗速率随着混合糖中葡萄糖浓度的升高而不断下降，结合节点插值拟合分析表明，当混合糖中葡萄糖含量高于58.2.%时，其对木糖利用的抑制作用明显增大，而当葡萄糖含量降至21.7%以下，其自身利用会受到一定程度反馈抑制。针对高葡萄糖木糖浓度比下木糖利用率低的问题，提出连续以及补料分批发酵过程稀释率及水力停留时间（Hydraulicretentiontime,HRT）调控策略，其中采用补料分批发酵方式，通过控制各段运行参数，在HRT为12h条件下，产氢速率达到最大值8.9mmol/L/h的同时，相应

7、的葡萄糖木糖利用率分别提升至92.2%以及82.2%。采用Illumina2000高通量测序平台转录组学测序技术探究产氢菌W16葡萄糖木糖共发酵产氢内在分子机理。对产氢菌W16在葡萄糖，木糖以及葡萄糖木糖混合糖作为碳源下差异基因的调控与表达情况进行分析，结果表明产氢菌W16在不同碳源下编码木糖特异性转运蛋白基因高丰度是实现葡萄糖木糖共利用的主要因素。而当葡萄糖在混合糖中大量存在时，木糖异构酶的高葡萄糖亲和力导致即使木糖转运蛋白基因高丰度，木糖利用仍受到一定程度抑制。-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文当混合糖基质中木糖大量存在时，葡

8、萄糖磷酸转移酶系统基因丰度普遍下降，造成葡萄糖利用减缓。以上糖转运蛋白在不同混合糖下表达差异是菌株W16实现葡萄糖木糖共发酵，并且在发酵过程中存在相互影响的主要原因。基于菌株W16利用葡萄糖木糖发酵产氢特点，建立合理有效的玉米秸秆预处