三株耐低温纤维素降解菌的筛选及性能研究

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目前我国纤维素资源丰富,很多地区纤维素资源不能充分利用,造成秸秆、稻杆等农作物收割后随处丢弃、露天焚烧等现象,排出SO2、CO2、CO等有害气体破坏大气层,降低国民生活质量。特别是东北等寒冷地区常年有两季处于低温环境的特点,使得中高温降解纤维素菌剂难以在寒冷地区应用,因此对耐低温降解纤维素菌株的筛选鉴定、酶学特性分析、产酶条件优化的研究,将为北方寒冷地区纤维素资源利用和耐低温菌剂的实际应用提供重要菌种资源和理论基础。本研究针对富含微生物的土样,利用限制性培养方法,经过富集、初筛、复筛获得三株具有较高纤维素降解能力的真菌。对实验菌种进行了鉴定、酶学特性、培养条件分析及优化研究,具体结果如下:(1)耐低温纤维素降解菌株的筛选与鉴定实验采集大庆扎龙湿地和腐殖质丰富的森林地区土样,经过初筛和复筛从中筛选出3株耐低温高效降解纤维素真菌。应用电镜和扫描电镜观察菌落及孢子形态,结合ITS序列分析,确定3株真菌分别与哈茨木霉(Trichoderma harzianum)、奥尔森青霉(Penicillium olsonii)和脉孢霉(Neurospora tetrasperma)序列相近,将其分别命名为哈茨木霉L8、奥尔森青霉L11和脉孢霉L14。(2)耐低温纤维素降解菌株的酶学性质初步研究通过单因素实验确定温度和pH对三株菌所产纤维素酶和滤纸酶的作用,以及不同浓度的Ca2+、Na+、Mg2+、Fe2+、Mn2+和Co2+对三株菌所产纤维素酶的作用,并讨论三株菌所产纤维素酶的热稳定性,获得最佳酶反应条件。哈茨木霉L8纤维素酶和滤纸酶最佳反应温度均为30℃,最适反应pH偏酸性,纤维素酶最适pH 6.0,滤纸酶最适反应pH 5.0,5℃保存时纤维素酶稳定性最高,5℃保存2 h后相对酶活为95%。6种金属离子中,Mg2+、Fe2+、Co2+和低浓度的Na+能够促进酶反应,Fe2+最佳添加量为0.9 mg/L,此时相对酶活128%;Mg2+最佳添加量为0.6 mg/L,此时相对酶活143%;Co2+最佳添加量为0.6 mg/L,此时相对酶活125%;Na+添加量为0.3mg/L时,相对酶活113%。奥尔森青霉L11纤维素酶和滤纸酶的最佳反应温度均为35℃,最适反应pH分别为pH 5.0和pH 7.0,15℃保存时纤维素酶稳定性最高,15℃保存2 h后,相对酶活为94%。Fe2+和Ca2+和能够促进纤维素酶反应;Fe2+最佳添加量为0.6 mg/L,此时相对酶活为135%;Ca2+最佳添加量为0.6 mg/L,此时相对酶活为118%。脉孢霉L14纤维素酶和滤纸酶的最适反应温度均为40℃时,两种酶的最适反应pH分别是pH 5.0和pH 6.0,5℃保存时纤维素酶稳定性最高,5℃保存2 h后相对酶活为90%。Ca2+、Na+、Co2+和少量Fe2+能够促进纤维素酶反应,Co2+最佳添加量为0.6 mg/L,此时相对酶活为135%;Na+最佳添加量为0.3 mg/L,此时相对酶活为127%;Ca2+最佳添加量为0.6 mg/L,此时相对酶活为121%;Fe2+最佳添加量为0.6mg/L,此时相对酶活为117%。(3)菌株产酶条件优化通过单因素实验确定产酶培养较优的培养时间范围、温度范围、起始pH范围及碳、氮源种类和添加量。基于单因素实验结果,应用Plackett-Burman(PB)试验设计法从碳、氮源、初始pH、卵磷脂添加量、培养温度、培养时间、金属离子等多个因素中确定影响耐低温菌株产纤维素酶的4个主要因素。并运用Central Composite Design(CCD)试验设计和响应曲面分析法(RSM),以CMCase为响应指标,分别对影响三株菌产酶的主要因素进行4因素5水平的试验设计与优化。影响哈茨木霉L8产酶的4个主要因素分别为:CMC-Na添加量、硫酸铵添加量、初始pH和卵磷脂添加量。通过优化得出哈茨木霉L8最优产酶条件为:当CMC-Na添加量10.63 g/L、硫酸铵添加量2.22 g/L、初始pH 5.29、卵磷脂添加量5.18 g/L时,CMCase达到53.401 IU/mL。影响奥尔森青霉L11的4个主要因素分别为:麸皮添加量、豆粉添加量、初始pH和卵磷脂添加量。奥尔森青霉L11最优产酶条件为:麸皮添加量11.05 g/L、豆粉添加量2.32 g/L、初始pH 5.23、卵磷脂添加量2.30 g/L时,CMCase达到48.809 IU/mL。影响脉孢霉L14的4个主要因素分别为:初始pH、麸皮添加量、酵母粉添加量和卵磷脂添加量。脉孢霉L14最佳产酶条件为:麸皮添加量10.45 g/L、酵母粉添加量5.28 g/L、pH 8.20、卵磷脂添加量4.25 g/L时,CMCase达到63.598 IU/mL。为验证响应曲面法给出纤维素酶与各主要因之间关系模型的可靠性,基于模型给出的最优产酶条件,进行三组验证实验,得出结果与模型模拟计算出的结果接近,验证了该模型具有可靠性。
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