木质素分解复合菌系的筛选及其在生物机械制浆技术中的应用

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木质素为一种由苯丙烷结构组成的高聚合度物质,其作为木质纤维素的组成成分之一,在造纸制浆技术中,影响着制浆、漂白等过程,制约着植物纤维原料的有效利用。对于木质素的微生物分解,真菌,尤其是白腐真菌研究较多,细菌研究较少,且对于细菌的木质素分解研究,主要围绕探索不同种类细菌对木质素是否有分解作用以及单菌木质素分解机制而展开,对于细菌复合菌系的木质素分解研究极为鲜见;但据研究表明,细菌复合菌系对木质纤维素的分解十分有效,因此探索细菌复合菌系对木质素的分解作用,十分具有研究价值。本研究利用限制培养法,从大庆芦苇湿地中筛选出一个具有高效分解木质素的复合菌系LDC,优化其培养条件与培养基成分,提高了其分解效率;采用平板分离技术、16S rDNA克隆文库技术、限制性酶切技术(ADRAR)分析了其微生物组成多样性;利用微波·超声·碱液以及爆破·碱液预处理技术对非木材造纸原料—芦苇进行预处理,优化了LDC应用于芦苇制浆的预处理条件;结合机械制浆技术,将生物预处理后的半料进行制浆,比较了其与化机浆成浆特性的条件与差别,探索了利用LDC生产生物机械浆的可行性。其具体结果如下:(1)从芦苇湿地中筛选了1个木质素分解复合菌系LDC,在培养时间为15d,初始培养温度为30℃,培养基初始pH为8.3的情况下,可分解20.7%的碱性木质素,60.9%芦苇中的木质素,43.0%芦苇中的半纤维素与2.0%芦苇中的纤维素;经培养条件优化后,其可在培养7d,培养温度为32.0℃,培养基初始pH为8.0的条件下,分解70.0%芦苇中的木质素,43.0%芦苇中的半纤维素,而芦苇中的纤维素很少被分解。(2)利用平板分离法,从木质素分解复合菌系LDC中共得到6株纯培养菌株,其包括两株类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.),两株假单孢菌(Pseudomonas sp.),一株微杆菌属细菌(Microbacteriumpumilum),一株不动杆菌属细菌(Acinetobacter sp.),以上菌株都可以利用愈创木酚,其中只有类芽孢杆菌与假单胞菌可利用碱性木质素,但此6株单菌均可在以芦苇为碳源的培养基中生长;16S rDNA克隆文库技术与ADRAR结果证明:LDC在木质素分解培养基中,由18种OTUs组成,包括梭菌属(Clostridiales),地弧菌属(Geovibrio thiophilus),脱硫菌属(Desulfomicrobium),假单胞菌(Pseudomonassp.),固氮弓菌属(Azoarcus sp.),索氏菌属(Thauera),类芽孢杆菌属(Paenibacillus sp.),腰豆柯恩氏菌(Cohnella sp.),不动杆菌属(Acinetobacter sp.),微杆菌属(Microbacterium)以及未培养细菌,其中以假单孢菌与脱硫菌属细菌所占比例最高,其比例分别为25.2%与10.9%。而在纤维素分解培养基中,其由9种OTUs组成,包括脱硫菌属,假单胞菌,固氮弓菌属、拟杆菌属(Bacteroidetes),梭菌属以及未培养细菌,其中假单胞菌与梭菌属所占比例最高,其比例分别为34.8%与31.4%。(3)通过Plackett-Burman试验,探索在微波、超声、碱液预处理条件中,对芦苇中木质素去除率影响最为显著的因素为碱液;通过Box-Behnken响应面试验,得出爆破与碱液预处理的最佳预处理条件为爆破压力为0.62MP,用碱量为2.45%,处理时间为23.7h,而此爆破条件抑制LDC的生长,因此只取用碱量为3.00%,芦苇处理时间为24h,作为芦苇秸秆微生物分解的预处理条件。(4)对LDC预处理后的芦苇半料进行机械制浆,生物预处理3d的样品成纸性能较好,且其同比条件下,纸张性能与化学常压预处理(用碱量6%、处理时间150min、处理温度100℃、液比1:4)和化学高压预处理(用碱量6%、处理时间20min、处理温度130℃、液比1:4)性能相当,从而验证了利用LDC生产生物机械制浆的可行性。
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