一株丁酸梭菌的分离及其发酵纤维素产酸影响因素研究

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为开发降解纤维素发酵产丁酸菌的种子资源,从牛粪、猪粪堆肥、玉米地土壤和腐木混合物的富集样品中分离得到一株厌氧降解纤维素产丁酸菌。该菌株细胞呈杆状,长9-12μm,直径3μm,在分类上属于丁酸梭菌(Clostridium butyricum),命名为C. Butyricum DCB。本实验采用Logistic和Leudeking-piret模型研究了菌株DCB的增殖与代谢动力学特征。在35℃条件下,菌株DCB在纤维二糖液体培养基和葡萄糖液体培养基中的最大比生长速率分别为0.6536和0.4359h-1,世代时间分别为1.06和1.59h,纤维二糖和葡萄糖降解速率分别为0.1和0.2g/L·h,乙酸生成速率分别为0.036和0.02g/L·h,丁酸生成速率为0.06和0.02g/L·h,有机挥发酸(VFAs)生成速率分别为0.096和0.03g/L·h。菌株DCB以微晶纤维素为底物,以NH4Cl为氮源进行发酵,在20℃条件下其活性受到抑制但能够生长,此时菌体选择能够产生更多能量的乙酸代谢途径,产生的能量主要用来满足菌体在不良环境下的生长需要;在50℃条件下菌体活性完全受到抑制停止生长。在35℃、初始pH6.5和以NH4NO3为氮源条件下,菌株DCB以微晶纤维素为底物的发酵产酸效能最佳,VFAs产率最高达到0.033g/g,乙酸和VFAs产量分别为0.21和0.45g/L,丁酸占VFAs的60%。以(NH4)2SO4替代NH4NO3为氮源时,菌株DCB以微晶纤维素为底物的丁酸转化率和丁酸产率分别可高达到0.22和0.027g/g,但系统的丁酸累积量仅为0.27g/L,乙酸和VFAs累积量分别为0.11和0.39g/L,丁酸占VFAs的71%。在35℃条件下,菌株DCB可以利用的纤维素类底物包括微晶纤维素、预处理稻草、滤纸和未处理稻草,其中对预处理的稻草降解能力最强但VFAs转化率相对较低,对未处理的稻草的降解能力较差但VFAs转化率相对较高,对滤纸的降解能力和VFAs转化率均较低。如何进一步提高菌株DCB对纤维素的丁酸转化率和发酵系统的丁酸累积量,是决定其应用前景的关键技术问题。在后续研究中,需要对其生理生化和生理生态特征进行更加全面的研究,并通过底物浓度、氮源、C/N值、pH、缓冲剂、促进剂等条件的优化,进一步提高丁酸得率和丁酸积累量,为其工业化应用奠定基础。
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