自然结合的厌氧真菌与甲烷菌共培养物体外代谢特性及产乳酸潜力的初步研究

【摘要】：厌氧真菌是瘤胃中的一类重要纤维降解菌,能够产生一系列的纤维降解酶(纤维素酶、木聚糖酶和酯酶等)。厌氧真菌与甲烷菌共培养能够进一步促进厌氧真菌的纤维降解能力并且产生大量的甲烷。然而,之前大部分的研究都集中在纯的厌氧真菌与纯的甲烷菌的混合上。本实验室分离得到的自然结合的厌氧真菌与甲烷菌的共培养物具有降解农业废物生产甲烷和酶的能力。本课题主要研究这种自然分离的厌氧真菌和甲烷菌共培养物在不同的底物条件下代谢特性的变化以及发酵粗淀粉类底物产乳酸的潜力。本论文试验研究分四部分,如下文所示。 第一部分：利用实验室先前分别从山羊瘤胃液和骆驼粪便中分离得到的自然结合的厌氧真菌和甲烷菌共培养物F1和N3发酵不同的底物木薯(M)、稻秸(D)、NaOH处理稻秸(A)和玉米芯(Y)以研究不同碳源对自然分离的共培养物的发酵特性的影响。结果显示,在所有的处理组中,N3发酵木薯有最高的总产气量(233mL),累积甲烷产量(48.54mL)和乙酸产量(51.42mM)(P0.05)。NaOH处理稻秸组的总产气量、甲烷和乙酸产量要显著高于未处理稻秸组(P0.05)。一般情况下,N3的纤维降解能力要强于F1。累积产气量与累积甲烷产量间存在良好的正相关性(R20.98),但F1发酵木薯组除外。F1发酵木薯组有相对较低的乙酸(37.30mM)和甲烷(11.10mM)产量,而乳酸(26.44mM)和乙醇(14.91mM)产量显著高于其它共培养组的乳酸产量(2mM)和乙醇产量(6mM)(P0.05)。所以,利用自然分离的厌氧真菌和甲烷菌共培养物发酵木薯可以生产一些有价值的工业产品(甲烷和乳酸等)。 第二部分：本试验利用不同的厌氧真菌和甲烷菌共培养物(F1、F2和F)发酵木薯以进一步验证第一章提出的解释和假说,同时利用F1发酵从复杂到简单的五种底物(木薯、可溶性淀粉、麦芽糊精、麦芽糖和葡萄糖)以研究其代谢特性的变化。结果表明,F2发酵木薯组的代谢特性与F1发酵木薯组的代谢特性差异不显著(P0.05),F发酵木薯的总产气量、甲烷、乙酸产量显著高于F1、F2发酵木薯的相应指标(P0.05)。F发酵木薯的乳酸产量(2.33mM)显著低于F1、F2发酵木薯的乳酸产量(P0.05)。F1发酵麦芽糖时,总产气量、甲烷、乙酸产量是最高的(P0.05),发酵木薯时,总产气量、甲烷、乙酸产量是最低的(P0.05)。F1发酵木薯组的乳酸产量(30.51mM)是最高的,而葡萄糖组的乳酸产量(2.32mM)是最低的。麦芽糊精组的乳酸产量(28.00mM)与木薯组差异不显著(P0.05),但比木薯组略微偏低。麦芽糖组乳酸产量(4.87mM)与葡萄糖组差异不显著(P0.05),但比葡萄糖组略微偏高。木薯淀粉水解过程为：木薯淀粉→麦芽糊精→麦芽糖→葡萄糖。以木薯淀粉水解链上的四种主要物质为底物,底物由简单到复杂,乳酸产量逐渐上升。结果验证了氢化酶体作为一种重要的物质和能量代谢调节体的假说。 第三部分：利用厌氧真菌与甲烷菌共培养物F1发酵不同的淀粉类底物以研究其产乳酸特性及乳酸产量与底物各成分含量间的关系,进一步验证第一章提出的假说,为工业应用提供理论依据。结果显示,不同类型淀粉类底物对共培养物F1的发酵特性存在较大影响。以米粉为底物时,其总产气量是最高的,达到310.42mL/g DM,其次是玉米和红薯,而以木薯为底物时,其产气量是最低的(272.11mL/g DM)(P0.05)。以红薯为底物时,甲烷产量是最高的,可达到54.04mL/g DM,然后依次是土豆、米粉、玉米和面粉(51.88、49.76、49.35和46.59mL/g DM),以木薯为底物时,甲烷产量是最低的(P0.05)。乳酸产量最高的是以米粉为底物组(0.41g/g DM),其次是以木薯为底物组(0.36g/g DM),并且两者之间差异不显著(P0.05)。我们进一步分析发现,对于淀粉类底物而言,总产气量与甲烷产量之间并不存在良好的相关性(R20.76)。乳酸产量随着底物中支链淀粉含量的增加而增加,但是以红薯为底物组除外。所以,木薯作为一种廉价的粗淀粉底物来源是F1发酵产乳酸的较理想底物。 第四部分：本试验研究了不同木薯浓度(0.8g、1.0g、1.2g、1.6g、2.0g和2.4g)对F1发酵特性和乳酸产量的影响以及F1发酵木薯(0.8g)产生的主要代谢产物随时间变化规律。乳酸产量随木薯浓度的增加呈逐渐上升的趋势,但从2.0g增加到2.4g时乳酸浓度开始下降。在2.0g时,乳酸浓度最高达到56.29mM。甲烷和乙酸的变化趋势基本一致,并且从1.0g开始随着底物浓度的增加,甲烷和乙酸的产量逐渐下降。F1发酵木薯组的乳酸产量随着发酵的进行迅速增加,在48h时基本达到最大,之后趋于不变。F1发酵木薯组的主要代谢产物产量(乳酸、乙酸、甲烷)随时间变化趋势非常相似,呈现近似的“S”型变化曲线,与累积产气量随时间的变化曲线非常相似。所以,F1发酵木薯的最佳浓度范围在2.0g-2.4g之间；以0.8g木薯为底物进行发酵,48h时乳酸浓度达到最大,随后保持不变；在一定范围内提高发酵碳水化合物的浓度使得共培养物最终代谢产物的总产量增加,同时使得碳水化合物代谢从氢化酶体相对转向细胞质代谢。 【关键词】：共培养物 厌氧真菌 甲烷菌 发酵特性 乳酸 木薯
【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：S852.6
【目录】：

• 目录4-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-11
• 缩略符号11-12
• 引言12-14
• 文献综述14-34
• 1 微生物代谢及代谢调控14-17
• 1.1 微生物代谢14-15
• 1.2 微生物代谢调控及代谢工程15-17
• 1.3 小结17
• 2 乳酸生产代谢及调控17-21
• 2.1 乳酸生产的微生物来源17-19
• 2.2 乳酸生产的碳源19-20
• 2.3 乳酸生产代谢调控20-21
• 2.4 小结21
• 3 厌氧真菌21-32
• 3.1 厌氧真菌的多样性22-23
• 3.2 厌氧真菌的酶体系及对底物的降解23-24
• 3.3 厌氧真菌的代谢途径及其氢化酶体24-30
• 3.4 厌氧真菌与甲烷菌30-31
• 3.5 本实验室研究进展及厌氧真菌与甲炕菌共培养体系的建立31-32
• 3.6 小结32
• 4 本研究的目的和意义32-34
• 第一章 自然分离的厌氧真菌与甲烷菌共培养物对不同碳源的发酵特性比较34-50
• 摘要34-35
• 1 材料和方法35-40
• 1.1 材料35-37
• 1.2 方法37-40
• 1.3 主要试剂和仪器40
• 1.4 数据处理40
• 2 结果分析40-45
• 2.1 pH值、产气量与甲烷产量40-43
• 2.2 主要代谢产物43-45
• 3 结果讨论45-48
• 4 小结48-49
• ABSTRACT49-50
• 第二章 F1发酵木薯代谢转移初探50-58
• 摘要50-51
• 1 材料和方法51-52
• 1.1 材料51
• 1.2 方法51-52
• 1.3 主要试剂和仪器52
• 1.4 数据处理52
• 2 结果分析52-54
• 2.1 不同厌氧真菌与甲烷菌共培养物发酵木薯的特性52
• 2.2 F1对不同碳源的代谢特性52-54
• 3 结果讨论54-55
• 3.1 不同厌氧真菌与甲烷菌共培养物发酵木薯的特性54
• 3.2 F1对不同碳源的代谢特性54-55
• 4 小结55-56
• ABSTRACT56-58
• 第三章 厌氧真菌与甲烷菌共培养物转化粗淀粉类底物产乳酸的研究58-66
• 摘要58-59
• 1 材料和方法59-60
• 1.1 材料59
• 1.2 方法59-60
• 1.3 主要试剂和仪器60
• 1.4 数据处理60
• 2 结果分析60-61
• 2.1 发酵底物主成分分析60-61
• 2.2 发酵结果分析61
• 3 结果讨论61-63
• 4 小结63-64
• ABSTRACT64-66
• 第四章 共培养物F1发酵木薯产乳酸的动态变化研究66-76
• 摘要66-67
• 1 材料和方法67-68
• 1.1 材料67
• 1.2 方法67
• 1.3 主要试剂和仪器67-68
• 1.4 数据处理68
• 2 结果分析68-71
• 2.1 底物浓度对F1发酵木薯的影响68-69
• 2.2 代谢特性随时间变化规律69-71
• 3 结果讨论71-73
• 4 小结73-74
• ABSTRACT:74-76
• 全文结论76-78
• 参考文献78-88
• 致谢88-90
• 已发表文章90

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