自然結(jié)合的厭氧真菌與甲烷菌共培養(yǎng)物體外代謝特性及產(chǎn)乳酸潛力的初步研究.pdf

1、厭氧真菌是瘤胃中的一類重要纖維降解菌，能夠產(chǎn)生一系列的纖維降解酶（纖維素酶、木聚糖酶和酯酶等）。厭氧真菌與甲烷菌共培養(yǎng)能夠進一步促進厭氧真菌的纖維降解能力并且產(chǎn)生大量的甲烷。然而，之前大部分的研究都集中在純的厭氧真菌與純的甲烷菌的混合上。本實驗室分離得到的自然結(jié)合的厭氧真菌與甲烷菌的共培養(yǎng)物具有降解農(nóng)業(yè)廢物生產(chǎn)甲烷和酶的能力。本課題主要研究這種自然分離的厭氧真菌和甲烷菌共培養(yǎng)物在不同的底物條件下代謝特性的變化以及發(fā)酵粗淀粉類底物產(chǎn)乳酸的

2、潛力。本論文試驗研究分四部分，如下文所示。
　　 第一部分：利用實驗室先前分別從山羊瘤胃液和駱駝糞便中分離得到的自然結(jié)合的厭氧真菌和甲烷菌共培養(yǎng)物F1和N3發(fā)酵不同的底物木薯(M)、稻秸(D)、Na0H處理稻秸(A)和玉米芯(Y)以研究不同碳源對自然分離的共培養(yǎng)物的發(fā)酵特性的影響。結(jié)果顯示，在所有的處理組中，N3發(fā)酵木薯有最高的總產(chǎn)氣量(233mL)，累積甲烷產(chǎn)量(48.54mL)和乙酸產(chǎn)量(51.42mM)(P＜0.05)。N

3、aOH處理稻秸組的總產(chǎn)氣量、甲烷和乙酸產(chǎn)量要顯著高于未處理稻秸組（P＜0.05)。一般情況下，N3的纖維降解能力要強于F1。累積產(chǎn)氣量與累積甲烷產(chǎn)量間存在良好的正相關(guān)性(R2＞0.98)，但F1發(fā)酵木薯組除外。F1發(fā)酵木薯組有相對較低的乙酸(37.30mM)和甲烷(11.10mM)產(chǎn)量，而乳酸(26.44mM)和乙醇(14.91mM)產(chǎn)量顯著高于其它共培養(yǎng)組的乳酸產(chǎn)量(＜2mM)和乙醇產(chǎn)量(＜6mM)(P＜0.05)。所以，利用自然分離

4、的厭氧真菌和甲烷菌共培養(yǎng)物發(fā)酵木薯可以生產(chǎn)一些有價值的工業(yè)產(chǎn)品（甲烷和乳酸等）。
　　 第二部分：本試驗利用不同的厭氧真菌和甲烷菌共培養(yǎng)物（F1、F2和F）發(fā)酵木薯以進一步驗證第一章提出的解釋和假說，同時利用F1發(fā)酵從復(fù)雜到簡單的五種底物（木薯、可溶性淀粉、麥芽糊精、麥芽糖和葡萄糖）以研究其代謝特性的變化。結(jié)果表明，F(xiàn)2發(fā)酵木薯組的代謝特性與F1發(fā)酵木薯組的代謝特性差異不顯著(P＞0.05),F發(fā)酵木薯的總產(chǎn)氣量、甲烷、乙酸產(chǎn)量

5、顯著高于F1、F2發(fā)酵木薯的相應(yīng)指標(P＜0.05)。F發(fā)酵木薯的乳酸產(chǎn)量(2.33mM)顯著低于F1、F2發(fā)酵木薯的乳酸產(chǎn)量(P＜0.05)。F1發(fā)酵麥芽糖時，總產(chǎn)氣量、甲烷、乙酸產(chǎn)量是最高的(P＜0.05)，發(fā)酵木薯時，總產(chǎn)氣量、甲烷、乙酸產(chǎn)量是最低的(P＜0.05)。F1發(fā)酵木薯組的乳酸產(chǎn)量(30.51mM)是最高的，而葡萄糖組的乳酸產(chǎn)量(2.32mM)是最低的。麥芽糊精組的乳酸產(chǎn)量(28.00mM)與木薯組差異不顯著(P＞0.0

6、5)，但比木薯組略微偏低。麥芽糖組乳酸產(chǎn)量(4.87mM)與葡萄糖組差異不顯著(P＞0.05)，但比葡萄糖組略微偏高。木薯淀粉水解過程為：木薯淀粉→麥芽糊精→麥芽糖→葡萄糖。以木薯淀粉水解鏈上的四種主要物質(zhì)為底物，底物由簡單到復(fù)雜，乳酸產(chǎn)量逐漸上升。結(jié)果驗證了氫化酶體作為一種重要的物質(zhì)和能量代謝調(diào)節(jié)體的假說。
　　 第三部分：利用厭氧真菌與甲烷菌共培養(yǎng)物F1發(fā)酵不同的淀粉類底物以研究其產(chǎn)乳酸特性及乳酸產(chǎn)量與底物各成分含量間的關(guān)系

7、，進一步驗證第一章提出的假說，為工業(yè)應(yīng)用提供理論依據(jù)。結(jié)果顯示，不同類型淀粉類底物對共培養(yǎng)物F1的發(fā)酵特性存在較大影響。以米粉為底物時，其總產(chǎn)氣量是最高的，達到310.42mL/gDM，其次是玉米和紅薯，而以木薯為底物時，其產(chǎn)氣量是最低的(272.11mL/gDM)(P＜0.05)。以紅薯為底物時，甲烷產(chǎn)量是最高的，可達到54.04mL/gDM，然后依次是土豆、米粉、玉米和面粉（51.88、49.76、49.35和46.59mL/gDM

8、），以木薯為底物時，甲烷產(chǎn)量是最低的(P＜0.05)。乳酸產(chǎn)量最高的是以米粉為底物組(0.41g/gDM)，其次是以木薯為底物組(0.36g/gDM)，并且兩者之間差異不顯著(P＞0.05)。我們進一步分析發(fā)現(xiàn)，對于淀粉類底物而言，總產(chǎn)氣量與甲烷產(chǎn)量之間并不存在良好的相關(guān)性(R2＜0.76)。乳酸產(chǎn)量隨著底物中支鏈淀粉含量的增加而增加，但是以紅薯為底物組除外。所以，木著作為一種廉價的粗淀粉底物來源是F1發(fā)酵產(chǎn)乳酸的較理想底物。
　

9、　 第四部分：本試驗研究了不同木薯濃度（0.8g、1.0g、1.2g、1.6g、2.0g和2.4g）對F1發(fā)酵特性和乳酸產(chǎn)量的影響以及F1發(fā)酵木薯(0.8g)產(chǎn)生的主要代謝產(chǎn)物隨時間變化規(guī)律。乳酸產(chǎn)量隨木薯濃度的增加呈逐漸上升的趨勢，但從2.0g增加到2.4g時乳酸濃度開始下降。在2.0g時，乳酸濃度最高達到56.29mM。甲烷和乙酸的變化趨勢基本一致，并且從1.0g開始隨著底物濃度的增加，甲烷和乙酸的產(chǎn)量逐漸下降。F1發(fā)酵木薯組的乳

10、酸產(chǎn)量隨著發(fā)酵的進行迅速增加，在48h時基本達到最大，之后趨于不變。F1發(fā)酵木薯組的主要代謝產(chǎn)物產(chǎn)量（乳酸、乙酸、甲烷）隨時間變化趨勢非常相似，呈現(xiàn)近似的“S”型變化曲線，與累積產(chǎn)氣量隨時間的變化曲線非常相似。所以，F(xiàn)1發(fā)酵木薯的最佳濃度范圍在2.0g-2.4g之間；以0.8g木薯為底物進行發(fā)酵，48h時乳酸濃度達到最大，隨后保持不變；在一定范圍內(nèi)提高發(fā)酵碳水化合物的濃度使得共培養(yǎng)物最終代謝產(chǎn)物的總產(chǎn)量增加，同時使得碳水化合物代謝從氫化