生物質(zhì)是豐富存在的、可再生的、具有取代化石能源潛力的能源。在能夠降解木質(zhì)纖維素微生物中,嗜熱厭氧的熱纖梭菌(Clostridium thermocellum)是目前所知的降解纖維素最快的菌株。它進化形成一個高度組織化的、多酶復合體—纖維小體,來實現(xiàn)對纖維素的高效降解。熱纖梭菌難以分純,在環(huán)境中和一些非纖維降解菌生長在一起。我們發(fā)現(xiàn)共培養(yǎng)熱纖梭菌(Clostridium thermocellum)和熱厭氧熱解糖桿菌(Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum)明顯促進了纖維素向生物燃料的轉(zhuǎn)化。在本文第二章,我們研究了兩種菌的相互關(guān)系,并發(fā)現(xiàn)了纖維素降解效率變化的背后機制,與之前所得出的兩者是一種互利共生的關(guān)系的結(jié)論不同的是,熱纖梭菌和熱厭氧熱解糖桿菌是一種偏害共生的關(guān)系。雖然非纖維降解菌熱厭氧熱解糖桿菌通過熱纖梭菌降解木質(zhì)纖維素獲得更多的纖維二糖和葡萄糖,解除熱纖梭菌的碳阻遏效應。但是,結(jié)果表明熱厭氧熱解糖桿菌在共培養(yǎng)系統(tǒng)中明顯阻遏了熱纖梭菌的生長。與熱纖梭菌相比,熱厭氧熱解糖桿菌具有更強的代謝優(yōu)勢,我們也加入能夠刺激熱厭氧熱解糖桿菌生長的碳源,來調(diào)控和平衡微生物菌群,促進纖維素的降解和轉(zhuǎn)化。在本文的第三章,根據(jù)先前的研究發(fā)現(xiàn),混合培養(yǎng)C.thermocellum JN4和非纖維素降解菌株Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum GD17 比單獨培養(yǎng)JN4產(chǎn)生更多的H2,然而提高的原因不明。在研究中,我們從進化和基因組的角度分析了兩種菌的氫酶基因,分別在JN4和GD17證實了 5種和4種[FeFe]型氫酶,并且兩種菌各有一種Ech[NiFe]型氫酶。通過轉(zhuǎn)錄水平的數(shù)據(jù)分析,JN4編碼氫酶的基因受碳源葡萄糖和纖維二糖調(diào)控。而GD17則不受調(diào)控,但與單培養(yǎng)相比,混合培養(yǎng)可以使GD17氫酶基因的轉(zhuǎn)錄發(fā)生變化。而JN4沒有改變。通過代謝水平的分析,GD17產(chǎn)H2的速率是JN4的4-12倍。這些結(jié)果可以得出混合培養(yǎng)過程中氫氣提高的原因是由于GD17引起的。進一步實驗表明,在混合培養(yǎng)中兩種菌執(zhí)行專一化的任務,提高混合菌中非纖維素降解菌的比例可以提高生物氫的產(chǎn)出。所以如何調(diào)控混合菌群各個菌的比例是今后的發(fā)展研究方向。總之,本文主要探討了熱纖梭菌JN4和非纖維素降解菌株GD17在降解木質(zhì)纖維素培養(yǎng)過程中的共生關(guān)系,提出了兩種菌不是互利共生,而是偏害共生關(guān)系。同時證實了兩種菌共培養(yǎng)時氫氣產(chǎn)量提高是由于非纖維素降解菌GD17所導致的。這些研究為我們設計和優(yōu)化纖維素降解菌和非纖維素降解菌組成的微生物菌群、提高纖維素轉(zhuǎn)化奠定基礎。
【學位單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：TK6
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
符號說明及縮略詞
第一章 緒論
    1.1 生物質(zhì)能源和木質(zhì)纖維素的降解
        1.1.1 概要
        1.1.2 生物質(zhì)能和生物燃氣
        1.1.3 氫能和生物氫能
    1.2 熱纖梭菌的發(fā)酵產(chǎn)氫
        1.2.1 微生物制氫的分類和比較
        1.2.2 熱纖梭菌
        1.2.3 纖維素酶和嗜熱纖維素酶
        1.2.4 纖維小體
        1.2.5 熱纖梭菌纖維素降解相關(guān)酶系的表達調(diào)控
    1.3 微生物菌群在降解木質(zhì)纖維方面的研究現(xiàn)狀
        1.3.1 微生物之間關(guān)系
        1.3.2 微生物相互關(guān)系的研究方法
        1.3.3 菌群在合成生物學方面的研究
        1.3.4 熱纖梭菌和非纖維素降解菌的聯(lián)合培養(yǎng)
    1.4 氫酶
        1.4.1 氫酶的性質(zhì)和分類
        1.4.2 氫酶的分布和功能
        1.4.3 梭菌的產(chǎn)氫的代謝途徑
第二章 熱纖梭菌和非纖維降解伴生菌偏害共生關(guān)系的研究
    2.1 材料與方法
        2.1.1 本章所用菌株
        2.1.2 培養(yǎng)基和培養(yǎng)條件
        2.1.3 主要試劑和儀器
        2.1.4 分析方法
    2.2 結(jié)果與討論
        2.2.1 混合菌群中JN4、GD17的驗證以及代謝終產(chǎn)物的分析對比
        2.2.2 混合培養(yǎng)下木質(zhì)纖維素降解相關(guān)基因的抑制解除
        2.2.3 與單培養(yǎng)相比,混合培養(yǎng)并沒有改變纖維素的利用效率
        2.2.4 GD17明顯損害了JN4的生長量
        2.2.5 熱纖梭菌和熱厭氧熱解糖桿菌的代謝分析
        2.2.6 熱纖梭菌和熱厭氧熱解糖桿菌偏害共生的關(guān)系模型
        2.2.7 加入外源物質(zhì)對菌群在降解纖維素方面的調(diào)控
    2.3 本章小結(jié)
第三章 混合培養(yǎng)熱纖梭菌和熱厭氧熱解糖桿菌的產(chǎn)氫的研究
    3.1 材料與方法
        3.1.1 菌株及載體
        3.1.2 培養(yǎng)基配方及條件
        3.1.3 常用儀器設備
        3.1.4 主要試劑和方法
    3.2 結(jié)果與討論
        3.2.1 熱纖梭菌和熱厭氧熱解糖桿菌的氫酶編碼基因
        3.2.2 熱纖梭菌和熱厭氧熱解糖桿菌的氫酶基因在操縱子上組織形式
        3.2.3 碳源對熱纖梭菌和熱厭氧熱解糖桿菌氫酶基因的調(diào)控
        3.2.4 共培養(yǎng)熱纖梭菌和熱厭氧熱解糖桿菌下氫酶基因的轉(zhuǎn)錄水平
        3.2.5 熱纖梭菌和熱厭氧熱解糖桿菌代謝產(chǎn)氫的速率和產(chǎn)量
    3.3 本章小結(jié)
全文總結(jié)及展望
參考文獻
附錄
攻讀學位期間已(待)發(fā)表的學術(shù)論文
致謝
學位論文評閱及答辯倩況表

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本文編號：2843337