1株瓦克青霉降解玉米秸秆条件的初步研究

孙军德，王鹤，侯静，郝捷

(沈阳农业大学，辽宁沈阳110866)

随着人口增长和人们生活水平的提高，能源危机、食物短缺和环境污染等问题日益严重，寻找开发新能源、减少环境污染的有效途径，显得越来越重要。纤维素是地球上最大的可再生有机资源［1-3］，可广泛用于生产酒精、沼气、牲畜饲料、肥料等领域［4］。我国各类农作物纤维资源十分丰富，其中玉米秸秆约2.2亿t［5］，除了少部分被利用外，大部分堆积、烧荒等造成污染和浪费。本文采用自行筛选获得的1株产纤维素酶活力较高的瓦克青霉菌株，开展降解玉米秸秆模拟试验，为进一步的研究利用奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 菌种分离自沈阳农业大学植物园覆盖枯枝败叶的土样和腐木，经鉴定为瓦克青霉(Penicillium waskmanii ZN6)，保存于沈阳农业大学微生物学实验室。

1.1.2 秸秆降解培养基玉米秸秆粉4 g，麸皮1 g，KH2PO44 g/L，(NH4)2SO416 g/L，MgSO41 g/L，CaCl2·2H2O 3 g/L。

1.2 方法

1.2.1 酶活测定方法粗酶液的制备:将发酵液于4℃、8 500 r/min下离心10 min，得到上清液即为粗酶液。FPA酶活力测定:参照冯磊［6］的方法稍作改进，取1 mL稀释适当倍数的酶液，加入以1 cm×6 cm的卷成小卷的新华滤纸为底物1 mg，再加入1 mL pH 4.8的醋酸缓冲溶液于55℃保温60 min，再加入3 mL DNS试剂，于沸水中煮15 min，在550 nm处比色。以1 mL酶液1 min由底物产生1 μmol还原糖所需的酶量为一个酶活力单位，用IU/g表示。

1.2.2 试验方法采用单因素试验，FPA酶活力为测定指标，考察菌株降解秸秆的主要条件，每个处理设3次重复，数据用Excel软件处理取其平均值。①降解时间:以PDA液体培养基120 r/min摇床培养48 h的ZN6菌液做种子，按10%接种量(体积比)接种于秸秆降解培养基，32℃培养，每隔24 h测FPA酶活力;②接种量:以PDA液体培养基120 r/min摇床培养48 h的ZN6菌液为种子，接种量(体积比)分别为2%、6%、10%、14%接种于秸秆降解培养基中，32℃培养72 h后测FPA酶活力;③降解温度:以PDA液体培养基120 r/min摇床培养48 h的ZN6的菌液按10%接种量(体积比)接入秸秆降解培养基中，分别于26、29、32、35、38℃下培养72 h测FPA酶活力;④初始pH:以PDA液体培养基120 r/min摇床培养48 h的ZN6的菌液按10%接种量(体积比)接入起始pH分别为4.5、5.0、5.5、6.0、6.5的秸秆降解培养基中，32℃培养72 h后测FPA酶活力;⑤麸皮含量:以PDA液体培养基120 r/min摇床培养48 h的ZN6的菌液按10%接种量(体积比)接入起始pH为5.0的麸皮含量分别为0%、10%、20%、30%、40%、50%的秸秆降解培养基32℃培养72 h后测FPA酶活力。

2 结果与分析

2.1 降解时间与FPA酶活力的关系

图1 降解时间对FPA酶活力的影响Fig.1 Effect of degradation condition on FPA activity

由图1可知，酶的活力随着降解时间的推移不断增大;在48～72 h内增幅比较大，当培养到第72 h时，FPA酶活力达到最大值4.53 IU/g，72 h后酶活力增加缓慢，变化不明显。因此，降解时间以72 h为最好。

2.2 接种量对FPA酶活力的影响

图2 接种量对FPA酶活力的影响Fig.2 Effect of inoculation quantity on FPA activity

如图2表明，接种量为6%时酶活力最高，培养基营养比较充足。接种量过低使得营养过剩，菌丝体徒长，产酶相对滞后;接种量过大使得菌丝体增长迅速，培养后期营养匮乏，不利于产酶，因此最适接种量为6%。由此可见，接种量对酶活力有很大影响。

2.3 降解温度对FPA酶活力的影响

图3 降解温度对FPA酶活力的影响Fig.3 Effect of degradation temperature on FPA activity

如图3所示产酶的最适温度是32℃，温度过低，菌体生长缓慢，孢子数量少，但是酶活力高峰期出现晚。温度过高，菌体生长旺盛，孢子多，但酶量偏低。

2.4 起始pH值对FPA酶活力的影响

图4 初始pH对FPA酶活力的影响Fig.4 Effect of original pH on FPA activity

如图4所示，在pH 4.5～6.5范围内，随着pH值的升高，酶活呈现先升高后下降的趋势，产酶最适起始pH值在5.0。

2.5 麸皮含量对FPA酶活力的影响

图5 麸皮含量对FPA酶活力的影响Fig.5 Effect of the ratio of wheat bran on FPA activity

从图5可以看出，当麸皮含量为20%时酶活力达到最高。而随着麸皮含量的增加酶活力反而呈现降低的趋势。麸皮含量从0%～10%酶活力增加明显，10%～20%增加缓慢。由此可见，麸皮对菌种酶活力的影响是双向的。一方面在降解初期为产酶提供必要的营养因子，提高降解初期的动力;另一方面，麸皮量增加又会降低培养基的蓬松程度，使通气量降低，从而影响酶活力。根据生产实际需要，从节约成本角度出发，麸皮含量定在10%为宜。

3 讨论

具有高产纤维素酶的菌株有利于更好地将秸秆纤维素转换为乙醇及其他产品。本实验所用瓦克青霉(Penicillium waskmanii ZN6)具有降解玉米秸秆的潜力，通过降解条件研究结果显示，在适宜的条件下:降解时间72 h，降解温度32℃，起始pH 5.0，麸皮10%，发酵液滤纸酶活可达6.27 IU/g。

本实验通过对瓦克青霉降解玉米秸秆条件的初步研究，优化了其降解玉米秸秆的条件，为进一步研究秸秆转化为燃料物质提供了基础。

［1］ 胡春霞，宋会仪.真菌纤维酶及其在饲料中的应用［J］.饲料工业，2006，27(16):15-17.

［2］ M.Petre，G，Zarnea，P.Adrian，et al.Biodegradation and bioconversion of cellulose wastes using bacterial and fungal cells immobilized in radiopolymerized hydrogels［J］.Resource Conservation and Recycling，1999，27(5):309-332.

［3］ Scott TA，Hall JW.Using acid insoluble ash marker ratios to predict digestibility of wheat and barley metabolizable energy and nitrogen retention in broiler chicks［J］.Poult Sci，1998，77(5):674-679.

［4］ 汪海波，秦元萍，余康，等.我国农作物秸秆资源的分布、利用与开发策略［J］.国土与自然资源研究，2008，(2):92-93.

［5］ 张继泉，孙玉英，关凤梅，等.玉米秸秆纤维素酶解条件的初步研究［J］.粮食与饲料工业，2002，(4):21-23.

［6］ 冯磊.工业纤维素酶的测定和比较［J］.无锡轻工业学院学报，1994，3(4):323-329.