降解芦苇木素复合菌种的选育

卢庆华 邢孟兰 蔡 禄

(内蒙古科技大学生物工程与技术研究所,内蒙古包头,014010)



·混合菌种选育·

降解芦苇木素复合菌种的选育

卢庆华 邢孟兰 蔡 禄

(内蒙古科技大学生物工程与技术研究所,内蒙古包头,014010)

选用普通青霉菌(A)、产黄青霉菌(B)、向病菌(C)和烟曲霉菌(D)作为实验菌种对芦苇木素进行降解。通过对 4种菌种进行不同比例的复合制成复合菌,比较木素降解率,从而确定最佳复合菌。然后进行复合菌种不同复合方式、不同复合比例和固液比的优化,得到最佳复合菌。结果表明,ABD复合菌木素降解率最高,ABD复合菌在8天、复合比例为A：B：D=1：4：16时,木素含量为10.7%,降解率达67.3%。

复合菌种；高效降解；木素；菌种选育；芦苇

我国森林资源匮乏,但拥有丰富的非木材资源——芦苇。因此,以芦苇代替木材进行制浆造纸,是解决目前木材资源短缺,促进造纸行业发展的必经之路[1]。芦苇在我国分布广泛,目前主要集中分布在湖南、湖北、东北、内蒙古、新疆等[2]。在内蒙古乌梁素海地区,芦苇面积已达120 km2,占全湖面积的2/5,产量可达10万t,是当地造纸厂的主要原料基地[3]。但是传统的物理化学法制浆存在高能耗、污染严重等缺点,以至于多家造纸厂被关停,致使芦苇不能得到利用。由于水体的富营养化使乌梁素海中的芦苇大量生长繁衍,现已遍及全湖,使得乌梁素海沼泽化程度越来越大；水生生物生存空间缩小,生物多样性下降[4]。因此采用无污染或少污染的制浆方法,在我国有着特殊的意义[5]。但是要想有效利用木材纤维素原料中的纤维素和半纤维素就必须首先将它们从木素的束缚中解脱出来。利用对木素具有选择性降解能力的微生物对造纸原料进行预处理成为该类研究的一个方向[6]。

许多研究学者在筛选得到木素降解菌上做了大量的工作,但以往的工作都集中在菌种的培养、产酶条件的优化以及单菌种降解预处理木素等工艺的优化[7-8]。而木素的降解是微生物共同作用的结果,所以近几年研究者多将目光投向了复合菌种的木素降解上。研究表明复合菌种比单一菌种对木素的降解效果更好[9-11]。因此本实验对4种木素降解菌种进行了协同降解芦苇木素组合方式的探索,并对其降解效应进行优化,通过考察复合菌对芦苇木素的降解效率,选育出优势复合菌,以期为芦苇的综合利用提供理论与数据参考。

1 实 验

1.1 实验材料

实验菌种：普通青霉菌(A),产黄青霉菌(B),向病菌(C),烟曲霉菌(D)。4种菌都由本实验室筛选得到,由北京三博生物技术有限公司鉴定,都具有降解木素的能力。

芦苇,取自内蒙古巴彦淖尔市的乌梁素海。芦苇切成2 cm左右待用。经测定芦苇的木素含量为32.6%,综纤维素含量为50.5%。

1.2 实验方法

1.2.1 单菌种降解芦苇木素

先培养、活化实验所用4种菌种。将活化好的菌液以培养液5%的接种量接种于PDA培养基中,温度30℃,转速170 r/min,培养3天后,向装有300 mL菌液的锥形瓶中加入10 g芦苇浸泡,之后每2天取样1次,分别测定酸不溶木素含量,确定最佳菌种。再进行芦苇和菌液量用量比的优化,即在10 g芦苇中分别加入100、150、200、250、300 mL的菌液进行优化，即固液比为1：10、1：15、1：20、1：25、1：30。酸不溶木素含量的测定按照GB/ T 747—2003进行。

1.2.2 2种菌复合降解芦苇木素

将A、B、C、D 4种菌采用两两菌种复合方式进行复合,分别为AB、AC、AD、BC、BD、CD。按照以上复合方式将菌液以1：1的比例接入PDA培养基中放入摇床培养。培养3天后,分别向每瓶培养基中加入芦苇10 g,每2天取样1次,测量酸不溶木素含量,得到最优组合后,然后进行菌液量和芦苇加入量比例的优化(方法同单菌)。再对降解效果最好的复合菌种进行复合比例的优化,其复合比(质量比)例为2：1、1：2、3：1、1：3、1：4、4：1、1：5、5：1。

1.2.3 3种菌复合降解芦苇木素

将A、B、C、D进行3种菌复合,共有4种复合方式。分别为ABC、ABD、ACD、BCD。培养方法与2种菌复合的相同。

1.2.4 4种菌复合降解芦苇木素

将A、B、C、D 4种菌复合,只有1种复合方式,为ABCD。培养方法与2种菌复合的相同。

2 结果与分析

在前期的实验过程中发现,在降解时间超过10天时,木素的含量又增加了,可能是由于木素被破坏以后,释放出的纤维素也开始被降解,所以木素含量呈先下降后上升的趋势。而且大于10天的降解时间较长,因此,以下实验都把降解时间控制在10天以内,以期得到快速、高效的木素降解菌种。

2.1 单菌种降解芦苇木素及条件优化

图1为单菌种降解对芦苇木素含量的影响。由图1可以看出,B菌降解效果最好,随着降解时间的延长，木素含量呈下降趋势,在第10天时,木素的降解率为38.8%。

图1 单菌种对芦苇木素含量的影响

由图1可知,B菌降解芦苇木素效果最好,在此基础之上,对B菌降解芦苇木素的条件进行优化,图2为B菌固液比(芦苇：菌液,以下同)对木素含量的影响。从图2可知,当固液比为1：20时,降解效果最好,在第10天时,降解率为46.5%。

图2 B菌固液比对芦苇木素含量的影响

2.2 2种菌复合降解芦苇木素及条件优化

图3为2种菌复合降解对芦苇木素含量的影响。由图3可知,2种菌复合降解芦苇木素时,木素含量随着降解时间的增加都有所降低,在第4天时,BC、AD和BD复合菌使木素含量都有大幅度降低,而之后BC、AD复合菌木素含量有所增加,BD复合菌一直呈下降趋势,且在第10天时,木素降解效果最好,木素降解率为51.7%。由此得出,BD复合菌降解芦苇木素效果最好。

图3 2种菌复合降解对芦苇木素含量的影响

图4 BD复合菌固液比对芦苇木素含量的影响

图4为BD复合菌固液比对芦苇木素含量的影响。由图4可以得出,当固液比为1：20时,木素降解效果最好。这是因为当固液比为1：20时,菌液正好完全浸泡芦苇,可以使真菌在好氧的条件下,很好地生长,固液比较大时,通氧状态不好,影响菌种生长,不能很好地降解芦苇,固液比小于1：20时,菌液不能完全浸泡芦苇,芦苇木素降解不全面。

表2 不同复合比的BD复合菌对芦苇木素降解的影响 %

表3 不同复合比的A：BD复合菌对芦苇木素降解的影响 %

BD复合菌不同比例对芦苇木素降解的影响见表2。由表2可知,当B：D=1：4时,木素降解效果最好,在第10天时，木素含量为12.0%,木素降解率为63.2%。综合图1可以得出，复合培养BD降解木素情况明显高于单菌培养降解木素,从单一菌来看,B菌降解效果优于D菌降解,达到相同效果时,复合菌比单一菌种降解速率快,由此说明两种菌之间具有协同降解作用。

2.3 3种菌复合降解芦苇木素及条件优化

图5为3种复合菌降解对芦苇木素含量的影响。由图5可以看出,3种菌组合降解芦苇木素时,木素含量随着降解时间的增加都有所降低,且在第8天时,所有复合菌均使木素含量大幅度降低,且一直呈下降趋势,其中ABD复合菌降解效果最好,在第10天时,木素含量为13.8%，木素降解率为57.6%。

图5 3种菌复合降解对芦苇木素含量的影响

图6 ABD复合菌固液比对芦苇木素含量的影响

图6为ABD复合菌固液比对芦苇木素含量的影响。由图6 可知,当ABD复合菌固液比为1：20时,木素降解效果最好,在第8天降解效果最好，木素降解率远大于其他固液比,而且在降解时间上也提前了2天。

在2种菌最优条件下,即在BD菌复合比1：4的基础之上,对3种菌进行复合比优化,ABD菌种在第8天、A：B：D复合比为1：4：16时,降解效果最好,木素降解率为67.3%,结果如表3所示。经过综纤维素含量的测定(方法见GB/T2677.10—1995),纤维素的降解率小于15%。综合整个实验来看,A菌、B菌和D菌之间都存在着互惠性,表现出很强的木素降解能力。

2.4 4种菌复合降解芦苇木素

在A：B：D：C=1：4：16：1的条件下，进行4种菌复合降解对芦苇木素含量的影响，结果见图7。从图7可知，木素含量呈现明显的下降趋势,在第10天时,降解效果最好,木素含量为19.3%,降解率为40.9%。4种菌复合培养降解芦苇木素效果小于3种菌和2种菌的效果,说明C菌对ABD菌种生长起抑制作用。

图7 4种菌复合降解对芦苇木素含量的影响

3 结 论

以芦苇为原料,从土壤中筛选得到的有木素降解能力的普通青霉菌(A)、产黄青霉菌(B)、向病菌(C)、烟曲霉(D)4种菌种为实验菌种,通过4种菌种不同复合对芦苇木素进行降解。实验结果表明,3种复合中，ABD复合对芦苇木素降解率最好,ABD复合菌在降解时间8天、复合比为A：B：D=1：4：16时,木素含量为10.7%,降解率达到67.3%,而制浆所需的纤维素的降解较少。

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(责任编辑：董凤霞)

Screening of Mixed Strains for Synergistic Degradation of Reed Lignin

LU Qing-hua*XING Meng-lan CAI Lu

(TheInstituteofBioengineeringandTechnologyInnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology,Baotou,InnerMongoliaAutonomousRegion,014010)(*E-mail:luqh106@hotmail.com)

The mixed strains used for degradation of lignin in reed were screened.Penicillium common A,Penicillium chrysogenum B,bacteria C and Aspergillus fumigates D.were utilized as experimental strains.By using different combination of the four strains to degrade the lignin and the degradation rates of lignin were compared,so as to determine the optimum strain combination.Then different mixing methods of mixed strains,various mixing ratios and solid-to-liquid ratios were optimized to obtain the optimal strains combination.The results showed that the ABD combination showed the best lignin degradation rate.The lignin content was 10.7% and the degradation rate was 67.3% when the mixing ratio of A：B：D was 1：4：16 and after eight days’ treatment.

mixed bacteria; efficient degradation; lignin; bacteria screening; reed

卢庆华女士,讲师；研究方向：生物化学与分子生物学。

2014-08-30(修改稿)

TS 744

A

0254-508X(2015)02-0073-04