纤维素分解菌在农业应用中的研究进展

牛世莉 孙立才 董莉 田笑蕊

(沈阳师范大学化学与生命科学学院 辽宁沈阳 110034)

作为农业大国,我国每年都产生大量的秸秆等农业废弃物,且其产生量随粮食单产与总产提高而逐年增加,而本应与之配套的农业废弃物处理技术却相对滞后[1]。虽然其中有部分已经通过直接还田、用作牲畜饲料或农村居民的燃烧等方式得到处置,但仍然有约15%的秸秆就地焚烧,不仅带来严重的环境问题,而且造成资源浪费[2]。如何实现秸秆等农业废弃物资源化处置,是当今世界备受瞩目的研究课题。

1 纤维素及其生物降解

纤维素纤维素(cellulose)是由葡萄糖组成的大分子多糖。不溶于水及一般有机溶剂。是植物细胞壁的主要成分[3]。纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖,占植物界碳含量的50%以上[4]。棉花的纤维素含量接近100%,为天然的最纯纤维素来源。一般木材中,纤维素占40～50%,还有10～30%的半纤维素和20～30%的木质素。纤维素降解困难,降解率低的特性使得如何高效、充分的利用纤维素成为研究的热点和难题。传统的物理、化学降解,成本高,难以大规模的推广并应用,生物降解纤维素则具有成本低,效率高,对环境影响小的特点。

2 纤维素分解菌诱变育种

目前,对于纤维素分解菌菌种选育的研究主要集中在对已发现纤维素分解菌进行物理或化学诱变,以期获得纤维素分解酶的高产菌株,并获得不错的研究成果,如经过诱变的变异木霉菌株产纤维素酶的性能显著提高。Hideo等将里氏木霉(Trichoderma reese)RUTC230经0.10%秋水仙素处理35d后,使用灭菌灵进行单倍体化处理,其后克隆出的菌株中发现纤维素酶的高产菌株,而后分别使用含有1%废止粉和1%的微晶纤维素的培养基进行筛选,得到的菌株WP1对羧甲基纤维素钠(CMC)、微晶纤维素和水杨苷的水解活力较原始菌种有不同程度的提高。韩峰等由拟康氏木霉(Trichoderma pseudokoningii)TH经过紫外诱变获得一株突变株UVIII,其具有抗高浓度葡萄糖阻遏的特性,其纤维素酶产量较原始菌株显著提高。里氏木霉经原生质体融合后在CMC琼脂平板上再生,在15个融合体中进行筛选,其产生的透明全相较原始菌株更加的明显,尤其是融合子SFTr2和SFTr3较之前提高了2倍以上。

3 纤维素分解菌的应用

3.1 纤维素分解菌和EM菌协同作用在有机废弃物堆肥中的应用

在秸秆腐熟过程中接种纤维素分解菌和EM菌,一方面提高了堆肥初期微生物的群体数量,另一方面也大大提升了菌群的质量,形成微生物不同菌种之间的协同和共生,进而形成具备一定生物学功能的生态系统,堆层微生物通过迅速繁殖,其数量和生物活性均可维持在先对稳定的水平上,增强了微生物的代谢活性,并能够迅速提高堆肥温度并较长时间的维持温度,提高堆肥效率[5]。

3.2 纤维素分解菌在蔬菜、花卉中的应用

将纤维素分解菌应用于花卉秸秆联合高温好氧堆肥过程中,分别在一次发酵和二次发酵阶段接种在堆肥中,可以大幅度提高堆料中纤维素的降解速率和降解程度并改善堆肥终产物的理化性状,极大的提高堆肥的进程,过高的堆体温度会抑制接种菌的活性,适宜的温度更有利于接种菌的生长和降解性能。而较高耳朵含水率不利于堆肥产物在二次发酵结束后形成理想的终产物。而接种固态纤维素分解菌剂对堆肥温度、含水率等参数几乎没有影响。

4 研究展望

纤维素分解菌功能较多,结合现有研究结果,在高产纤维素分解菌的基础上,改变其特性,将其广泛应用于不同领域,最终实现工业化生产尤为重要。

随着现代分子生物学技术和研究手段的不断更新,对与纤维素分解菌的开发和利用不断深入,一方面通过高效的腐熟秸秆,极大的提高了生物质能的利用率,一定程度上缓解了能源危机并创造了巨大的财富;另一方面,农作物秸秆的高效利用,也大幅度减轻了废弃焚烧等给自然环境带来的污染和负担,具有极高的社会价值,符合我国走可持续发展的国策和基本方针。

[1]张鑫,刘岩.木质纤维原料预处理技术的研究进展.纤维素科学与技术,2005.

[2]李湘,魏秀英,董仁杰.秸秆微生物降解过程中不同预处理方法的比较研究.农业工程学报,2006,22(SuppI)110-116.

[3]TeeriT.T.Crystallinecellulosedegradationnewinsightinto the functionofcellubiohydrolyases.TrendsinBiotechnology,1997,15(5)160-167.

[4]刘刚,张燕,李云余,等.利用红色荧光蛋白分析里氏木霉合成纤维素酶的机理.微生物学报,2007,47(1)69-74.

[5]邓海波,林鹿,黄伟韩.氨化木质纤维的白腐菌降解.纤维素科学与技术,2008,16(1):34-38.