木质纤维素生物质是一种量大面广且廉价易得的可再生资源,已逐步实现由生物质向生物燃料、饲料原料和其他附加值产品的开发及应用,这样的高值转化与综合利用成为"走绿色发展道路、构建绿色生产体系"的重要部分.然而,木质纤维素的天然抗降解屏障及其独特的理化性质,纤维素-半纤维素-木质素三大组分的刚性网络一直是高效转化的瓶颈所在,合理有效的预处理技术则是资源化进程的关键步骤.本文落脚于木质纤维素生物质的基本组成和结构特性分析,在总结物理法、化学法、生物法等传统预处理方法优劣势的基础上,着重阐述了蒸汽爆破的发展历程、加工类型、适用范围、工作原理、反应阶段、技术特点、影响因素、主要参数和可能的副产物效应等,以及在生物质的纤维改性、结构变化、溶解特性、低聚糖制备、活性成分提取与反刍饲料化利用层面的研究进展.此外,还指出蒸汽爆破辅以真菌、细菌为主的微生物发酵,以及糖酶外源添加的后处理流程的发展趋势.最后,归纳了蒸汽爆破在未来商业化、工业化和规模化生产推广中可能面临的困难和挑战,分析提出相应的突破点和解决策略.并就蒸汽爆破技术对常见副产物类型饲料原料的降解效果,及其在单胃动物日粮中的合理应用进行展望,以期为该技术对生物质资源的开发、增值、饲料化应用的诸多潜能提供新思路和技术指导.

菌株 2-1-1 于贵州大学校园樱花树干子实体中分离,通过形态学结构、ITS 序列及系统发育树分析,鉴定其为白囊耙齿菌Irpex lacteus,对菌株 2-1-1产生的 3种木质素降解酶进行测定,发现菌株可分泌漆酶(laccase,Lac)、木质素过氧化物酶(lignin peroxidase,LiP)和锰过氧化物酶(manganese peroxidase,MnP).利用菌株 2-1-1 对固体培养基条件下 7 种染料的脱色能力进行检测,筛选出较易脱色的刚果红染料,同时采用气相色谱-质谱联用(gas chromatography-mass spectroscopy,GC-MS)分析确定经白囊耙齿菌降解的刚果红染料代谢产物,并对其进行脱色条件优化和毒力测验,试验分析表明:菌株 2-1-1 对 7 种染料均有脱色,对刚果红脱色效果较佳.GC-MS分析刚果红染料降解产物主要为联苯胺、联苯、苯乙烯、十六烷和3-硝基苯酚.单因素和综合优化脱色条件:染料浓度 50 mg/L,碳源为果糖、金属离子为锌离子、pH 7,该条件下刚果红染料脱色效果最优.优化条件下菌株 2-1-1 对刚果红染料脱色率达 91.03%,相比对照组脱色率提高 17.13%,刚果红染料经菌株 2-1-1 脱色前后毒力测试:染料原液>脱色后>清水处理,表明该菌株可降低刚果红染料毒性.

为了揭示我国不同蜜环菌Armillaria 的木腐特性,本研究以我国 8 个蜜环菌种为材料,采用蜜环菌液接种 1 cm3 的枹栎Quercus serrata木方,置于 23℃下培养 60 d和 120 d,采用重量法、Klason法、硫酸水解法和盐酸水解法测定木材质量、纤维素含量、木质素含量和半纤维素含量,研究各蜜环菌株的木腐能力及差异性.结果表明,各蜜环菌种对枹栎木质量损失率排序为:CBS M(A.borealis)>CBS A(A.sinapina)=CBS J(A.qinii)=CBS H(A.bruneocystidia)=CBS F(A.sinensis)=CBS B(A.gallica)>CBS N(A.violacea)=CBS D(A.ostoyae);木质素的分解能力排序为:CBS M=CBS A=CBS J>CBS H=CBS B=CBS F>CBS N>CBS D;纤维素降解利用率排序为CBS H=CBS A>CBS B>CBS J>CBS F>CBS D>CBS M>CBS N;半纤维素分解能力排序为:CBS M>CBS J>CBS H=CBS A=CBS F=CBS N>CBS B>CBS D;木质纤维素总量消耗排序为:CBS H>CBS A>CBS J>CBS B>CBS F>CBS M>CBS D>CBS N.我国主要蜜环菌的木腐能力在木腐真菌类群中处于中等以下水平.在蜜环菌属内,各菌种之间腐朽能力的多样性表现为对凋落物不同组成降解能力存在显著的差异和腐朽类型的可变性,其形成的原因可能与其适应森林生态系统物种多样性有关.本研究可为理解森林生态系统中凋落物的降解和碳循环的机理提供部分理论指导,同时为我国天麻栽培蜜环菌选育提供参考.

以双核香菇Lentinula edodes菌株中分离获得 2 个亲和的单核体Y0040-1 和Y0040-3 为材料,在不同的培养基上进行培养,进行差异性状评价和表达差异性分析.结果表明在不同的培养基(PDA和 2%木屑PDA)上 2 个单核体菌丝生长速度都存在差异,其中Y0040-1 的生长速度显著高于Y0040-3.进一步分析转录组数据发现,在不同培养基上 2 个单核体比较组(Y0040-3 vs.Y0040-1)有1 633 个共同的差异基因,这些共同变化的基因可能是导致两者性状差异的主要原因,这些基因中共同上调的有 155 个,共同下调的有 136 个.对这些基因进行注释分析,发现共同上调的基因参与代谢过程中的氨基酸代谢和碳水化合物代谢等,分析木质纤维素酶发现,Y0040-1 上调基因数量高于Y0040-3,且Y0040-1 中的纤维素降解酶和木质素降解酶表达量都明显高于Y0040-3.

[目的]分析广叶绣球菌(Sparassis latifolia)在不同木质纤维素诱导条件下基因表达差异,为广叶绣球菌木质纤维素降解关键基因和分子机制研究提供参考.[方法]以松木、杉木、甘蔗渣和天然堆积发酵后的杉木和发酵后的甘蔗渣为碳源,在液体培养条件下培养诱导广叶绣球菌,对其转录组进行测序研究,并对不同木质纤维素诱导样本进行加权基因共表达网络分析(weighted gene co-expression network analysis,WGCNA).[结果]杉木培养与松木培养比较组差异表达基因最少(20个),蔗渣培养与松木培养比较组差异表达基因最多(486个).基因本体(gene ontology,GO)富集分析结果表明,差异表达基因主要涉及氧化还原酶活性、单加氧酶活性和铁离子结合活性等,京都基因和基因组百科全书(Kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG)通路富集分析结果表明,差异表达基因主要涉及戊糖和葡萄糖醛酸转换、甲烷代谢和乙醛酸盐和二羧酸盐代谢等通路.发酵甘蔗渣为碳源培养时,纤维素和半纤维素降解相关的糖苷水解酶基因表达量总体上较高,而未发酵的松木、杉木和甘蔗渣为碳源培养时木质素降解或修饰相关的碳水化合物辅助酶基因表达量总体上较高.利用WGCNA共鉴定出10个共表达模块,其中green模块与未发酵蔗渣诱导显著正相关,blue模块与发酵甘蔗渣诱导显著正相关,magenta和turquoise模块与发酵杉木诱导显著正相关.GO富集分析结果表明,turquoise模块内基因显著富集到尿素跨膜转运子活性、甲基转移酶活性和单加酶活性等,blue模块基因显著富集到水解酶活性和β-甘露糖苷酶活性.KEGG通路富集分析结果表明,blue模块内基因显著富集的通路有半乳糖代谢、果糖和甘露糖代谢、苯丙氨酸代谢、精氨酸和脯氨酸代谢等.通过构建互作网络图挖掘到12个核心基因,其可能参与了基质降解及相关基因的表达调控.[结论]不同木质纤维素类型显著影响了广叶绣球菌木质纤维素降解基因的差异表达轮廓,这种差异反映了广叶绣球菌对不同木质纤维素特异的降解策略.

本研究旨在从深海环境中分离、筛选木质素高效降解真菌并分析其对木质素的降解过程.通过对西太平洋深海沉积物和海水样品中可培养真菌的分离筛选,成功获得了一株能够以木质素为唯一碳源生长的真菌菌株CS1,通过ITS基因序列鉴定,确定其为毛壳菌属Chaetomium sp.真菌.菌株CS1以碱性木质素为唯一碳源培养14 d,木质素降解率达到64%,同时菌株孢子能够在较广的pH 范围内萌发生长(pH 4.0-9.0).该菌株具有分泌多种胞外木质素降解酶的潜力,能够使苯胺蓝褪色并使愈创木酚产生棕红色氧化圈.红外光谱(FTIR)分析显示,菌株CS1对木质素的降解主要是对木质素的芳香族骨架、β-O-4的C-O键以及β或γ位的O-H造成破坏.此外,菌株CS1可在烟草秸秆表面形成生物膜以实现木质素的降解与转化,而 GC-MS 分析结果表明该菌株能够促进烟草秸秆中烟碱类活性物质的释放,并将木质素中的芳香族聚合物转化为二甲苯等石化工业基础原料.本研究结果揭示了海洋真菌对烟草秸秆类木质纤维素的降解潜力,为木质素废弃物的资源化利用提供了优良的菌种资源.

由于香菇菌糠纤维素含量过高,作为菌肥难以被农作物直接利用,为了更好地解决香菇菌糠降解缓慢的问题,本研究以菌株酶活力和菌糠失重率为指标对 8 株真菌和 6 株细菌菌株进行香菇菌糠降解优选菌株的筛选,确定了降解能力较高的 2 株真菌和 2 株细菌,分别为桦褶孔菌 Lenzites betulina和一色齿毛菌Cerrena unicolor,无丙二酸柠檬酸杆菌Citrobacter amalonaticus和变栖克雷伯氏菌Klebsiella variicola;在此基础上研究这4株菌在降解香菇菌糠过程中降解酶活、纤维素、半纤维素、木质素以及主要营养成分的动态变化和肥力测定.研究结果显示,桦褶孔菌对木质素降解效果显著,降解率达到 56.35%;无丙二酸柠檬酸杆菌对半纤维素降解效果良好,达到 61.51%.通过对全碳、全氮的测定,发现 4 种菌株降解后的菌糠氮含量均高于对照组,表明加入菌剂后在一定程度上缓解了氮元素的损失量,增加了菌糠肥力.本研究通过比较研究不同类型的微生物对菌糠降解的理化特征,明确真菌和细菌在菌糠降解过程中具有不同的功能特征,为今后对香菇菌糠发酵堆肥、制备微生物复合菌剂研究方面提供重要的参考价值.

对一株保存的裂褶菌Schizophyllum commune Fr.的产酶能力进行测定,在苯胺蓝和愈创木酚平板上出现褪色反应和红棕色氧化圈,表明该菌株具有较强产过氧化物酶和漆酶能力.在单因素试验和均匀试验的基础上,通过人工神经网络算法优化液体发酵的产酶条件,优化后漆酶酶活达到29.385 U/mL.应用玉米秸秆栽培裂褶菌,发现降解木质素的酶类主要为漆酶,在菌丝满袋时漆酶酶活达到最大 48.333 U/mL,具有较强降解木质素能力,在工业、农业等方面具有较广阔的开发应用前景.

糙皮侧耳(平菇)作为目前木质纤维素降解模式真菌,其产生的胞外分泌蛋白在植物纤维素、半纤维素及木质素降解过程中发挥着重要作用 为了给蛋白质组学鉴定糙皮侧耳胞外分泌蛋白实验提供参考,利用常见的生物信息学工具SignalP、ProtComp、TMHMM、big-PI Fungal Predictor和TargetP对糙皮侧耳全基因组中的12 186条蛋白质序列进行经典分泌蛋白预测,同时,对上述分泌蛋白的氨基酸分布、信号肽长度和切割位点以及其理化性质等进行分析结果表明,糙皮侧耳全基因组中含有359个经典分泌蛋白,其氨基酸长度主要集中于101～600之间;信号肽长度集中在18～21之间;信号肽切割位点属于A-X-A类型,除此之外还含有5条具有RR-motif的信号肽对这些分泌蛋白进行功能注释,结果表明225个蛋白质为未知功能蛋白质;114个为已知功能蛋白质,主要功能注释集中于木质纤维素降解酶类,包括纤维素酶、半纤维素酶、木质素降解相关酶等.以上结果表明通过上述生物信息学分析实现了对糙皮侧耳全基因组经典分泌蛋白的有效预测.

为探讨双孢蘑菇生产过程木质纤维素的利用情况,以麦草秸秆、玉米秸秆和杂草秸秆为主料的3种不同配方的培养料为研究材料,分别测定各配方培养料不同时期主要胞外木质纤维素降解酶活性和木质纤维素组分(纤维素、半纤维素和木质素)的相对含量,并统计各配方产量.结果显示,麦草配方(FWS)的纤维素酶总活性和木聚糖酶活性不断升高,出菇期达到稳定;玉米秸秆配方和杂草配方堆肥期的纤维素酶总活性保持在1 U/g左右,发菌期大幅升高,出菇期先稳定后下降,木聚糖酶活性始终保持在7.97-23.85 U/g之间;3个配方的漆酶活性在堆肥期未检测到,发菌期升至最高,出菇期快速降低.3个配方堆肥期纤维素和半纤维素的相对含量明显下降,木质素相对含量则几乎不变.发菌及出菇期木质素与半纤维素的相对含量较纤维素的下降明显.3个配方双孢蘑菇的产量关系为麦草配方(30.00 kg/m2)＞玉米秸秆配方(17.21 kg/m2)＞杂草配方(16.67 kg/m2).本研究表明堆肥期主要为堆肥微生物及物理化学作用降解纤维素和半纤维素,发菌期则主要是双孢蘑菇菌丝利用木质素;从播种至三潮菇清床,双孢蘑菇菌丝主要利用木质素和半纤维素;本研究中麦草配方是栽培双孢蘑菇的最佳培养料,而玉米秸秆配方和杂草配方有待进一步优化.