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.

漆酶能够作用的底物非常广泛,包括木质纤维素等大分子聚合物,且在催化反应时可将该类物质还原成水和其他小分子物质,不会造成二次污染,因此,漆酶素有"绿色催化剂"之称,具有被广泛运用于工业生产中的广阔前景.对游离漆酶进行固定化处理能够使其进一步适应工业生产中的恶劣环境,提高稳定性、可循环利用率,扩大耐受pH和温度范围.真菌漆酶作为漆酶的重要来源,本文对其性质、生产,以及新型的固定化方法和各个领域的应用进行了概述.

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.

植物凋落物分解是湿地生态系统物质循环的重要组成部分,随着全球气候变化的逐渐加剧,气候变暖对湿地植物凋落物分解的影响已引起人们的广泛关注.本研究通过凋落物袋法对比研究了山东省南四湖湿地中芦苇和香蒲两种典型湿地植物的凋落物分解过程,利用开顶式生长室(Open-top Chamber,OTC)模拟了大气增温(2.0±0.5)℃-(4.0±0.5)℃对凋落物分解特征和细菌群落的影响.结果显示,增温显著加速了两种植物凋落物的分解速率,而木质素/氮(Lignin/N)、纤维素/氮(Cellulose/N)是影响凋落物分解速率的重要因子,与分解速率呈显著负相关.增温显著增加了细菌群落的丰度和多样性,碳是厚壁菌门(Firmicutes)等细菌丰度变化的驱动因子,而木质素、木质素/氮是拟杆菌门(Bacteroidota)等细菌丰度变化的驱动因子.细菌群落共现网络显示,在增温条件下,凋落物分解的细菌群落网络主要由共生关系组成.气候变暖提高了细菌之间的相互关系和互惠程度,加快了植物凋落物的分解进程,进而影响了湿地生态系统的碳收支平衡.

为了揭示寒温带针叶林不同树种倒木分解中真菌群落的分布格局,探讨影响倒木真菌群落分布的养分驱动因子.采用Illumina MiSeq高通量测序技术和R语言等分析方法对微生物多样性数据进行信息挖掘,解析白桦(Betula platyphylla Suk.)、兴安落叶松(Larix gmelinii(Rupr.)Kuzen)、樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica Litv.)倒木分解初期真菌群落的多样性及功能差异.研究发现,寒温带针叶林中白桦、樟子松倒木优势菌群为Basidiomycota(担子菌门)、Trichaptum(附毛菌属),兴安落叶松倒木优势菌群为Ascomycota(子囊菌门)、Acidea菌属.多样性分析表明,不同树种倒木真菌群落的Alpha多样性由高到低依次为兴安落叶松、白桦、樟子松,树种的差异极显著的改变了操作分类单元(OTU)、属水平上倒木真菌群落的Beta多样性.菌群生态分析表明,腐生型是3种倒木上优势真菌的主要生态类型,木质腐生为白桦、樟子松倒木上真菌的主要生活方式,土壤腐生为兴安落叶松真菌类群的主要生活方式.养分关联分析表明,pH、全碳(TC)、全氮(TN)、碳氮比(C/N)、半纤维素、木质素等养分指标在3种倒木间存在显著性差异,其中含水率(MC)、TC、TN、纤维素、半纤维素是影响倒木优势真菌群落分布的主要养分因素.不同树种对倒木真菌群落的富集具有差异性,这种差异带来的微生物多样性及功能变化对寒温带森林生态系统的物质循环具有重要的科学意义.

木质纤维素类生物质是前景广阔的化石原料替代品,其生物炼制可生产生物能源、生物基化学品和生物材料等多种产品,可降低碳排放,有助于实现"双碳"目标,因此受到越来越多的关注.然而,木质纤维素生物炼制需要经过预处理、微生物发酵和产物纯化等多个步骤,其中,预处理过程产生的多种化合物抑制微生物的细胞生长和发酵性能,是制约生物转化效率的瓶颈之一.大肠杆菌是木质纤维素生物炼制常用的宿主,被广泛应用于多种化合物的生产,研究其对木质纤维素水解液中抑制物的耐受性,对于提高木质纤维素生物炼制效率具有重要意义.本文首先介绍了木质纤维素的主要成分和基本结构,对木质纤维素的预处理方法以及预处理后水解液中的主要抑制物种类进行了简单阐述;随后,总结了木质纤维素水解液中几类主要抑制物呋喃类、羧酸类和酚类对大肠杆菌细胞的毒性,以及大肠杆菌对上述抑制物的胁迫响应机制和基于机制的菌株改造靶点;最后,综述了提高大肠杆菌对上述抑制物的胁迫耐受性的菌株改造策略,包括随机突变、实验室适应性进化和组学辅助的理性设计等,为利用代谢工程构建用于木质纤维素生物炼制的高效大肠杆菌菌株提供参考.

[背景]开发生物甲烷资源是减轻化石燃料供求紧张的有效措施,而秸秆类原料的预处理及甲烷生产方法需要不断创新,从而进一步满足可持续发展.厌氧真菌与甲烷菌共培养能够通过假根侵入及纤维降解酶双重预处理秸秆并生产甲烷,但目前全世界被报道的骆驼胃肠道来源的厌氧真菌分离培养物仅有 1 株.[目的]从新疆准噶尔双峰驼瘤胃内容物中分离出新型厌氧真菌和甲烷菌共培养物,研究其在降解秸秆并联合生产生物甲烷方面的应用潜力.[方法]采用Hungate滚管纯化技术将从骆驼胃肠道中分离的厌氧真菌和甲烷菌共培养,对其进行形态学及分子学鉴定,随后厌氧发酵 5 种底物(稻秸、芦苇、构树叶、苜蓿秆和草木樨),研究产甲烷量、降解效果及主要代谢产物等方面的特性.[结果]筛选到的共培养物中的厌氧真菌为Oontomyces sp.CR1,甲烷菌为Methanobrevibacter sp.CR1.其在降解稻秸时表现出最高的木聚糖酶酶活力(21.64 IU/mL)及甲烷产量(143.39 mL/g-DM),甲烷生产特性较分离自其他动物宿主的厌氧真菌共培养物更优.[结论]共培养厌氧真菌与甲烷菌菌株CR1 是一种新型高效降解菌株资源,其在利用木质纤维素生物质生产生物甲烷方面具有良好的应用前景.

[背景]硝呋烯腙能够抑制厌氧真菌.共存甲烷菌可以促进厌氧真菌的生长以及对木质纤维素的降解,然而关于共存甲烷菌对厌氧真菌抗逆性影响的研究较少.[目的]旨在研究甲烷菌共存对厌氧真菌耐受硝呋烯腙的影响.[方法]采用体外批次培养,以稻草为底物,添加不同浓度的硝呋烯腙(0、5、10、25 mg/L),分别接种厌氧真菌纯培养和厌氧真菌与甲烷菌共培养悬浮液,于39℃静置培养96 h.测定不同时间点的产气量和甲烷产量,结束后测定pH、干物质降解率(DMD)、中性洗涤纤维消失率(NDFD)、半纤维素消失率(ADSD)、酸性洗涤纤维消失率(ADFD)以及上清液中甲酸、乳酸和乙酸的浓度.[结果]添加5、10和25 mg/L硝呋烯腙皆显著降低了厌氧真菌纯培养的发酵活性(P＜0.05);添加5 mg/L硝呋烯腙没有显著降低厌氧真菌与甲烷菌共培养的发酵活性(P＞0.05),添加10和25 mg/L硝呋烯腙则显著降低了共培养发酵活性(P＜0.05);比较5、10 mg/L硝呋烯腙对纯培养和共培养发酵活性影响的结果表明,共培养发酵活性显著高于纯培养发酵活性(P＜0.05).[结论]硝呋烯腙对厌氧真菌纯培养和厌氧真菌与甲烷菌共培养的抑制作用都存在剂量效应,在一定添加浓度范围内(＜25 mg/L),甲烷菌共存可以显著提高厌氧真菌对硝呋烯腙的耐受性.

[背景]高原湖泊因其海拔高、气压低、辐射强、氧气含量低,是一类特殊环境,而其中的微生物是高原湖泊生态系统物质循环与能量流动的重要参与者,其胞外酶活性的表现决定其适应这一特殊环境的方式与能力.[目的]对分离自云南高原湖泊抚仙湖和星云湖湖水的酵母菌进行产胞外酶活性的筛选,以期获得具有潜在应用价值的活性菌株.[方法]在5℃和25℃培养温度下,采用平板筛选法对两个湖泊酵母菌进行产胞外蛋白酶、纤维素酶、淀粉酶、脂肪酶、几丁质酶、木聚糖酶、植酸酶、菊粉酶、漆酶、锰依赖过氧化物酶和木质素过氧化物酶活性的筛选.[结果]抚仙湖和星云湖的所有测试酵母菌菌株至少都能产1种胞外酶,且主要产植酸酶、菊粉酶和淀粉酶;其次为脂肪酶、纤维素酶、木聚糖酶、锰依赖过氧化物酶和木质素过氧化物酶;产几丁质酶、蛋白酶和漆酶的酵母菌很少,星云湖酵母菌都不产漆酶.培养温度为5℃时,抚仙湖和星云湖的酵母菌产5种及5种以上胞外酶的活性菌株数均多于25℃.[结论]抚仙湖和星云湖的酵母菌产胞外酶菌株多样性丰富,胞外酶种类多样,产酶酵母菌可能参与高原湖泊生态系统的物质循环;筛选得到的产胞外酶菌株为开发与利用高原湖泊酶资源提供了良好的种质资源,具有进一步研究的价值.

中药在提取炮制后残留大量生物质被简单堆弃,而其中的木质纤维素等生物质能被微生物有效利用降解,筛选到16株对木质纤维素有降解效果的菌株,对其中8株降解效果明显功能菌株进行了深入研究,经16(18)S rDNA鉴定发现5株细菌主要为Bacillus属、Streptomyces属和Enterobacter属,3株真菌为Ascomycete属、Aspergillus属和Trichosporon属;利用8株菌固相发酵中药废弃物,通过监测堆体温度、pH等参数,发现细菌类在发酵初期能迅速提高堆体温度,而真菌类发酵腐熟过程较缓慢,提示利用细菌-真菌联合组成降解菌系是提高中药废弃物固相发酵的重要手段.