[背景]为了提高堆肥降解有机废弃物的效率,高效堆肥菌剂成为了研究热点,其中以真菌应用的研究为多,但真菌也有对氧气和底物敏感等缺点,细菌对堆肥的作用开始被研究.本实验室以羧甲基纤维素钠(CMC-Na)为底物,从绿化废弃物堆肥中筛选得到枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis,B.subtilis) BL03,它具有较好的纤维素分解能力,能提高绿化废弃物堆肥中纤维素降解和腐殖质合成的速度.[目的]进一步提高B.subtilis BL03的纤维素酶生产能力.[方法]利用常压室温等离子(Atmospheric and room temperature plasma,ARTP)诱变BL03菌,通过CMC-刚果红固体培养基观察水解透明圈,以及液体发酵后检测酶活力的方法进行3轮筛选;通过连续多代培养观察突变株的遗传稳定性;通过梯度温度、pH培养研究突变株发酵的最适生长温度、培养基初始pH;利用正交设计方法研究适合突变株发酵培养的工业级原料配方.[结果]筛选到2株正突变株,酶活力分别提高了69％和72％;连续10代培养稳定,验证了突变株的遗传稳定性;其中酶活力最高的突变株BLA3890最适培养温度为37℃、培养基初始pH为5.0-6.5,研究得到较经济的发酵培养基配方.[结论]ARTP诱变B.subtilis BL03后得到的突变株BLA1973和BLA3890在绿化废弃物堆肥或其他纤维素降解行业具有进一步研究和应用的价值.

漆酶(Laccase,p-diphenol dioxygen oxidoreductases,EC 1.10.3.2)是一类包含三核铜簇位点的多酚氧化还原酶,广泛存在于细菌、真菌、高等植物和昆虫体内.该类酶不仅能够促进生态系统中高分子木质素和腐殖质聚合物的生物分解,还可以催化有机体内单酚和多酚类化合物参与黑色素、木质素、黄酮类和角质层等功能酚聚合物的生物合成.漆酶介导有机物的分解代谢和合成代谢机制有益于生态环境中碳循环和生物形态发生变化.在生物体内,漆酶催化天然酚类单电子氧化形成苯氧活性自由基或醌类中间体,随后这些活性中间体发生自我偶联或交叉偶联反应,生成多种结构复杂的大分子C-C、C-O-C或C-N-C功能聚合产物.因此,通过人工模拟漆酶催化生物体内的绿色合成代谢机理和路径,合理设计和定向改造漆酶在生物体外催化酚类底物偶联形成大分子功能聚合产物的结构和特性,有望为拓展和研发漆酶在绿色合成化学中的多功能应用提供丰富的参考价值和新颖的见解思路.

土壤酶是土壤生物化学过程的参与者,在森林土壤有机物的矿质化和腐殖化过程中起着重要作用;研究降水量变化对土壤酶活性的影响对于揭示全球降水格局变化背景下土壤有机物的矿化与腐殖质的合成过程具有重要意义.从2013到2015年,以华西雨屏区天然常绿阔叶林为研究对象,通过布设减雨架和人工喷洒方式对降水量进行调控,设置了对照(Ctr)、减少10％降水量(Dr)和增加10％降水量(W)3种处理,研究降水量变化对土壤酶活性和有机质含量的影响.结果表明;Dr处理下土壤蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性分别提高了4.0％、4.3％和2.1％,过氧化氢酶、过氧化物酶和多酚氧化酶活性分别降低了3.9％、5.9％和10.3％;W处理下蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性分别降低了12.4％、6.4％和14.4％,过氧化氢酶、过氧化物酶和多酚氧化酶活性分别提高了5.8％、3.9％和3.8％.多元线性回归分析表明,土壤微生物生物量碳(MBC)、NH4+-N含量和含水量是土壤酶活性变异的主导因子.Dr处理降低了土壤有机质含量,而W处理提高了土壤有机质含量.相关性分析表明,土壤有机质含量与土壤水解酶活性呈负相关关系,与氧化还原酶活性呈正相关关系.上述结果说明降水量变化通过影响土壤理化性质改变了华西雨屏区天然常绿阔叶林的土壤酶活性,进而影响了土壤有机质含量,对土壤有机质的转化过程产生了重要影响.

利用活性污泥微生物将剩余污泥发酵液中的挥发性脂肪酸(Volatile fatty acids,VFAs)转化为聚羟基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoates,PHA)是目前环境生物技术领域的研究热点.但针对发酵液中非VFAs物质(主要是溶解性有机物,Dissolved organic matter,DOM)对活性污泥合成PHA的影响目前仍未有统一的结论,需要进行较全面的分析和总结.因此,文中首先介绍了剩余污泥发酵液中DOM的主要特性及常见分析方法,然后从微生物学、代谢调控、污泥性质等角度分析了DOM中几种主要组分(多聚糖、蛋白类物质、腐殖质)对活性污泥合成PHA的影响.综合各研究结果表明高浓度DOM不利于PHA的生产,但适量DOM的存在有利于污泥性质的稳定,同时能降低PHA提纯成本.最后提出了相应的策略来实现对活性污泥利用DOM合成PHA的调控,以期为高效利用厌氧发酵液中DOM实现PHA合成提供解决思路.

为了探明C/N如何驱动堆肥过程中优势细菌菌群的变化而影响碳氮损失和腐殖质合成,设置3个C/N处理(20∶1、25∶1和30∶1),以羊粪和玉米秸秆为原料进行堆肥试验.结果 表明:与20∶1处理相比,30∶1和25∶1处理堆肥的碳、氮损失分别降低了33.5％、18.9％和23.6％、10.8％.优势细菌菌群、碳氮损失及有机碳组分的冗余分析表明,高C/N提高了堆肥中固氮细菌的种类和丰度,降低了反硝化细菌的种类和丰度,减少了堆肥过程中的碳氮损失;高C/N促进了木质纤维素类降解菌的生长繁殖,促进了富里酸和胡敏素降解而合成更多胡敏酸,提高了堆肥腐殖化程度.可见,C/N可通过影响堆肥中关键优势细菌菌群而影响堆肥过程和堆肥质量,调节堆肥原料C/N可以调控堆肥中碳氮损失和腐殖质的合成,从而提高堆肥质量并减少堆肥的二次环境污染.

好氧堆肥是一种典型的有机固体废弃物稳定化无害化的生物化学过程,在这一过程中有机物通过微生物分解然后聚合形成腐殖质(HS).木质素由于其复杂的网络结构,导致很难在堆肥高温阶段完全被微生物降解,此外,木质素作为HS形成的原料和骨架,它的深度降解对堆肥腐殖化过程具有重要的意义.堆肥冷却和腐熟阶段是HS形成的关键时期,其中真菌和木质素酶在深化木质素降解、强化腐殖化过程中扮演重要角色.温度和pH作为影响腐殖化进程的重要环境因子,它的调控是人为强化腐殖化进程的重要手段.综述了关键酶降解木质素的作用机制、前体物质与腐殖酸形成之间的作用机理,以及真菌对腐殖酸形成的驱动机制.提出探索堆肥过程中参与HS合成代谢途径的关键基因和酶是今后堆肥腐殖化过程研究的重要方向.

堆肥技术是有机固体废弃物处理处置与资源化利用最有效手段之一,涉及诸多复杂的非生物学与生物学反应.本文分别从非生物学及生物学层面阐述了腐殖化进程调控机制.非生物学腐殖酸合成机制涵盖了木质素-蛋白理论、多酚自缩合、多酚-蛋白途径以及美拉德反应.生物学途径包含堆肥进程碳组分的固定、木质纤维素的生物转化、反硝化进程等对腐殖化进程的响应.旨在为堆肥腐殖化进程中腐殖质的合成提供更为全面的技术参考和现状概述.