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嗜热菌群高温转化玉米秸秆为乳酸的研究

李小莹  
【摘要】:乳酸(Lactic acid)作为一种重要C3平台化合物,广泛应用于食品、化妆品、医药、材料、化工等领域。生物转化木质纤维素生产乳酸可实现可再生资源的有效利用,缓解由农业废弃物焚烧所造成的环境污染等问题。木质纤维素预处理过程中产生的大量抑制物一般需要通过生物脱毒或水洗等流程脱除。本研究利用微生物菌群可以利用复杂基质的特性,实现未脱毒玉米秸秆高温高效转化生产乳酸,减少木质纤维素乳酸生产的废水、废渣排放,降低二代乳酸的生产成本。首先,筛选耐毒、耐高温、能同时利用五/六碳糖、发酵性能稳定的微生物菌群DUT37、DUT45和DUT47。16S r RNA宏基因组结果表明随着筛选温度的提高,肠球菌属成为优势菌。DUT37主导菌属为肠杆菌属(69.22%)和肠球菌属(29.49%);DUT45和DUT47主导菌属分别为肠球菌属(96.58%)和肠球菌属(97.79%)。DUT37、DUT45和DUT47转化未脱毒玉米秸秆水解液分别可得42.64、43.91和43.56 g/L的乳酸。其次,为实现同步糖化过程中纤维素酶与发酵温度的一致性,通过高温适应进化工程筛选得到嗜热、耐毒、能同时利用五/六碳糖、发酵性能稳定的微生物菌群DUT50,16S r RNA宏基因组测序结果表明DUT50以肠球菌属为主(93.66%),另以乳杆菌属(1.05%)和芽孢杆菌属(0.87%)作为共生。再次,考察了不同料液比、抑制物浓度、酶用量、玉米浆干粉用量及预糖化时间对微生物菌群DUT50同步糖化未脱毒玉米秸秆生产乳酸的影响。优化结果为:20%(w/v)料液比,35 FPU/g-秸秆酶用量,20 g/L玉米浆干粉,预糖化4 h时,微生物菌群DUT50高温同步糖化未脱毒玉米秸秆生产乳酸浓度最高,为71.04 g/L,转化率为0.49 g/g秸秆。最后,通过构建稀释菌群和优势单菌对微生物菌群DUT50的互作机制进行探讨。随着稀释倍数的增加,菌群转化木糖速率和生产乳酸的能力逐渐降低。微生物菌群DUT50稀释至不含乳杆菌属菌株和芽孢杆菌属菌株,屎肠球菌为99.62%时,乳酸浓度下降了30%;优势单菌——屎肠球菌生产乳酸浓度下降了27%;由两株优势单菌——屎肠球菌构建的人工菌群生产乳酸浓度下降了25%。表明微生物菌群DUT50中乳杆菌属菌株和芽孢杆菌属菌株对木质纤维素发酵生产乳酸有促进作用。本研究提出利用微生物菌群高温开放转化未脱毒木质纤维素水解液生成乳酸,缩短了预处理工艺、减少了废水排放、降低了生产成本。为微生物菌群高效利用木质纤维素生产生物基化学品提供了借鉴。


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