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Degradation of lignocellulose in the corn straw by Bacillus amyloliquefaciens MN-8.

解淀粉芽孢杆菌MN-8对玉米秸秆木质纤维素的降解


 

微生物降解木质纤维素既是生物质资源化利用中的关键问题,也是亟需解决的难点问题.本文在前期获得木质素降解菌——解淀粉芽孢杆菌MN8菌株的基础上,进一步研究该菌株对玉米秸秆木质纤维素的降解作用.研究利用玉米秸秆粉MSM培养基对MN8菌株进行固态发酵,监测发酵过程中木质纤维素酶活力和木质纤维素含量变化情况,并通过傅立叶红外光谱(FTIR)和气质联用色谱(GC/MS)对木质纤维素的降解情况及产物进行分析.结果表明: 解淀粉芽孢杆菌MN8菌株可产生木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶、纤维素酶和半纤维素酶等木质纤维素降解酶,在发酵10~16 d陆续达到酶活力峰值,最高酶活力分别为55.0、16.7、45.4和60.5 U·g-1.发酵24 d后,玉米秸秆中木质素、纤维素和半纤维素的降解率可分别达到42.9%、40.6%和27.1%.FTIR光谱数据表明,玉米秸秆发酵后木质素、纤维素和半纤维素的特征吸收峰强度均有一定程度的下降,表明木质纤维素被部分降解.GC/MS分析结果也证实,解淀粉芽孢杆菌MN-8能有效降解秸秆木质纤维素.MN-8菌株可断裂玉米秸秆木质素单体之间的连接键β-O4,将秸秆木质素解聚为苯丙胺、苯丙酮和苯丙酸等保留木质素苯丙烷结构的单体化合物,并将部分单体化合物进一步氧化为Cα羰基化合物,如2-氨基-1-苯丙酮和紫丁香基苯乙酮等.在对纤维素和半纤维素降解产物的GC/MS分析中发现,降解产物包含葡萄糖、甘露糖和半乳糖等多种单糖化合物以及甲酸、乙酸、丙酸、1,1-乙二醇和3-羟基丁酸等代谢产物.表明解淀粉芽孢杆菌MN-8对秸秆木质纤维素表现出强降解作用,且该作用依赖于菌株产木质纤维素降解酶的能力.
 

Microbial degradation of lignocellulose is one of the key problems that need to be solved urgently in the process of utilizing biomass resource. Bacillus amyloliquefaciens MN-8 is our previously isolated bacterium capable of degrading lignin. To determine the capability of strain MN-8 to degrade lignocellulose of corn straw,
B. amyloliquefaciens MN-8 was inoculated and fermented with solidstate corn straw powderMSM culture medium. The changes in the enzyme activity and degradation products of lignocellulose were monitored in the process of fermentation using the FTIR and GC/MS. The results showed that B. amyloliquefaciens MN8 could produce lignin peroxidase, manganese peroxidase, cellulase and hemicellulase enzymes. The activities of all these enzymes reached the peak after being incubated for 10-16 days, and the highest enzyme activities were 55.0, 16.7, 45.4 and 60.5 U·g-1, respectively. After 24 d of incubation, the degradation percentages of lignin, cellulose and hemicellulose were up to 42.9%, 40.6% and 27.1%, respectively. The spectroscopic data by FTIR indicated that the intensities of characteristic absorption peaks of lignin, cellulose and hemicellulose of the corn straw were decreased, indicating that the lignocellulose was degraded partly after being fermented by B. amyloliquefaciens MN-8. GC/MS analysis also demonstrated that strain MN-8 could degrade lignocellulose efficiently. It could depolymerize lignin into some monomeric compounds with retention of phenylpropane structure unit, such as amphetamine, benzene acetone and benzene propanoic acids,  by the rupture of β-O4 bond connected between lignin monomer, and it further oxidized some monomer compounds into Cα carbonyl compounds, such as 2-amino-1-benzeneacetone and 4-hydroxy-3,5-dimethoxyacetophenone. The GC/MS analysis of the degradation products of cellulose and hemicellulose showed that there were not only monosaccharide compounds, such as glucose, mannose and galactose,  but also some glycolysis products including formic acid, acetic acid, propionic acid, 1,1-ethanediol and 3-hydroxy butyric acid. Our results demonstrated that B. amyloliquefaciens MN-8 is capable of degrading lignocelluse of the corn straw effectively and the degradation capacity depends on the lignocellulase activity.


全 文 :解淀粉芽孢杆菌 MN⁃8对玉米秸秆
木质纤维素的降解∗
李红亚1  李术娜1  王树香1  王  全1  薛茵茵2  朱宝成1∗∗
( 1河北农业大学生命科学学院, 河北保定 071000; 2河北农业大学现代科技学院, 河北保定 071000)
摘  要  微生物降解木质纤维素既是生物质资源化利用中的关键问题,也是亟需解决的难点
问题.本文在前期获得木质素降解菌———解淀粉芽孢杆菌 MN⁃8菌株的基础上,进一步研究该
菌株对玉米秸秆木质纤维素的降解作用.研究利用玉米秸秆粉⁃MSM培养基对 MN⁃8菌株进行
固态发酵,监测发酵过程中木质纤维素酶活力和木质纤维素含量变化情况,并通过傅立叶红
外光谱(FTIR)和气质联用色谱(GC / MS)对木质纤维素的降解情况及产物进行分析.结果表
明: 解淀粉芽孢杆菌 MN⁃8菌株可产生木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶、纤维素酶和半纤维
素酶等木质纤维素降解酶,在发酵 10 ~ 16 d 陆续达到酶活力峰值,最高酶活力分别为 55.0、
16.7、45.4和 60.5 U·g-1 .发酵 24 d后,玉米秸秆中木质素、纤维素和半纤维素的降解率可分
别达到 42.9%、40.6%和 27.1%.FTIR光谱数据表明,玉米秸秆发酵后木质素、纤维素和半纤维
素的特征吸收峰强度均有一定程度的下降,表明木质纤维素被部分降解.GC / MS 分析结果也
证实,解淀粉芽孢杆菌 MN⁃8能有效降解秸秆木质纤维素.MN⁃8菌株可断裂玉米秸秆木质素
单体之间的连接键 β⁃O⁃4,将秸秆木质素解聚为苯丙胺、苯丙酮和苯丙酸等保留木质素苯丙烷
结构的单体化合物,并将部分单体化合物进一步氧化为 Cα 羰基化合物,如 2⁃氨基⁃1⁃苯丙酮
和紫丁香基苯乙酮等.在对纤维素和半纤维素降解产物的 GC / MS 分析中发现,降解产物包含
葡萄糖、甘露糖和半乳糖等多种单糖化合物以及甲酸、乙酸、丙酸、1,1⁃乙二醇和 3⁃羟基丁酸
等代谢产物.表明解淀粉芽孢杆菌 MN⁃8对秸秆木质纤维素表现出强降解作用,且该作用依赖
于菌株产木质纤维素降解酶的能力.
关键词  芽孢杆菌; 玉米秸秆; 木质纤维素; 生物降解
∗河北省农业科技成果转化项目(12820911D)和河北省科技支撑计划项目(12226605)资助.
∗∗通讯作者. E⁃mail: zhu2222@ 126.com
2014⁃12⁃06收稿,2015⁃02⁃06接受.
文章编号  1001-9332(2015)05-1404-07  中图分类号  S182  文献标识码  A
Degradation of lignocellulose in the corn straw by Bacillus amyloliquefaciens MN⁃8. LI Hong⁃
ya1, LI Shu⁃na1, WANG Shu⁃xiang1, WANG Quan1, XUE Yin⁃yin2, ZHU Bao⁃cheng1 ( 1College
of Life Science, Agricultural University of Hebei, Baoding 071000, Hebei, China; 2College of Mod⁃
ern Science & Technology, Agricultural University of Hebei, Baoding 071000, Hebei, China) .
⁃Chin. J. Appl. Ecol., 2015, 26(5): 1404-1410.
Abstract: Microbial degradation of lignocellulose is one of the key problems that need to be solved
urgently in the process of utilizing biomass resource. Bacillus amyloliquefaciens MN⁃8 is our previ⁃
ously isolated bacterium capable of degrading lignin. To determine the capability of strain MN⁃8 to
degrade lignocellulose of corn straw, B. amyloliquefaciens MN⁃8 was inoculated and fermented with
solid⁃state corn straw powder⁃MSM culture medium. The changes in the enzyme activity and degra⁃
dation products of lignocellulose were monitored in the process of fermentation using the FTIR and
GC / MS. The results showed that B. amyloliquefaciens MN⁃8 could produce lignin peroxidase, man⁃
ganese peroxidase, cellulase and hemicellulase enzymes. The activities of all these enzymes reached
the peak after being incubated for 10-16 days, and the highest enzyme activities were 55.0, 16.7,
45.4 and 60.5 U·g-1, respectively. After 24 d of incubation, the degradation percentages of lig⁃
nin, cellulose and hemicellulose were up to 42.9%, 40.6% and 27.1%, respectively. The spectro⁃
scopic data by FTIR indicated that the intensities of characteristic absorption peaks of lignin, cellu⁃
应 用 生 态 学 报  2015年 5月  第 26卷  第 5期                                                           
Chinese Journal of Applied Ecology, May 2015, 26(5): 1404-1410
lose and hemicellulose of the corn straw were decreased, indicating that the lignocellulose was de⁃
graded partly after being fermented by B. amyloliquefaciens MN⁃8. GC / MS analysis also demonstra⁃
ted that strain MN⁃8 could degrade lignocellulose efficiently. It could depolymerize lignin into some
monomeric compounds with retention of phenylpropane structure unit, such as amphetamine, ben⁃
zene acetone and benzene propanoic acids, by the rupture of β⁃O⁃4 bond connected between lignin
monomer, and it further oxidized some monomer compounds into Cα carbonyl compounds, such as
2⁃amino⁃1⁃benzeneacetone and 4⁃hydroxy⁃3,5⁃dimethoxy⁃acetophenone. The GC / MS analysis of the
degradation products of cellulose and hemicellulose showed that there were not only monosaccharide
compounds, such as glucose, mannose and galactose, but also some glycolysis products including
formic acid, acetic acid, propionic acid, 1,1⁃ethanediol and 3⁃hydroxy butyric acid. Our results
demonstrated that B. amyloliquefaciens MN⁃8 is capable of degrading lignocelluse of the corn straw
effectively and the degradation capacity depends on the lignocellulase activity.
Key words: Bacillus; corn straw; lignocellulose; biodegradation.
    木质纤维素是地球上数量最大的可再生生物质
资源,其开发和利用被认为是缓解能源问题最有效
的途径之一[1] .木质纤维素包含木质素、纤维素和半
纤维素 3大部分,三者相互嵌合,以共价键结合成空
间网状结构,共同组成植物细胞壁.木质纤维素结构
复杂,极难降解,其高效降解技术的开发成为木质纤
维素资源化利用中亟需解决的关键问题.
在众多木质纤维素的降解途径中[2],微生物降
解技术以其成本低、反应条件温和、对环境不造成污
染等优点越来越受到国内外科学工作者的关注.有
关微生物降解木质纤维素方面的研究很多,在微生
物菌种资源[3-5]、降解机制[6-8]、木质纤维素降解酶
系特性与合成调控[9-10]以及木质纤维素降解酶基因
工程[11-12]等方面取得了很大的进展.目前研究中降
解木质纤维素的菌种多以真菌和细菌为主.真菌,尤
以白腐真菌为代表,产酶能力强,降解效率高,且对
木质素表现出强矿化作用,一直是木质纤维素微生
物降解领域的主要研究对象[13-14] .然而,由于真菌
生长势弱、对环境敏感、不耐高温、在实际应用中难
以保证活性等问题,严重限制了真菌在木质纤维素
降解领域内的规模化应用.细菌对木质纤维素的降
解能力虽然普遍弱于真菌,但细菌生物活性广泛,适
应性强,在木质纤维素降解中有很强的实用性.而细
菌中的芽孢杆菌则因抗逆性强、易于工业化生产等
优点,在细菌降解木质纤维素的研究中更具应用前
景.当前对芽孢杆菌在木质素和纤维素降解方面的
应用已有一定研究基础[15-17],但有关其对天然木质
纤维素的降解特性和降解机理的研究则十分有限.
本课题组近年来一直致力于发掘可高效降解木
质纤维素的芽孢杆菌资源[18-19],以期获得可直接用
于工业化生产和应用的功能菌株.本文在前期获得
了一株高效木质素降解菌———解淀粉芽孢杆菌
(Bacillus amyloliquefaciens)MN⁃8 的基础上[19],拟进
一步研究菌株对玉米秸秆木质纤维素的降解特性和
降解产物,旨在明确芽孢杆菌对木质纤维素的降解
作用,初步推断芽孢杆菌对木质纤维素的降解途径,
为其降解机理的深入系统研究奠定基础.
1  材料与方法
1􀆰 1  材料
供试解淀粉芽孢杆菌 MN⁃8 ( NCBI 登录号:
KF312439)为本课题组前期筛选获得,保存;试验用
玉米秸秆取自玉米品种农大 3138(CAU 3138)收获
籽实后的干黄秸秆,粉粹,干燥备用.
1􀆰 2  培养基
NB培养基(g·L-1):牛肉膏 5.0,蛋白胨 10.0,
氯化钠 5. 0,pH 7. 0 左右,用于 MN⁃8 菌株的种子
培养.
无机盐矿物元素营养液(g·L-1):(NH4) 2SO4
2.0,KH2 PO4 2. 0,MgSO4 0. 3,CaCl2 0. 3,NaCl 0. 5,
FeSO4 0.005,MnSO4 0.016,ZnCl2 0.017,CoCl2 0.002.
秸秆粉⁃MSM 培养基:秸秆粉+无机盐矿物营
养液.
1􀆰 3  秸秆发酵试验
将活化的菌株接种于装有 50 mL NB 培养基的
250 mL三角瓶中,30 ℃、180 r·min-1培养 18 h.将
种子液在 5000 r·min-1条件下离心 10 min,倾去上
清液,菌体用无菌水洗涤 3 次后,收集菌体. 在无菌
条件下,将菌体置于适量无菌水中,充分振荡,制备
菌悬液(1010 cfu·mL-1),备用.
每 250 mL三角瓶中准确称取 1 mm 秸秆粉 30
g,采用 45 mL无机盐矿物元素营养液浸湿,混合均
匀,121 ℃灭菌 30 min.接种 6 mL菌悬液,接种量为
50415期                      李红亚等: 解淀粉芽孢杆菌 MN⁃8对玉米秸秆木质纤维素的降解           
2.0×109 cfu·g-1秸秆,37 ℃恒温培养箱中静止培养
24 d.设相同处理不接菌对照.
培养结束后,取 3 g 发酵秸秆粉,放于烧杯中,
加入适量的蒸馏水,充分浸取.抽滤,反复洗涤烧杯
及滤纸上秸秆 3 次,合并滤液.将滤液转移入 50 mL
容量瓶中,蒸馏水定容.取秸秆浸提液分别测定纤维
素和半纤维素酶活力、木质素过氧化物酶(LiP)活
力、锰过氧化物酶 (MnP)活力以及漆酶 ( Lac)活
力[18-21] .木质素、纤维素和半纤维素含量测定参考
王玉万等[22]的方法.
1􀆰 4  秸秆发酵前后傅立叶红外光谱(FTIR)变化的
测定
采用 SPECTRUM⁃ONE 红外光谱仪测定其红外
吸收光谱.在发酵前后的秸秆粉加入 KBr 做稀释剂,
置于玛瑙研钵里研磨至颗粒细小且均匀,压片成型,
测定发酵前后秸秆的红外光谱.
1􀆰 5  木质纤维素降解产物分析
取发酵后的秸秆粉 5 g,用氯仿进行回流提取,
提取液用无水硫酸钠干燥、旋转蒸发仪浓缩,经 0.45
μm滤膜过滤后,气质联用色谱(GC / MS)进行分析.
将氯仿提取后的发酵秸秆粉,用适量蒸馏水分
3次浸提,合并浸提液,旋转蒸发除去大部分水.将
浓缩液定容于 50 mL容量瓶中,得可溶性糖样品.糖
腈乙酰化法衍生处理:取糖液 10 mL,盐酸羟胺 100
mg和吡啶 5 mL,于 90 ℃水浴加热 30 min 并振荡,
取出冷却至室温,加入醋酸酐 5 mL 在 85 ℃继续加
热 30 min进行乙酰化,产物浓缩至干,加入 5 mL氯
仿溶解,溶液经 0.45 μm滤膜过滤后,采用气质联用
色谱进行分析.
气⁃质色谱条件:HP⁃5毛细管柱(50 m×0.32 mm
×0.25 μm);程序升温:初始温度 50 ℃ 保持 2 min;
以 5 ℃·min-1速度升温至 270 ℃;进样口温度 280
℃;溶剂延迟 4 min;离子源温度 250 ℃;离子源能量
70 eV;扫描质量数范围 14 ~ 800 amu;进样量 0. 2
μL;进样方式为分流,50 ∶ 1.
1􀆰 6  数据处理
数据使用 SPSS 18.0 软件进行单因素方差分析
(one⁃way ANOVA),试验数据用平均值±标准差表示.
2  结果与分析
2􀆰 1  木质纤维素酶活力的变化
从图 1可以看出,MN⁃8 菌株在秸秆发酵过程
中,可产生多种与木质纤维素降解相关的酶.在整个
发酵过程中,除没有检测到漆酶活力之外,其他木质
图 1  发酵过程中 MN⁃8菌株木质纤维素酶活力的变化
Fig.1  Lignocellulose degradation enzyme activity of strain MN⁃
8 in the process of fermentation.
Ⅰ: 纤维素酶 Cellulase enzyme; Ⅱ: 半纤维素酶 Hemicellulase en⁃
zyme; Ⅲ: 木质素过氧化物酶 Lignin peroxidase enzyme; Ⅳ: 锰过氧
化物酶 Manganese peroxidase enzyme.
纤维素降解酶活力均呈现波浪式变化,在发酵
10~16 d的时间内陆续达到酶活力的最高峰.其中,
半纤维素酶活力在 10 d时达到 60.5 U·g-1,纤维素
酶和锰过氧化物酶在 14 d 时分别达到 45.4 和 16􀆰 7
U·g-1,木质素过氧化物酶则在发酵 16 d 时酶活力
达到最高值 55.0 U·g-1 .
2􀆰 2  木质纤维素含量变化
从图 2可以看出,玉米秸秆中纤维素含量最高,
为 47.2%;半纤维素含量次之,为 26.6%;木质素含
量最低,仅为 12.6%.经 MN⁃8 菌株发酵 24 d 后,三
者含量均有一定程度下降,降解率分别为 27.1%、
40􀆰 6%和 42.9%.其中,半纤维素在发酵 10 ~ 12 d 期
间降解幅度最大,可达 8.4%;纤维素在 12 ~ 14 d 时
降解最为显著,降解率为10.4%;木质素则在14 ~
图 2  发酵过程中秸秆木质纤维素含量变化
Fig.2  Change of lignocellulose contents of strain MN⁃8 in the
process of fermentation.
Ⅰ: 半纤维素 Hemicellulose; Ⅱ: 纤维素 Cellulose; Ⅲ: 木质素 Lig⁃
nin; Ⅳ: 灰分 Ash.
6041                                       应  用  生  态  学  报                                      26卷
图 3  发酵前后玉米秸秆的 FTIR谱图
Fig.3  FTIR spectrum of corn straw before and after fermented
by strain MN⁃8.
A: 发酵前 Before fermentation; B: 发酵后 After fermentation.
16 d时达到最大降解幅度 14.6%,这一变化规律与
发酵期间木质纤维素酶活力变化情况基本一致.
2􀆰 3  秸秆发酵前后 FTIR的变化
发酵前后玉米秸秆的 FTIR 光谱图存在一定差
异(图 3).发酵前玉米秸秆的 FTIR光谱中木质纤维
素特征吸收峰均有出现.其中,1656 cm-1为木质素中
苯环振动峰,1247 cm-1处的 C⁃O⁃C 反对称振动峰则
代表连接木质素苯丙烷单体间的醚键 C⁃O⁃C 的反
对称振动峰;在 1162 和 1050 cm-1处的强吸收峰则
表明秸秆中纤维素和半纤维素的 C⁃O⁃C 键的存在,
它们适合在总体上表示中性多糖的存在[23];1728
cm-1处吸收峰为木聚糖(半纤维素)未键合的羰基
伸缩振动峰;3357 cm-1处的吸收峰为羟基伸缩振动
峰;895 cm-1的峰带则为半纤维素中糖环振动产生
的特征 C⁃H变形峰[24] .将发酵前后玉米秸秆的 FT⁃
IR光谱进行对比发现,2921 cm-1处甲基和亚甲基吸
收峰、1162和 1050 cm-1处以及 1728 cm-1处的振动
峰强度明显减弱,均表明秸秆中纤维素和半纤维素
被部分降解.而在 1656 cm-1处的苯环吸收峰也明显
减弱,证明木质素除被解聚之外,还发生了部分苯环
降解.895 cm-1的峰带明显减弱,甚至不易辨识,表明
部分糖类被 MN⁃8菌株利用,并发生了糖环开裂.
2􀆰 4  木质纤维素降解产物
2􀆰 4􀆰 1发酵秸秆木质素降解产物   经 MN⁃8 菌株发
酵后的玉米秸秆的氯仿提取液中存在多种小分子芳
香族类化合物.从表 1 可以看出,接种 MN⁃8 菌株试
验组的氯仿提取液中出现的紫丁香基苯乙酮、2,3⁃
二甲氧基苯丙胺、 2⁃氨基⁃1⁃苯丙酮、 α⁃( 1⁃氨基乙
基)⁃2,5⁃二甲氧基苯甲醇和 α⁃1⁃氨基乙基苯丙酸等
芳香族类化合物,在不接菌对照组中均未出现,可认
为是木质素降解产物.其中,苯丙胺、苯丙酮以及苯
表 1  发酵秸秆木质素降解产物 GC/ MS分析结果
Table 1  GC / MS analysis results of degradating products
of lignin in corn straw
处理
Treatment
保留时间
Retention time
(min)
化合物
Compound
对照组 2.478 1⁃甲基丙基乙酸酯 Acetic acid, 1⁃methylpropyl ester
Control 2.773 甲苯 Toluene
group 3.239 2⁃氟乙酰胺 Acetamide, 2⁃fluoro⁃
3.759 乙苯 Ethylbenzene
3.820 对二甲苯 p⁃Xylene
3.861 间二甲苯∗ 1,3⁃dimethylbenzene
4.128 环己酮 Cyclohexanone
4.166 4⁃庚醇∗4⁃Heptanol
4.635 3⁃甲基⁃4⁃庚酮∗ 4⁃Heptanone, 3⁃methyl⁃
6.829 2⁃异丙基甲苯 Benzene, 1⁃methyl⁃2⁃(1⁃methylethyl)⁃
9.912 1⁃甲基萘 1⁃methylnaphthalene
11.555 2,2⁃二氯乙酰胺∗2,2⁃dichloroacetamide
17.790 9,10⁃蒽醌 9,10⁃Anthracenedione
18.743 二十一烷 Heneicosane
试验组 2.660 1⁃甲基丙基乙酸酯 Acetic acid, 1⁃methylpropyl ester∗∗
Test group 2.764 甲苯 Toluene∗∗
3.299 2⁃氟乙酰胺 2⁃Fluoroacetamide∗∗
3.728 乙苯 Ethylbenzene∗∗
3.822 对二甲苯 p⁃Xylene∗∗
4.092 1,3,5,7⁃环辛四烯 1,3,5,7⁃Cyclooctatetraene∗∗∗
4.136 环己酮 Cyclohexanone∗∗
4.345 2⁃氨基⁃5⁃甲基己烷 5⁃methyl⁃2⁃hexanamine∗∗∗
4.665 1⁃(3,5⁃二甲基⁃1⁃金刚烷碳酰基氨基脲 1⁃(3,5⁃Dim⁃
ethyl⁃1⁃adamantan oyl)Semicarbazide∗∗∗
5.028 (S)⁃2 ⁃氨基⁃1⁃苯丙酮(S)⁃2⁃amino⁃1⁃phenyl⁃1⁃
Propanone∗∗∗
6.736 N⁃己基甲胺 n⁃hexylmethylamine∗∗∗
6.829 2⁃异丙基甲苯 1⁃methyl⁃2⁃(1⁃meth ylethyl)⁃
benzene∗∗
7.286 1⁃乙基⁃3,5⁃二甲苯, 1⁃ethyl⁃3,5⁃dimethy⁃
benzene∗∗∗
7.347 1,2,3,4⁃四甲基苯 1,2,3,4⁃tetramethylbenzene∗∗∗
7.650 [R⁃(R∗,R∗)]⁃α⁃1⁃氨基乙基苯丙酸
[R⁃(R∗,R∗)]⁃α⁃(1⁃aminoethyl)benzene⁃propanoic
acid∗∗∗
9.209 己内酰胺 Heneicosane∗∗∗
9.892 1⁃甲基萘 1⁃methyl⁃naphthalene∗∗
10.140 (S)⁃仲丁胺 (S)⁃2⁃Butanamine∗∗∗
11.373 1⁃甲基⁃2⁃苯氧基乙胺
1⁃Methyl⁃2⁃phenoxyethylamine∗∗∗
12.387 2,3⁃二氢⁃8⁃羟基⁃5⁃甲基噻唑并[3,2⁃a]嘧啶⁃2⁃羧酸盐
Thiazolo[3,2⁃a] pyrid inium, 2⁃carboxy⁃2,3⁃dihydro⁃8⁃
hydroxy⁃5⁃methyl⁃, hydroxide, inner salt∗∗∗
13.775 7⁃甲基己内酰胺 2H⁃Azepin⁃2⁃one, hexahydro⁃7⁃
methyl⁃∗∗∗
14.612 α⁃(1⁃氨基乙基)⁃2,5⁃二甲氧基苯甲醇
(1⁃aminoethyl)⁃2,5⁃dimethoxy benzenemetha⁃nol∗∗∗
15.213 紫丁香基苯乙酮 1⁃( 4⁃hydroxy⁃3, 5⁃dimethoxyphe⁃
nyl)⁃ ethanone∗∗∗
15.796 1⁃胍基丁二酰亚胺 l⁃guanidinosuccinimide∗∗∗
16.601 邻苯二甲酸二异丁酯
1,2⁃Benzenedicarboxylic acid, bis (2⁃methylpropyl)
ester∗∗∗
16.826 2,3⁃二甲氧基苯丙胺 2,3⁃Dimethoxyamphetamine∗∗∗
16.997 1⁃甲基十二烷基苯(1⁃methyldodecyl) benzene∗∗∗
17.532 邻苯二甲酸丁基异丁酯
1,2⁃benzenedicarboxylic acid, butyl 2⁃methylpropyl
ester∗∗∗
17.790 9,10⁃蒽醌 9,10⁃Anthracenedione∗∗
18.743 二十一烷 Heneicosane∗∗
∗发酵后消失的物质 Vanished compounds after fermentation; ∗∗发
酵前后均存在的物质 Existent compounds before and after fermentation;
∗∗∗发酵后新产生的物质 Produced compounds after fermentation.
70415期                      李红亚等: 解淀粉芽孢杆菌 MN⁃8对玉米秸秆木质纤维素的降解           
表 2  发酵秸秆纤维素和半纤维素降解产物 GC/ MS 分析
结果
Table 2  GC / MS analysis results of degradating products
of cellulose and hemicellulose in corn straw
处理
Treatment
保留时间
Retention time
(min)
化合物
Compound
对照组 4.63 吡啶 Pyridine
Control group 7.71 乙酸 Acetic acid
8.99 乙酸 Acetic acid
11.77 乙酰胺 Acetamide
试验组
Test group 2.241 2⁃氨甲基吡啶 2⁃Pyridinemethanamine
2.395 5⁃己炔⁃1醇 5⁃Hexyn⁃1⁃ol
2.522 吡啶 Pyridine
2.627 1,1⁃乙二醇二乙酯 1,1⁃Ethanediol, diacetate
2.902 乙酸 Acetic acid
3.811 丙酸 Propanoic acid
3.916 乙酸 Acetic acid
5.287 α⁃L⁃甲基⁃6去氧⁃半乳吡喃糖苷 α⁃L⁃Galac⁃
topyrano side, methyl 6⁃deoxy⁃
5.425 (+ / ⁃)⁃3⁃羟基丁酸乙酯 ( + / ⁃) ⁃Butanoic
acid, 3⁃hydroxy⁃, ethyl ester
8.014 甲酸异丙酯 Formic acid, 1⁃methylethyl
ester
11.89 乙酰胺 Acetamide
15.39 异硫氰酸苄酯 Isothiocyanatomethyl benzene
15.90 乙酰氧肟酸 Acetohydroxamic acid
16.254 α⁃l⁃甘露糖缩氨基脲五乙酸酯
α⁃l⁃Mannose semicarbazone pentaacetate
16.496 N⁃甲氧基 1⁃呋喃核糖⁃4 咪唑甲酰胺 N⁃
Methoxy⁃1⁃ribofuranosyl⁃ 4⁃imidazole carbox⁃
ylic amide
16.865 α⁃D⁃ 2⁃乙酰氨基 2⁃脱氧半乳吡喃糖苷 2⁃
(acetylamino)⁃2⁃deoxy⁃α⁃D⁃Galactopyranose
17.135 N⁃乙 酰 氨 基⁃D⁃葡 萄 糖 N⁃Acetyl⁃α⁃D⁃
glucosamine
17.383 N⁃甲氧基 1⁃呋喃核糖⁃4 咪唑甲酰胺 N⁃
Methoxy⁃1⁃ribofuranosyl⁃4⁃ imidazolecarboxyl⁃
ic amide
19.228 2⁃去氧⁃D⁃阿拉伯糖基⁃已糖二乙基缩硫
醛四乙酸酯 D⁃ Arabino⁃Hexose, 2⁃deoxy⁃,
diethyl mercaptal, tetraacetate
21.801 α⁃l⁃甘露糖缩氨基脲五乙酸酯 α⁃l⁃Mannose
semicarbazone pentaacetate
22.886 α⁃D⁃葡糖糖五乙酸酯 α⁃D⁃Glucopyranose,
pentaacetate
23.122 α⁃D⁃半乳糖五乙酸酯 α⁃D⁃Galactose penta⁃
acetate
丙酸可看作保留苯丙烷结构的木质素解聚单体的衍
生物;而紫丁香基苯乙酮则是典型的木质素单体紫
丁香基丙烷的衍生物;苄醇、苯甲酸可认为是木质素
单体结构单元进一步降解的产物.
2􀆰 4􀆰 2发酵秸秆中可溶性糖   从表 2 可以看出,经
MN⁃8菌株发酵后,玉米秸秆水提液的糖腈乙酰化衍
生物中除了包括多种单糖乙酰化产物外,还存在甲
酸、乙酸、丙酸、1,1⁃乙二醇和 3⁃羟基丁酸等糖酵解
产物.在检测到的单糖中主要包括纤维素降解产物
葡萄糖以及半纤维素降解产物半乳糖、葡萄糖、甘露
糖、N⁃乙酰葡萄糖胺和呋喃核糖衍生物等.以上物质
在对照组中均未出现.
3  讨    论
微生物降解木质纤维素是植物生物质资源化利
用中的研究热点,然而当前对于芽孢杆菌在木质纤
维素降解能力方面的报道相对较少.在燕红等[15-16]
的报道中,蜡样芽孢杆菌(B. cereus)对稻草纤维素、
半纤维素和木质素最大降解率分别为 3.4%、0.9%
和 2. 8%,地衣芽孢杆菌 ( B. licheniformis) 则为
37􀆰 0%、15.96%和 17.0%.王毅等[25]利用枯草芽孢杆
菌(B. subtilis)发酵稻草 30 d 后,稻草纤维素、半纤
维素和木质素的降解率可达到 38􀆰 8%、41􀆰 8%和
9􀆰 5%.本文通过研究解淀粉芽孢杆菌 MN⁃8 对木质
纤维素的降解能力发现,发酵 24 d 后玉米秸秆纤维
素、半纤维素和木质素的降解率可达到 27􀆰 1%、
40􀆰 6%和 42.9%.其降解能力远远高于燕红等[15-16]
报道的蜡样芽孢杆菌;与地衣芽孢杆菌和枯草芽孢
杆菌相比,其对纤维素的降解能力虽低于两者,但对
木质素的降解能力则显著优于两者,对半纤维素的
降解能力则强于地衣芽孢杆菌,而与枯草芽孢杆菌
相差不大.此外,与宋安东等[26]采用白腐真菌发酵
稻草 32 d后木质纤维素的降解情况相比,菌株 MN⁃
8对纤维素、半纤维素和木质素的降解效率明显优
于杂色云芝 (Coriolus versicolor) (26. 7%、10􀆰 8%和
10.3%)和草菇(21.6%、15.7%和 22.8%);即使与白
腐真菌模式菌株黄孢原毛平革菌 ( Phanerochaete
chrysosporium)相比,其对纤维素的降解效率不及黄
孢原毛平革菌(50.8%),木质素的降解率与之相差
不大(37.2%),而对半纤维素降解能力则明显强于
黄孢原毛平革菌(29.2%).以上表明,解淀粉芽孢杆
菌对木质纤维素表现出较强的降解作用,其降解能
力优于已报道的芽孢杆菌以及杂色云芝和草菇等白
腐真菌类.通过对发酵过程中相关的木质纤维素降
解酶活力的测定表明,菌株 MN⁃8 对木质纤维素的
强降解作用依赖于发酵过程中木质素过氧化物酶、
锰过氧化物酶、纤维素酶和木聚糖酶等主要酶的
产生.
木质素是由苯丙烷结构单元通过醚键和碳⁃碳
键联结而成的复杂的无定形芳香族高聚物.本研究
通过 GC / MS对秸秆木质素降解产物的分析发现,产
物中主要存在含苯丙烷结构的小分子芳香族化合
物、典型的木质素单体衍生物紫丁香基苯乙酮、苯甲
8041                                       应  用  生  态  学  报                                      26卷
酸衍生物和脂肪族化合物 4 类物质.由含苯丙烷结
构的芳香族化合物和紫丁香基苯乙酮两类化合物的
存在,推断解淀粉芽孢杆菌 MN⁃8 菌株可能通过两
个步骤来实现木质素的降解:首先 MN⁃8 菌株可通
过断裂单体间的 β⁃O⁃4 醚键,将木质素解聚成小分
子的紫丁香基丙烷和其他苯丙烷单体化合物;随后
再选择性地将部分解聚产物进一步降解,形成系列
衍生物.例如,其可通过苯丙侧链上 Cα 位点的氧化
将紫丁香基丙烷氧化成紫丁香基苯乙酮,这与 Habu
等[27]利用细菌代谢木质素模型化合物常产生侧链
Cα 位点上带有羰基基团的中间产物的结论一致.而
Cα羰基衍生物可进一步发生氧化,造成 Cα⁃Cβ 的
裂解而生成苯甲酸衍生物.在以上解淀粉芽孢杆菌
MN⁃8菌株降解木质素的可能途径中,木质素苯丙侧
链上 Cα位点氧化及 Cα⁃Cβ价键断裂正是木质素过
氧化物酶降解木质素的典型特征[28-29],这一点与
MN⁃8菌株产木质素过氧化物酶也相吻合.此外,在
降解产物中还有部分脂肪族化合物,可能为芳香族
化合物的芳环开裂或产生醌式结构被进一步代谢形
成[30] .糖腈乙酰化衍生物的氯仿提取液的 GC / MS
分析中,虽未检测到二糖及以上可溶性糖衍生物,但
产物中葡萄糖、甘露糖、半乳糖等单糖衍生物、醇类
以及甲酸、乙酸等短链脂肪酸类物质的存在,足以说
明解淀粉芽孢杆菌 MN⁃8 除了可将纤维素、半纤维
素降解成短链糖,甚至是单糖之外,还可利用降解产
生的单糖进一步代谢产生醇和脂肪酸类化合物.以
上 GC / MS分析结果与发酵秸秆木质纤维素降解前
后的 FTIR谱图分析结论一致.至于样品中未检测到
木糖乙酰化衍生物,与发酵过程中木聚糖酶活力不
一致,可能是由于糖腈乙酰化反应不充分,木糖未被
完全衍生化造成.在今后的研究,还需结合其他检测
手段加强对木糖的分析.
目前,在木质纤维素的微生物降解规律和降解
机理研究中多以白腐真菌作为研究对象,有关芽孢
杆菌的研究鲜见报道.本文就解淀粉芽孢杆菌 MN⁃8
对玉米秸秆中木质纤维素的降解特性及降解产物进
行了研究,并根据降解产物初步推断了木质纤维素
的降解途径,为芽孢杆菌降解天然木质纤维素的机
理研究奠定了基础.
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作者简介  李红亚,女,1977 年生,博士研究生,副教授. 主
要从事农业微生物学研究. E⁃mail: lihy77@ sina.com
责任编辑  肖  红
0141                                       应  用  生  态  学  报                                      26卷