嗜碱性微生物在木质纤维素生物预处理过程中的应用及机理研究

Biological pretreatment of lignocellulose has advantages such as mild conditions, low energy consumption and non-pollution as well as disadvantages such as low efficiency and long periods. Alkaline conditions can facilitate the dissolution of lignin in lignocellulose and reduce the crystallinity of raw materials, etc. Therefore, pretreating lignocellulose under mild alkaline conditions using basophilic microorganisms is expected to improve efficiency and shorten reaction periods. This research is proposed to pretreat lignocellulose under alkaline conditions using the basophilic microorganisms that can efficiently degrade lignin and have been selected from saline-alkali environments so as to study relevant pretreatment processesand further explore the activity and mechanismsof related enzymes in the course of pretreatment by basophilic microorganisms. The main contents of this research include: (1) the process design and condition optimization of the biological pretreatment of lignocellulose by basophilic microorganisms under mild alkaline conditions, (2) the metabolic mechanism of the degradation of lignin by basophilic microorganisms under alkaline conditions and (3) the mechanism of the pretreatment of lignocellulose by basophilic microorganisms under alkaline conditions as well as the mechanism of the synergistic effect between the role of basophilic microorganisms in pretreatment and alkaline conditions. This study will provide new technological and theoretical references for establishing efficient, clean and low-cost pretreatment processes of lignocellulose.

利用生物法预处理木质纤维素具有条件温和、低能耗、无污染等优点，但同样存在效率低、周期长等不足。碱性条件能促进木质纤维素中木质素的溶解、降低原料结晶度等，因此，利用嗜碱性微生物在温和碱性条件下预处理木质纤维素有望提高效率、缩短反应周期。本研究拟利用实验室已从高盐碱环境中筛选得到的能够高效降解木质素的嗜碱性微生物在温和碱性条件下对木质纤维素原料进行预处理，研究与其相关的预处理工艺，并进一步探索嗜碱性微生物在木质纤维素原料预处理过程中的作用机制。研究主要内容包括：（1）嗜碱性微生物在温和碱性条件下预处理木质纤维素工艺的建立及参数优化。（2）嗜碱性微生物在碱性条件下降解木质素的代谢机理。（3）温和碱性条件下嗜碱性微生物在木质纤维素原料生物预处理过程中的作用机制及预处理过程中生物预处理作用与碱性环境之间的协同效应机理。本研究将为建立高效、清洁、低成本的木质纤维素预处理工艺提供新的技术及理论借鉴。

利用生物法预处理木质纤维素具有条件温和、低能耗、无污染等优点，但同样存在效率低、周期长等不足。碱性条件能促进木质纤维素中木质素的溶解、降低原料结晶度等，因此，利用嗜碱性微生物在温和碱性条件下预处理木质纤维素有望提高效率、缩短反应周期。本研究主要内容、相关结果、关键数据有：（1）从长期被木质素污染的造纸废水排污口的土壤中，筛选得到了两株能够在碱性条件下降解木质素的微生物菌株T-4和Y-8，这两菌株均能在pH10.0左右的条件下高效地降解木质素。经过形态观察和16S rDNA/18S rNDA同源性比对，菌株T-4和Y-8分别鉴定为云芝栓孔菌(Trametes versicolor)和沙链霉菌（Streptomyces psammoticus），并进一步研究了这两株菌的酶学及木质素降解特性。（2）对分离菌株T. versicolorT-4的碱耐受性、木质素降解工艺参数温度、辅助碳源、氮源等分别进行了优化，得到最优条件分别为35℃，辅助碳源为蔗糖、氮源为酒石酸铵。研究了菌株T. versicolorT-4对模拟造纸黑液的处理，发现该菌株能够通过降解及酸析作用降低模拟造纸黑液中的木质素含量，从而达到废水处理目的。最后对菌株T. versicolorT-4的木质素降解产物组分和相关酶进行了分析，初步研究了菌株在碱性条件下降解木质素的代谢机理。（3）建立了碱液浸泡法与生物法联合预处理木质纤维素原料工艺，对工艺参数进行了优化，在最优工艺条件下（pH10.0，湿度70%）的酶解率最高达到了69.3%，总木质素的降解率为41.1%，物料总损失为14.8%。进行了发酵研究，发现本联合预处理工艺对发酵几乎没有任何负面影响，乙醇产率最高达到理论的88.1%。（4）对预处理过的甘蔗渣宏观观察、电镜扫描观察（SEM）、结晶度测试（XRD）、傅里叶红外光谱（FT-IR）、GC-MS等测定，研究预处理过程中原料的微观结构、物理特征、化学基团及键位、降解产物等的变化情况，并结合预处理过程中菌株T versicolorT-4的木质素降解酶及纤维素酶活性的变化情况初步研究了预处理的相关机制。本研究将为建立高效、清洁、低成本的木质纤维素预处理工艺提供新的技术及理论借鉴。