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表面活性剂对堆肥过程中微生物胞外酶的作用及其机理研究

作　者: 时进钢
导　师: 曾光明；袁兴中
学　校: 湖南大学
专　业: 环境工程
关键词: 堆肥表面活性剂鼠李糖脂吐温80 胞外酶荧光
分类号: X705
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

堆肥过程是由大量微生物活动组成的一个复杂的生物化学过程,堆肥的物料成分复杂,除一小部分小分子的物质可以被微生物直接利用以外,大部分的有机物是以高聚物的形式存在,只有通过微生物所分泌的胞外酶将其分解为溶解性有机物质,才能渗入到细胞中供微生物代谢利用。由于堆肥物料中高聚物的存在形式是十分丰富的,因此,各种微生物产生的胞外酶也是多种多样的。如果能提高堆肥过程中一系列胞外酶的酶活,必将加快堆肥的进程,提高堆肥的效率。本研究将一种生物表面活性剂鼠李糖脂和一种化学合成的“温和型”非离子表面活性剂吐温80用于堆肥过程中,采用模拟堆肥实验、固态发酵实验、酶的内源荧光法及荧光探针等方法,从多个方面研究了两种表面活性剂对堆肥过程中微生物胞外酶的作用及其机理。在富含纤维素的废物稻草和麸皮的堆肥过程中,鼠李糖脂和吐温80对纤维素酶和木聚糖酶的活力有不同程度的增强和稳定作用,相应的,加速了纤维素和半纤维素的降解。堆肥过程中,主要来自于纤维素和半纤维素降解产生的水溶性有机碳,在含有表面活性剂的堆体中的含量要高于对照堆体,这有利于堆肥中微生物的生长,使得含有表面活性剂的堆体中微生物的种群数量要高于对照堆体。通过对比吐温80和鼠李糖脂对堆肥过程中的一系列参数的效果可以看出,鼠李糖脂对堆肥过程的促进作用要略好于吐温80。本实验的结果表明,“温和型”的表面活性剂,如吐温80和鼠李糖脂,对于富含纤维素废物的堆肥过程具有明显的促进作用。吐温80和鼠李糖脂对真菌简青霉(Penicillium simplicissimum),放线菌栗褐链霉菌(Streptomyces badius),细菌铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)和枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)胞外酶有不同的作用效果,这和表面活性剂的种类、微生物的种类、酶的种类都有一定的关系。总体来看,吐温80对于大多数微生物和酶来说都是一种提高酶活的促进剂,其适用条件更加广泛,而鼠李糖脂起作用的范围要相对小一些,但对一些酶却有突出的作用效果,例如木聚糖酶。吐温80和鼠李糖脂对微生物的生长没有抑制作用。酶的稳定性随着pH值的变化是不同的,纤维素酶在pH值3~7的条件下都较为稳定,基本不失活,而木聚糖酶在pH值7~9的条件下较为稳定,失活速度缓慢。稻草基质对纤维素酶的吸附失活作用随着pH值的增大而增强,而对木聚糖酶的吸附失活作用受pH值的影响不是很大;表面活性剂吐温80和鼠李糖脂在整体上都表现出对两种酶的稳定作用,但在细节上有一些不同。在酸性及中性(pH值3~7)条件下,吐温80对木聚糖酶的稳定作用要好于鼠李糖脂,而在碱性条件下,鼠李糖脂的效果要明显好于吐温80。通过内源荧光法研究酶蛋白分子构型的变化,得出了淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶和木聚糖酶在不同pH值条件下的稳定性,表面活性剂吐温80和鼠李糖脂对淀粉酶、纤维素酶和木聚糖酶都有不同程度的稳定作用,扩大了它们保持酶分子稳定的pH值范围,而对蛋白酶的作用不明显。通过采用芘作为荧光探针,研究鼠李糖脂和吐温80与4种微生物胞外酶,淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶和木聚糖酶之间的作用关系。鼠李糖脂和木聚糖酶之间有较强的作用力,纤维素酶次之,而淀粉酶和蛋白酶与鼠李糖脂之间的作用力不明显。吐温80与纤维素酶和木聚糖酶之间的作用力能使它们较好的结合,而与淀粉酶、蛋白酶之间的作用力反而不利于吐温80胶束的形成。和鼠李糖脂相比,吐温80和酶之间的作用力较小,随着吐温80的浓度的增大,它和酶之间的作用力逐渐越大,尤其在其浓度超过临界胶束浓度时。综上所述,一方面,表面活性剂吐温80和鼠李糖对堆肥过程中微生物的各种胞外酶具有不同程度的促进作用和稳定作用,从而加快了有机质的降解,提高了堆肥的效率;另一方面,这种促进产酶和稳定酶活的作用的大小和表面活性剂的种类、微生物的种类、酶的种类、环境pH值、堆肥物料等条件有一定的关系,不能从一而论。由于生物表面活性剂的多样性、可以由微生物原位产生、无污染等众多优点,使其在堆肥化处理有机固体废物中具有非常好的应用前景。

全文目录

摘要  9-11
Abstract  11-13
插图索引  13-15
附表索引  15-16
第1章绪论  16-43
  1.1 堆肥原理及工艺研究进展  16-20
    1.1.1 好氧堆肥的基本原理  16
    1.1.2 堆肥工艺进展  16-17
    1.1.3 好氧堆肥工艺控制参数  17-19
    1.1.4 好氧堆肥的发展趋势  19-20
  1.2 堆肥过程中的微生物及其胞外酶  20-30
    1.2.1 堆肥中的微生物  20-21
    1.2.2 堆肥物料的成分及降解  21-24
    1.2.3 酶的分类及合成调控  24-27
    1.2.4 堆肥过程中微生物的胞外酶  27-30
  1.3 表面活性剂与微生物酶  30-34
    1.3.1 表面活性剂的性质与种类  30-31
    1.3.2 表面活性剂促进微生物产酶的研究  31-32
    1.3.3 表面活性剂对纤维素酶法水解的促进作用  32-34
  1.4 生物表面活性剂的研究进展  34-41
    1.4.1 生物表面活性剂的产生菌  34-35
    1.4.2 生物表面活性剂的类型  35-37
    1.4.3 生物表面活性剂的特点  37
    1.4.4 生物表面活性剂的制取  37-39
    1.4.5 生物表面活性剂在环境污染治理中的应用  39-41
  1.5 本研究的目的、意义和主要内容  41-43
第2章表面活性剂对富含纤维素的稻草和麸皮堆肥过程的促进作用  43-62
  2.1 引言  43
  2.2 实验方法  43-51
    2.2.1 鼠李糖脂的制备  43-49
    2.2.2 堆肥实验设计  49
    2.2.3 含水率、有机碳、有机氮、pH 值的测定  49
    2.2.4 水溶性有机碳的测定  49-50
    2.2.5 微生物种群数量的测定  50
    2.2.6 酶活的测定  50-51
    2.2.7 纤维素和半纤维素含量的测定  51
  2.3 实验结果  51-58
    2.3.1 鼠李糖脂的鉴定结果  51-53
    2.3.2 堆肥过程中pH 值的变化  53-54
    2.3.3 微生物种群数量的变化  54-55
    2.3.4 木聚糖酶和纤维素酶酶活的变化  55-56
    2.3.5 水溶性有机碳含量的变化  56-57
    2.3.6 有机质以及纤维素和半纤维素含量的变化  57-58
  2.4 讨论  58-60
    2.4.1 表面活性剂对pH 值的影响  58
    2.4.2 表面活性剂对纤维素酶和木聚糖酶的影响  58-59
    2.4.3 表面活性剂对水溶性有机碳的影响  59
    2.4.4 表面活性剂对微生物种群的影响  59-60
    2.4.5 表面活性剂对有机质降解的影响  60
  2.5 本章小结  60-62
第3章表面活性剂对真菌简青霉胞外酶系的作用  62-76
  3.1 引言  62
  3.2 实验方法  62-67
    3.2.1 实验微生物及其胞外酶的测定  62-64
    3.2.2 实验设计  64-65
    3.2.3 酶活的测定  65
    3.2.4 真菌生物量的测定  65-66
    3.2.5 半纤维素和纤维素含量的测定  66
    3.2.6 含水率、有机碳、有机氮、pH 值的测定  66-67
  3.3 实验结果  67-72
    3.3.1 真菌胞外酶活的变化  67-69
    3.3.2 真菌生物量的变化  69
    3.3.3 含水率的变化  69-70
    3.3.4 有机质的降解  70-71
    3.3.5 碳氮比的变化  71
    3.3.6 纤维素和半纤维素的降解  71-72
  3.4 讨论  72-75
    3.4.1 表面活性剂对胞外酶活的影响  72-73
    3.4.2 表面活性剂对真菌生物量的影响  73-74
    3.4.3 表面活性剂对含水率的影响  74
    3.4.4 表面活性剂对基质降解的影响  74-75
  3.5 本章小结  75-76
第4章表面活性剂对放线菌栗褐链霉菌胞外酶系的作用  76-83
  4.1 引言  76
  4.2 实验方法  76-77
    4.2.1 微生物及其产胞外酶能力的测定  76
    4.2.2 实验设计  76-77
    4.2.3 参数的测定  77
  4.3 实验结果  77-80
    4.3.1 pH 值的变化  77-78
    4.3.2 表面活性剂对酶活的影响  78-80
    4.3.3 生物量的变化  80
    4.3.4 有机质的降解  80
  4.4 讨论  80-81
  4.5 本章小结  81-83
第5章表面活性剂对细菌铜绿假单胞菌和枯草芽孢杆菌胞外蛋白酶的作用  83-93
  5.1 引言  83
  5.2 实验方法  83-85
    5.2.1 实验材料  83-84
    5.2.2 实验设计  84
    5.2.3 参数测定  84-85
    5.2.4 数据分析方法  85
  5.3 实验结果  85-90
    5.3.1 铜绿假单胞菌和枯草芽孢杆菌胞外蛋白酶的变化  85-87
    5.3.2 发酵过程中菌体生长情况  87
    5.3.3 酶提取液表面张力的变化  87-88
    5.3.4 酶提取液pH 值变化  88-89
    5.3.5 堆料中挥发性有机质含量的变化  89-90
  5.4 讨论  90-92
  5.5 本章小结  92-93
第6章不同pH 值及稻草基质作用下表面活性剂对纤维素酶和木聚糖酶的影响  93-105
  6.1 引言  93-94
  6.2 实验方法  94-95
    6.2.1 实验材料  94
    6.2.2 实验设计  94-95
    6.2.3 分析方法  95
  6.3 实验结果  95-102
    6.3.1 表面活性剂对纤维素酶的作用  95-99
    6.3.2 表面活性剂对木聚糖酶作用  99-102
  6.4 讨论  102-103
  6.5 本章小结  103-105
第7章内源荧光法研究不同pH 值条件下表面活性剂对酶分子稳定性的影响  105-119
  7.1 引言  105-106
  7.2 实验方法  106-108
    7.2.1 实验材料  106-107
    7.2.2 酶和表面活性剂的荧光图谱  107
    7.2.3 实验设计  107-108
  7.3 结果与讨论  108-117
    7.3.1 酶和表面活性剂的荧光图  108-110
    7.3.2 淀粉酶  110-112
    7.3.3 蛋白酶  112-114
    7.3.4 纤维素酶  114-116
    7.3.5 木聚糖酶  116-117
  7.4 本章小结  117-119
第8章荧光探针法研究表面活性剂和微生物胞外酶之间的相互作用  119-126
  8.1 引言  119
  8.2 实验方法  119-121
    8.2.1 荧光探针芘  119-120
    8.2.2 实验材料  120
    8.2.3 实验设计  120-121
  8.3 结果与讨论  121-124
    8.3.1 芘的荧光图谱  121-122
    8.3.2 荧光探针法研究鼠李糖脂和酶的作用  122-123
    8.3.3 荧光探针法研究吐温80 和酶的作用  123-124
  8.4 本章小结  124-126
结论  126-129
参考文献  129-144
附录A 攻读学位期间发表的学术论文  144-146
附录B 攻读学位期间申请的发明专利  146-147
附录C 攻读学位期间参与的著作  147-148
附录D 攻读学位期间参与的研究课题  148-149
致谢  149

表面活性剂对堆肥过程中微生物胞外酶的作用及其机理研究

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