王旭輝，葉 凱，徐 鑫，山其米克，王 卉，李 冠，鄧 宇

(1.新疆大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，烏魯木齊 830046；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物質(zhì)能源研究所，烏魯木齊 830091；3.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所，烏魯木齊 830091；4.農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所，成都 610041)

0 引 言

【研究意義】纖維素是一種含量豐富的可再生能源，在自然界中分布十分廣泛。纖維素不易溶于水和一般溶劑，在環(huán)境中結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，是很難被降解的污染物，并廣泛存在于畜禽養(yǎng)殖糞便和農(nóng)作物秸稈中[1-4]。新疆土壤鹽堿化程度比較嚴(yán)重，面積達(dá)11×104km2，約占全國(guó)鹽堿土地面積的三分之一。因此從當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境中篩選和分離耐鹽高效纖維素降解菌株，挖掘利用纖維素酶的酶解作用，解決當(dāng)?shù)丨h(huán)境污染和再生能源問(wèn)題具有重要的研究意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】纖維素是由大分子多糖聚集而成，在其內(nèi)部交錯(cuò)形成了無(wú)定形區(qū)和結(jié)晶區(qū)域[5]。纖維素酶主要包括外切葡聚糖酶、β-葡萄糖苷酶和內(nèi)切型葡聚糖酶，秸稈纖維素的分解需要這三種纖維素酶協(xié)同完成[6]。雖然在前人的研究工作中，已有關(guān)于常規(guī)環(huán)境下纖維素降解菌的報(bào)道[7-9]，但在鹽堿環(huán)境下秸稈纖維素降解菌的研究卻剛剛起步，在鹽堿環(huán)境下高濃度鹽堿離子不但會(huì)造成土壤滲透系數(shù)降低，而且對(duì)常規(guī)纖維素降解菌活性有強(qiáng)烈抑制作用，使其降解效率大大降低，因此篩選適應(yīng)鹽堿地區(qū)的高效耐鹽纖維素降解菌十分必要；而且纖維素降解菌的產(chǎn)酶種類(lèi)比較單一[10]。【本研究切入點(diǎn)】要降解天然纖維素，需要重視不同菌株之間的相互協(xié)同效應(yīng)，構(gòu)建高效纖維素降解復(fù)合菌系[11-12]，研究從玉米秸稈堆肥的鹽堿土壤分離篩選高效耐鹽秸稈纖維素降解菌株，并對(duì)其降解效果及菌種配比展開(kāi)響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)研究?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】篩選出高效耐鹽纖維素降解菌和玉米秸稈的最佳降解工藝，為新疆鹽堿地區(qū)玉米秸稈的微生物降解提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 樣品來(lái)源

在瑪納斯試驗(yàn)站采集玉米秸稈堆肥的鹽堿土壤，放入無(wú)菌袋中于冰箱4℃冷藏[13]。

1.1.2 儀器和試劑

DNA提取試劑盒；dNTP；TaqDNA聚合酶；無(wú)水CaCl2、K2HPO4等分析純。

超凈工作臺(tái)SW-CJ-2FD：上海博迅實(shí)業(yè)有限公司；SPX-160生化培養(yǎng)箱：江南儀器廠；恒溫?fù)u床ZWY-211B：上海智城分析儀器有限公司；高速冷凍離心機(jī)D-37520：Osterode Kendro Laboratory Products；立式壓力蒸汽滅菌器LDZX-50FBS：上海申安醫(yī)療器械有限公司；PCR擴(kuò)增儀C1000：Bio-Rad。

1.1.3 菌種篩選培養(yǎng)基

肉汁胨培養(yǎng)基(NA)：牛肉膏 3 g，蛋白胨 5 g，酵母浸膏 2 g，葡萄糖 8 g，瓊脂粉16 g，去離子水 1 L，pH=7.0。

赫奇遜氏無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基：NaCl 0.1 g，MgSO4·7H2O 0.3 g，NaNO32.5 g，KH2PO41.0 g，CaCl20.1 g，加去離子水至 1 L，pH=7.2。

液體發(fā)酵培養(yǎng)基：在赫奇遜氏無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基中添加纖維素 20 g/L。

平板濾紙培養(yǎng)基：在赫奇遜氏無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基中添加瓊脂粉 18 g/L，倒好平板后鋪一張濾紙片在培養(yǎng)基表面。

種子培養(yǎng)基：馬鈴薯 200 g，切塊煮沸 20 min，用細(xì)紗布過(guò)濾，添加葡萄糖 20 g，瓊脂 18 g，加離子水至 1 L，120℃高壓滅菌 30 min。

CMC-Na平板培養(yǎng)基：馬鈴薯 200 g，切塊煮沸 20 min，用細(xì)紗布過(guò)濾，再加CMC-Na 10 g，瓊脂 18 g，加去離子水至 1 L，pH=7.2。

1.2 方 法

1.2.1 纖維素降解菌的富集和初篩1.2.1.1 富集

采集玉米秸稈堆肥的土壤，天平稱(chēng)取20 g土壤放入經(jīng)過(guò)高溫高壓滅菌的250 mL的三角瓶中，加入150 mL無(wú)菌去離子水，混合均勻，然后在30℃生化培養(yǎng)箱培養(yǎng)12 h。取10 mL上清液置于高溫高壓滅菌的250 mL的三角瓶中，加入150 mL的液體培養(yǎng)基，在30℃生化培養(yǎng)箱培養(yǎng)3 d，取上清液10 mL至液體培養(yǎng)基中，重復(fù)培養(yǎng)3次，富集得到含有纖維素降解菌的混合菌液。

1.2.1.2 初篩

取1 mL混合菌液加入高溫滅菌的250 mL的三角瓶中，加入99 mL無(wú)菌去離子水，在恒溫?fù)u床中溫度30℃、轉(zhuǎn)速200 r/min條件下培養(yǎng)4 h后，取l mL菌懸液，用無(wú)菌去離子水進(jìn)行濃度稀釋?zhuān)?0-2、10-3、10-4不同的稀釋濃度，分別均勻涂布于平板濾紙培養(yǎng)基上，置于30℃生化培養(yǎng)箱再培養(yǎng)3 d，挑選出在平板濾紙培養(yǎng)基上生長(zhǎng)良好，且對(duì)濾紙片有降解的菌落。

1.2.2 纖維素降解菌的復(fù)篩

上述分離得到的纖維素降解菌接種于CMC-Na平板培養(yǎng)基中，30℃生化培養(yǎng)箱培養(yǎng)3 d，將平板中有比較明顯水解圈的產(chǎn)酶菌株接種至NA培養(yǎng)基中進(jìn)行再純化后再接種到種子斜面培養(yǎng)基上，在30 ℃生化培養(yǎng)箱培養(yǎng)3 d，然后置于4℃冰箱保藏。

CMC-Na水解圈試驗(yàn)：將復(fù)篩得到的高效產(chǎn)酶菌株接種于CMC-Na平板培養(yǎng)基，培養(yǎng)3 d，用0.1%的剛果紅水溶液浸染30 min，再用1 mol/L的NaCl溶液脫色1 h，用游標(biāo)卡尺對(duì)水解圈直徑(D/cm)和菌落直徑(d/cm)進(jìn)行測(cè)定，以Dp值表示纖維素酶的水解能力：Dp=(D/d)2。

1.2.3 纖維素酶活力的測(cè)定1.2.3.1 粗酶液制備

將復(fù)篩得到的1 mL菌液加入滅菌的150 mL三角瓶，加入49 mL液體發(fā)酵培養(yǎng)基，于30℃恒溫?fù)u床中200 r/min培養(yǎng)3 d，收取培養(yǎng)液至50 mL離心管中，高速冷凍離心機(jī)4℃、4 000 r/min離心15 min，離心管的上清液為粗酶液。

1.2.3.2 CMC酶活測(cè)定

將10 g CMC加入1 000 mL滅菌去離子水，混勻，吸取1.5 mL混合液加入到25 mL試管中，再加入0.5 mL粗酶液，搖勻后立即放入30℃水浴鍋中反應(yīng)1 h。然后加入1.5 mL DNS終止酶解反應(yīng)，沸水浴中反應(yīng)10 min，自然冷卻后加入離子水定容至20 mL。用紫外分光光度計(jì)測(cè)定其在540 nm波長(zhǎng)下的吸光值[14]。

1.2.4 耐鹽纖維素降解菌的篩選

利用添加1%、3%、5%、7%的NaCl濃度逐級(jí)篩選耐鹽高效纖維素降解菌株。將篩選的高效纖維素降解菌在CMC-Na平板培養(yǎng)基上劃線培養(yǎng)，30℃生化培養(yǎng)箱培養(yǎng)3 d，選取在不同鹽濃度生長(zhǎng)良好的單菌落，經(jīng)劃線純化的菌種在30℃生化培養(yǎng)箱培養(yǎng)3 d，然后置于4℃冰箱保藏。耐鹽纖維素降解菌多呈淡黃、淡粉、乳白色菌落，菌體多為桿狀或球狀，菌體在去離子水種放置1 d，在光學(xué)顯微鏡下觀察無(wú)破壁與變形狀態(tài)。

1.2.5 菌種鑒定

對(duì)篩選得到的4株高效耐鹽纖維素降解菌進(jìn)行革蘭氏染色[15]，對(duì)菌株的菌落結(jié)構(gòu)和形態(tài)進(jìn)行觀察。根據(jù)《常見(jiàn)細(xì)菌系統(tǒng)鑒定手冊(cè)》對(duì)4株高效耐鹽纖維素降解菌進(jìn)行生理生化初步鑒定[16]。

采用鼎國(guó)昌盛生物技術(shù)有限公司的細(xì)菌基因組DNA提取試劑盒進(jìn)行秸稈纖維素降解菌總DNA的提取，采用細(xì)菌PCR的通用引物1 492R和27F進(jìn)行16S rRNA片段的擴(kuò)增，PCR 擴(kuò)增反應(yīng)體系(50 μL)包括: DNA模板2 μL，5 U/μLTaq酶0.25 μL，2.5 mmol/L dNTPs 混合溶液 4 μL，10 mmol/L引物各1 μL，10×PCR 緩沖溶液 5 μL，ddH2O 36.75 μL，PCR反應(yīng)條件為：94℃預(yù)變性9 min，94℃變性50 s，52℃退火40 s，72℃延伸70 s，32個(gè)循環(huán)，最后在72℃繼續(xù)延伸6 min，4℃冰箱保存。4株高效耐鹽纖維素降解菌的PCR產(chǎn)物用瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)，回收后送到上海生工進(jìn)行雙向測(cè)序。將測(cè)序結(jié)果導(dǎo)入GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)分析確定4株耐鹽高效纖維素降解菌的種屬。

1.2.6 單菌最優(yōu)添加量以及菌種配比的響應(yīng)面優(yōu)化

1.2.6.1 單因素試驗(yàn)

將篩選得到4株耐鹽高效纖維素降解菌進(jìn)行活化，將菌液加入離心管中5 000 r/min離心5 min，棄除上清液，收集沉淀的菌體在無(wú)菌環(huán)境下常溫干燥24 h制成固體微生物菌劑，將固體菌劑WH2、WH4、WH7和WH9常溫條件下儲(chǔ)存?zhèn)溆?。?株菌的接種量為單因素進(jìn)行試驗(yàn)確定纖維素降解的最佳因素水平。準(zhǔn)確稱(chēng)重2.00 g的玉米秸稈粉，按不溶性碳為2%的量配制赫奇遜氏無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基，將降解菌劑WH2、WH4、WH7和WH9分別接入上述培養(yǎng)基培養(yǎng)。WH2分別接種0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 g時(shí)，另外三種降解菌初始添加量為0.1 g；WH4分別接種0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 g時(shí)，WH2添加單因素篩選的最佳量，另外兩種降解菌初始添加量為0.1 g；WH7和WH9按照以上方法接種。在30℃，200 r/min條件下振蕩培養(yǎng)，在第7 d取出秸稈纖維素樣品，將殘余物置于80℃烘箱烘干并稱(chēng)重，采用改進(jìn)的Van Soest洗滌法測(cè)定樣品失重率[17-19]。玉米秸稈纖維素降解率公式如下：

W=(S-S1)/S×100%.

(1)

式中W代表秸稈降解百分比，S代表秸稈的原始干重，S1秸稈降解后的烘干量。

1.2.6.2 響應(yīng)面優(yōu)化

以BBK的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方式為基礎(chǔ)[20-22]，結(jié)合單因素試驗(yàn)的結(jié)果設(shè)計(jì)四因素三水平的響應(yīng)面分析法，分別選取纖維素降解菌株WH2、WH4、WH7和WH9的接種量作為自變量，以秸稈纖維素降解率作為響應(yīng)值設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)，水平和因素取值。表1

表1 響應(yīng)面法設(shè)計(jì)因素和水平
Table 1 Response surface methodology design factors and levels

編碼水平Codinglevel因素 FactorA菌種WH2StrainsWH2(g)B菌種WH4StrainsWH4(g)C菌種WH7StrainsWH7(g)D菌種WH9StrainsWH9(g)-102010201003020302104030403

2 結(jié)果與分析

2.1 菌種的初篩和復(fù)篩

從玉米秸稈堆肥的鹽堿土壤中分離純化得到10株纖維素降解菌，分別標(biāo)記為WH1～WH10，這些纖維素降解菌對(duì)玉米秸稈纖維素均具有一定的降解能力。然后以不接菌的赫奇遜氏培養(yǎng)基為對(duì)照組，以玉米秸稈粉為惟一碳源，對(duì)所篩選得到的WH1～WH10進(jìn)行纖維素降解能力測(cè)定，通過(guò)纖維素降解率公式(1)計(jì)算得各菌株的降解效果。結(jié)果表明，經(jīng)7 d培養(yǎng)后，不同降解菌的纖維素降解能力差異十分明顯，降解率最低的只有4.9%，而降解率最高達(dá)到32.6%，其中共有4株纖維素降解菌的降解率大于20%，選取菌株WH2、WH4、WH7和WH9為高效纖維素降解菌。表2

2.2 纖維素降解能力測(cè)定

將篩選獲得的10株纖維素降解菌進(jìn)行CMC-Na水解和纖維素酶活試驗(yàn)。結(jié)果表明，WH4菌株的Dp=64.85，纖維素酶活為28.42 U/mL，均為最高值，結(jié)果表明，菌株WH4具有最強(qiáng)的纖維素水解能力和纖維素酶活。表3

表2 10株細(xì)菌對(duì)纖維素的降解能力
Table 2 The ability of degrading cellulose of 10 strains

菌株Strains降解率Degradationrate(%)菌株Strains降解率Degradationrate(%)WH197WH6111WH2253WH7272WH349WH8145WH4326WH9291WH5158WH10168

表3 10株纖維素降解菌在 CMC-Na 固體培養(yǎng)基上的降解能力
Table 3 Degradation of ten cellulose-degrading strains in CMC-Na medium

菌株Strains菌落直徑Colonydiameterd(mm)水解圈直徑HydrolyzedloopdiameterD(mm)水解能力Dp纖維素酶活Cellulaseactivity(U/mL)WH12474951848WH22314942001886WH32459604698WH43830664852842WH52812319301286WH619651170965WH74127745642025WH83213116761164WH93628261362568WH104219321121420

2.3 耐鹽能力測(cè)定

利用在培養(yǎng)基中添加1%、3%、5%、7%的NaCl濃度逐級(jí)篩選耐鹽高效纖維素降解菌株。研究表明，1%鹽濃度下10株降解菌都能很好的生長(zhǎng)；鹽濃度達(dá)到3%，WH1和WH6不能正常生長(zhǎng)；鹽濃度達(dá)到5%，只有WH9能很好生長(zhǎng)；鹽濃度達(dá)到7%，所有菌株都不能正常生長(zhǎng)；菌株WH9具有最佳的耐鹽性，可以耐5%鹽濃度。表4

2.4 菌種鑒定結(jié)果

分別采用生理生化實(shí)驗(yàn)與形態(tài)學(xué)觀察相結(jié)合的方法對(duì)4株高效降解菌株WH2、WH4、WH7和WH9進(jìn)行鑒定，研究表明，WH2和WH7有芽孢，為革蘭氏陽(yáng)性菌；WH4和WH9沒(méi)有芽孢，為革蘭氏陰性菌，其形態(tài)特征都為桿狀。表5

研究表明，4株耐鹽纖維素高效降解菌PCR產(chǎn)物在1 500 bp處均有明顯條帶，符合序列測(cè)定要求。將回收的PCR產(chǎn)物送到上海生工進(jìn)行雙向測(cè)序，得到WH2、WH4、WH7和WH9的16S rRNA的序列。通過(guò)BLAST進(jìn)行同源性比較確定4株耐鹽高效纖維素降解菌WH2、WH4、WH7和WH9分別是蠟樣芽孢桿菌(Bacilluscereus)、熒光假單胞菌(Pseudomonasformosensis)、枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)和松嫩假單胞菌(Pseudomonassongnenensis)。圖1

表4 耐鹽菌株在含鹽平板上生長(zhǎng)情況
Table 4 Growth of salt tolerant bacteria on salt medium

耐鹽菌株Salt-tolerantstrains鹽濃度Saltconcentration(%)01357WH1+++---WH2++++++-WH3++++++-WH4++++++-WH5++++--WH6+++---WH7++++++-WH8++++++-WH9+++++++-WH10+++++--

注:“ + ”代表菌株在含鹽平板上正常生長(zhǎng),“ - ”代表菌株在含鹽平板上生長(zhǎng)受抑制或基本不生長(zhǎng)

Note: "+" indicates that the strain grows normally on the salt-containing plate，and "-" means that the strain is inhibited from growing or does not grow substantially on the salt-containing plate

表5 四株耐鹽纖維素降解菌的生理生化特征
Table 5 Physiological and biochemical characteristics of four salt tolerant cellulose-degrading strains

鑒定項(xiàng)目IdentificationprojectWH2WH4WH7WH9菌體形狀Strainsshapes桿狀桿狀桿狀桿狀革蘭氏染色Gramstaintest+-+-芽孢Sporestest+-+-明膠水解Gelatinhydrolysistest+-+-M-R試驗(yàn)M-Rtest+-+-吲哚試驗(yàn)Indoletest----V-P試驗(yàn)V-Ptest+-+-過(guò)氧化氫酶Catalasetest++-+淀粉水解Starchhydrolysistest++++葡萄糖Glucosetest----乳糖Lactosetest----

注： 符號(hào)‘-’代表陰性反應(yīng)；‘+’代表陽(yáng)性反應(yīng)

Note: The symbol '-' represents the negative reaction; '+' represents the positive reaction

圖1 四株高效降解菌瓊脂糖凝膠電泳圖
Fig.1 The electrophoresis of PCR product of four cellulose-degrading strains

2.5 單因素試驗(yàn)以及響應(yīng)面對(duì)菌種配比的優(yōu)化結(jié)果

2.5.1單因素試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)赫奇遜氏無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基中秸稈纖維素添加量為2.0 g，對(duì)所分離到的4株耐鹽高效纖維素降解菌進(jìn)行纖維素降解率測(cè)定，各菌株的降解率顯示，經(jīng)過(guò)7 d的培養(yǎng)，不同菌株的降解率差異顯著，WH4降解率最高，WH2降解率最低，菌種WH2、WH4、WH7和WH9的最佳添加量分別是0.3、0.2、0.3和0.2 g時(shí)有最高降解率，玉米秸稈纖維素的降解率分別達(dá)到了34.2%、45.4%、36.9%和39.8%。圖2

圖2 4株降解菌單因素試驗(yàn)效果
Fig.2 Effect of Single Factor Test of four cellulose-degrading strains

2.5.2 響應(yīng)面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

利用BBK的中心組合原理設(shè)計(jì)響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，以高效耐鹽纖維素降解菌WH2、WH4、WH7和WH9添加量為自變量，以玉米秸稈纖維素降解率為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)四因素三水平的響應(yīng)面分析試驗(yàn)。響應(yīng)面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果表明，在29組實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)中，降解率最低為51.32%，降解率最高為61.17%，再用Design-Expert 8.0.5.0軟件對(duì)表6試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元擬合的回歸分析。表6

表6 響應(yīng)面設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果
Table 6 Response surface design and results

試驗(yàn)編碼TestcodeA：WH2(g)B：WH4(g)C：WH7(g)D：WH9(g)降解率Degradationrate(%)1-1-10051．3221-10052．093-110052．924110055．24500-1-151．516001-151．78700-1152．818001155．009-100-151．5010100-152．2211-100153．2412100155．49130-1-1051．301401-1051．82150-11052．6216011054．9017-10-1051．921810-1052．4819101053．7220101055．73210-10-151．0022010-151．52230-10152．4424010154．7225000061．0026000060．9427000060．8228000060．6129000061．17

2.5.3 響應(yīng)面法優(yōu)化

采用Design-Expert 8.0.5.0軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，其方差分析結(jié)果見(jiàn)表7。對(duì)響應(yīng)值與各個(gè)因素進(jìn)行多元擬合，該模型對(duì)應(yīng)的回歸方程：

為了檢驗(yàn)方程的有效性，對(duì)纖維素降解率的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明，纖維素降解率的顯著性檢驗(yàn)F=179.69，該模型效應(yīng)極顯著(P<0.000 1)，表明方程高度顯著。該模型的R2Adj為0.988 9，說(shuō)明模型能反映98.89%響應(yīng)值的變化，因而該模型擬合程度較高，能很好的說(shuō)明纖維素降解率與WH2、WH4、WH7和WH9關(guān)系，因此可以用此模型對(duì)纖維素降解率進(jìn)行預(yù)測(cè)與分析。表7各因素之間存在交互作用，其中一次項(xiàng)A、B、C、D、二次項(xiàng)A2、B2、C2、D2以及交互項(xiàng)BD、CD、BC都是極顯著的。表7

表7 回歸模型方差
Table 7 The variance analysis of regression model

方差來(lái)源Sourcesofvariance平方和Sumofsquares自由度Degreeoffreedom均方MeansquareFvaluePvalue模型Model3168514226317969<00001A63116315008<00001B88418847019<00001C1180111809369<00001D16571165713154<00001AB056105644700530AC049104938900686AD064106450800407BC081108164300238BD081108164300238CD090109071700181A284651846567208<00001B21234511234598011<00001C298031980377829<00001D21137411137490305<00001殘差Residual17614013失擬項(xiàng)LackofFit1561001631301416純誤差PureError02040050總和CorTotal3186128

2.5.4 響應(yīng)面及等高線

研究表明，回歸模型方差分析中P值可知，交互項(xiàng)BD、CD、BC都是極顯著。在圖3中，交互項(xiàng)BD、CD、BC交互關(guān)系用等高線圖和響應(yīng)面曲面圖表示，等高線圖呈橢圓形，響應(yīng)曲面圖均為開(kāi)口向下的凸形曲面，說(shuō)明響應(yīng)值(纖維素降解率)存在極高值，若曲線越陡峭，則表明該兩因素交互作用對(duì)纖維降解率的影響越大，相應(yīng)表現(xiàn)為響應(yīng)值變化的大小。表7

對(duì)回歸方程就行回歸分析，預(yù)測(cè)纖維素降解的最佳條件：當(dāng)纖維素添加量為2.0 g時(shí)，菌種WH2、WH4、WH7和WH9接種量分別為0.31、0.21、0.32和0.22 g，在此條件下纖維素降解率的理論值為61.17%，試驗(yàn)值為60.90%，試驗(yàn)值與理論值相差0.27%，證明了響應(yīng)面優(yōu)化法的有效性和可行性。圖3

圖3 四因素交互影響的響應(yīng)面
Fig.3 Response surface and contour plots showing the interactive effects of four factors

3 討 論

自然狀態(tài)下的纖維素降解過(guò)程十分緩慢，一般通過(guò)篩選高效降解菌來(lái)提高纖維素的降解效率。劉曉梅等[23]從堆肥的土壤中篩選出一株高效的纖維素降解菌，通過(guò)該菌株的添加明顯提高堆肥溫度和纖維素降解速度。由于新疆三分之一土地為鹽堿地，耐鹽菌是該地區(qū)具有重要開(kāi)發(fā)價(jià)值的微生物資源，耐鹽纖維素降解菌在污染治理、廢水處理、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及再生能源利用等方面應(yīng)用前景十分廣闊。試驗(yàn)從鹽堿環(huán)境下篩選分離出4株高效耐鹽纖維素降解菌株，對(duì)其耐鹽能力和纖維素降解率進(jìn)行了測(cè)定，2株革蘭氏陰性菌耐鹽能力和降解效果普遍高于2株革蘭氏陽(yáng)性菌。

在秸稈纖維素的降解過(guò)程中，混合菌的降解效果往往優(yōu)于單菌株。馮忻等[24]從土壤中篩選出5株高效的纖維素降解菌，5株高效菌種混合的CMC酶活為3.18 U/mL，顯著高于單菌的酶活。試驗(yàn)在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，首次采用響應(yīng)面法對(duì)高效耐鹽纖維素降解菌種的配比進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的復(fù)合菌對(duì)纖維素的降解效率提升十分明顯。響應(yīng)面方法具有實(shí)驗(yàn)周期短、實(shí)驗(yàn)次數(shù)少和精度高等優(yōu)點(diǎn)，可快速準(zhǔn)確地確定多因素系統(tǒng)的最優(yōu)條件。

4 結(jié) 論

采用連續(xù)富集篩選的方法，從玉米秸稈堆肥的鹽堿土壤中得到4株耐鹽高效纖維素降解菌株。經(jīng)鑒定4株菌分別為蠟樣芽孢桿菌(Bacilluscereus)、熒光假單胞菌(Pseudomonasformosensis)、枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)和松嫩假單胞菌(Pseudomonassongnenensis)。

實(shí)驗(yàn)獲得最佳工藝條件為：當(dāng)纖維素添加量為2.0 g，菌種WH2、WH4、WH7和WH9接種量分別為0.31、0.21、0.32和0.22 g時(shí)，秸稈纖維素降解率達(dá)到最大值，在該條件下纖維素降解率預(yù)測(cè)值為61.17%，驗(yàn)證值為60.90%。

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