纤维素分解菌对不同纤维素类物质的分解作用

纤维素分解菌对不同纤维素类物质的分解作用 赵小蓉 林启美 孙焱鑫 王幼珊 张有山 张美庆 )( ( )北京市农林科学院植物营养与资源研究所 中国农业大学土壤和水科学系 北京 100094 ( 摘 要 经过 CMC 平板 、滤纸液化和摇瓶培养试验 ,发现 6 株菌中 ,产黄纤维单胞菌 Cel l ulom on as Fl av 2 ) ( ) i gen a和康氏木霉 T richoder m a koni gii分解纤维素类物质的能力比较强 ,对来源不同的纤维素类物质分解能 力差异很大 ;真菌与细菌一起接种时 ,分解纤维素类物质的速度明显高于其中任何一个单一菌株 ,说明纤维素 类物质的分解需要多种微生物的联合作用 。 关键词 纤维素 ;纤维素分解菌 。 ( 秸秆是最丰富的自然资源 ,我国每年秸秆产 菌株 真菌 : 木霉 W9801 Fn T richode r2 1 . 1 . 1 ) ( m a s p 、绿 色 木 霉 W9802 Fn T richode r m a v i ri2 量约 5 . 8 亿 t ,45 %,47 %作为燃料补充农村能源 ) ) ( de、康 氏 木 霉 W9803 Fn T richode r m a koni gi i 、 的不足 ,15 %以烧荒形式烧掉 ,只有很少一部分过 1 ) ( 反曲毛壳 W9804 Fw Chaetom i u m ref lex u m ;细 腹还田或直接还田,充分合理地利用农作物秸 ( 秆是农业面临的难题 。秸秆的主要成分是纤维素 菌 : 产 黄 纤 维 单 胞 菌 W9801B n Cel l ulom on as ) ( 和半纤维素 , 能够分解秸秆的微生物很多 , 包括 f l av i gen a、强 壮 纤 维 单 胞 菌 W9802Bw Cel l u2 ( ) 真菌 、放线菌和细菌 , 常见的如木 霉 T richode r2 lom on as ca rt al y t icu m 。 ( )) ( ) ( ) ? 羧甲基纤维素钠 CMC - Na 1 . 1 . 2 培养基 m a、青 霉 Penici l l u m 、镰 刀 菌 Fus a ri u m 、链 ( ) ( 霉菌属 S t re ptom yces 、纤维素诺卡氏菌 N oca r2 平板 : CMC - Na 20g , 蛋白胨 2 . 50g , 酵母膏 0 . 50 g ,NaHPO2 . 50g , KHPO1 . 50g ,琼脂 20g ,蒸馏 2 4 2 4 ) ( ) di a Cel l ul a ns 、芽孢杆菌属 B aci l l us 、纤维单胞 水 1 000 ml ,p H 7 . 0,7 . 5 。 ? 滤纸平板 : 发酵培 ( ) 菌属 Cel l ulom on as 等等 。纤维素的降解是在纤 养基中加 20g/ L 的琼脂 ,稻草粉换成滤纸条 ,将灭 2 维素酶的作用下进行的 ,1950 年 Reeset et al指 菌的 滤 纸 条 铺 在 培 养 基 上 。 ? 发 酵 培 养 基 : 细 出纤维素的降解必须多种酶协同作用 ,首先对纤 菌 : KHPO1g , KHPO3? HO 2 . 5g , MgSO?维素的 C组份起作用 , 继而使 C组份降解为纤 2 4 2 4 2 4 1 x 3 维低聚糖 , 再分解成葡萄糖 。Woo d et al提取 7 HO 0 . 5 g , FeSO7? HO 0 . 05g , M nSOH?O 2 4 2 4 2 出 3 种酶 :一种为纤维素水解酶 ,能够从纤维素末 ( ) μ 0 . 02g , N HSO20g ,盐酸硫胺 50g , Tween804 2 4 端开始以纤维二糖为单位切断纤维素 ; 一种是 Cx ( ) ( 1 ml ,CaCO20g ,稻草粉 < 1 mm 筛50g 或滤纸 3 组份 ,能够把非晶体的纤维素任意水解 ;另一种是 ) 条 10 g, 蒸馏水 1 000 ml ,p H7 . 0 , 7 . 2 。真菌 : β- 葡萄糖苷酶 。这些酶单独存在时降解纤维素 NaNO2 . 5g , KHPO1 . 0g , MgSO7? HO 0 . 3g ,3 2 4 4 2 能力比较 差 , 但 同 时 存 在 时 表 现 出 很 强 的 活 性 。 ( ) NaCl 0 . 1g , FeCl0 . 01g , 稻草粉 < 1 mm 筛20g 4 3 史玉英等发现芽孢杆菌 Ba 单独在滤纸上不能 () 或滤纸条 10 g,水 1 000 ml 。扩散生长 ,分解滤纸能力较弱 ;如果同时接种木霉 1 . 2 方法 F ,由于细菌能随着真菌的生长而扩散 ,滤纸分解 1 . 2 . 1 溶解圈的测定 ? CMC 平板 : 将菌种点 速度加快 。也有人发现纤维素分解菌与其伴生菌 5 种于 CMC 平板上 , 28 ?培养 3d ,用 0 . 5 mg/ L 刚 之间具有协同作用。本研究选择 6 株纤维素分 果红染色 5 min ,倾去染液 ,测溶解圈直径 ,并计算解菌 ,利用不同的方法测定单独和同时存在时分 ( ) ( ) CMC 酶相对活性 A cm/ d= 溶解圈直径 cm/解纤维素类物质的能力 ,同时研究木质素分解菌 ( ) 培养时间 d。 ? 滤纸平板 : 在滤纸平板上点种 ,对纤维素分解菌分解稻草的影响 。 28 ?培养 10d ,观察各菌株的生长和液化滤纸的 情况 。 1 材料与方法 ? 对滤 1 . 2 . 2 分解纤维素类物质能力的测定 纸的分解能力 : 将 6 株菌分别接种到以滤纸为唯 1 . 1 材料 一碳源的发酵培养基中 ,28 ?,160r/ min 培养 6d , 收稿日期 :1999 - 09 - 17 作者简介 :赵小蓉 女 ,硕士 ,在读博士 。现从事土壤微生物生态学方面的研究工作 。( )3 北京市自然科学基金重点项目 项目号 6971003 用滤纸过滤 ,105 ?烘至恒重 ,用减重法计算出滤 表 2 不同菌株对滤纸的分解能力 7 测 定 纸失重 率 。同 时 用 重 铬 酸 钾 —碘 容 量 法Table 2 . Deco mpo sitio n of filter paper by so me microo rganisms 滤纸中纤维素的分解率 ,按下式计算 : 分解率 = 菌种编号 滤纸残重/ g 滤纸失重/ % 纤维素分解率/ % 1 0 . 40 20 . 00 22 . 64 对照样品纤维素含量 ×样品重量 —残体纤维素含量 ×残体重量 对照样品纤维素含量 ×样品重量 2 0 . 48 4 . 00 8 . 85 3 0 . 50 0 . 00 0 . 24 ×100 % 4 0 . 40 20 . 00 33 . 43 ?对稻草的分解能力 :将 6 株菌分别接种至以稻 5 0 . 50 0 . 00 3 . 08 6 0 . 49 2 . 00 7 . 99 草粉为唯一碳源的发酵培养基中 ,28 ?,160r/ min 培养 6d , 用滤纸过滤 , 105 ?烘至恒重 , 用减重法 不同菌株对稻草粉的分解能力 如果将 2 . 2 . 2 计算出稻草的失重率 。同上测定稻草中纤维素的 滤纸改为稻草粉进行摇瓶培养 ,所有菌株都表现 分解率 。( ) 出一定的分解稻草的能力 表 3,但 1 ,4 ,5 ,6 号 菌分 解 能 力 较 强 , 6d 可 分 解 稻 草 中 纤 维 素 2 结果与讨论 12 . 70 %,24 . 82 % ,比分解滤纸的速度要快 。一 2 . 1 不同菌株对羧甲基纤维素钠和滤纸的分解 方面可能是由于滤纸的主要成分是纤维素 ,其它 能力 营养成分含量非常低 , 而秸秆中含有一些易分解 6 株 菌 分 别 接 种 到 CMC 平 板 上 , 28 ?培 养的碳水化合物 、蛋白质等成分 ,微生物更容易生长 3d ,其溶解圈的大小如表 1 所示 。所有菌株都能 繁殖 ; 另一方面可能与它们纤维素的结构有关 。 够在羧甲基纤维素钠培养基上生长 ,其中 4 ,6 号 但 4 号菌分解滤纸的能力比稻草粉强许多 ,可能 菌生长最快 ,但液化 CMC 较慢 ,1 号菌可使 CMC 与其菌体所含的纤维素酶体系有关 。 综上所述 ,1 号产黄纤维单胞菌 、4 号康氏木 迅速液化 。在滤纸平板上 ,所有菌株生长都比较 霉和 6 号反曲毛壳分解纤维素类物质的能力较 缓慢 ,1 号菌液化滤纸比较明显 ,5 ,6 号菌株也能 强 ,而 2 、3 和 5 号比较弱 。 液化滤纸 。由此可见 , 1 , 4 , 5 , 6 号菌株分解纤维 表 3 不同菌株对稻草粉的分解能力素类物质的能力较强 ,而 2 ,3 号菌则稍差 。 表 1 培养 3d 后不同菌株在 CMC 平板上的溶解 Table 3 . Deco mpo sitio n of rice st raw by so me 圈大小 microo rganisms Table 1 . Dissolving clear zo ne in CMC plate by 菌种编号 稻草粉残重/ g 稻草粉失重/ % 纤维素分解率/ % so me microo rganisms af ter 3 days incubatio n 1 0 . 68 25 . 27 24 . 82 2 0 . 85 6 . 59 7 . 30 菌株编号 3 0 . 88 3 . 30 2 . 43 测定项目 4 0 . 83 8 . 79 12 . 70 1 2 3 4 5 6 5 0 . 79 13 . 19 13 . 16 溶解圈直径/ cm 1 . 04 0 . 83 0 . 77 1 . 47 0 . 96 1 . 57 6 0 . 79 13 . 19 17 . 78 A 值 0 . 35 0 . 28 0 . 26 0 . 49 0 . 32 0 . 52 纤维素分解菌之间的相互作用 选择上 2 . 2 . 3 注 :1 产黄纤维单胞菌 ; 2 强壮纤维单胞菌 ; 3 木霉 ; 4 康氏 3 株菌混合接种 述试验中分解纤维素能力较强的 木霉 ; 5 绿色木霉 ; 6 反曲毛壳 ,下表同 。 于真菌 发 酵 培 养 基 中 , 稻 草 粉 的 失 重 率 见 表 4 。 2 . 2 纤维素分解菌对滤纸和稻草的分解能力 从表 4 可以看出 : 混合菌分解纤维素的能力强于 2 . 2 . 1 不同菌株对滤纸的分解能力 将不同的 单一菌株 ,稻草失重率增加了 2 . 13 %,25 . 50 % ,菌株分别接种到以滤纸为唯一碳源的培养基上 , 产黄纤维单胞菌与康氏木霉共同存在时 ,纤维素 培养 6d 后滤纸的失重结果见表 2 。从表 2 可以 分解能力最强 ,比单个菌株增加 25 . 50 % 。 看出 ,1 ,4 号菌分解滤纸能力较强 ,6d 分解纤维素 分别达 22 . 64 %和 33 . 43 % ;而 2 ,3 ,5 ,6 号菌的分 由于分解纤维素的酶是多酶体系 ,酶组份之 8 间存在着明显的协同作用,所以混合菌株可以解能力则较弱 。这与溶解圈的测定结果基本一 表 4 不同菌株组合对分解稻草的影响 表 5 纤维素分解菌与木质素分解菌对稻草的联 合分解能力Table 4 . Interactio n of so me microo rganisms Effect of lignin - deco mpo sing microo r2 Table 5 . during deco mpo sing rice st raw ganisms o n deco mpo sing rice st raw 菌种编号 稻草粉残重/ g 稻草粉失重/ % 菌种编号 稻草粉残重/ g 稻草粉失重/ % 1 0 . 74 17 . 41 1 0 . 74 17 . 41 4 0 . 84 7 . 04 4 0 . 84 7 . 04 6 0 . 76 15 . 56 6 0 . 76 15 . 56 1 + 4 0 . 70 21 . 85 1 + A 0 . 75 17 . 22 1 + 6 0 . 74 17 . 78 4 + A 0 . 74 17 . 78 4 + 6 0 . 72 19 . 63 6 + A 0 . 76 15 . 56 1 + 4 + 6 0 . 71 21 . 11 6 + A + B 0 . 73 19 . 26 注 :A 、葱色串孢 ; B 、脱蜡棒杆菌 。 2 . 2 . 4 纤维素分解菌与木质素分解菌之间的作 用 纤维素和半纤维素约占农作物秸秆干物重的结 论 3 50 %,60 % ,由于大部分处于木质素物理化学方 9 式紧密保护之下 ,较难降解。用稀碱 、HO等 2 2 综上所述 ,不同的菌株对纤维素类物质的分 许多方法处理可以打破木质素对细胞壁多糖的保 解能力差异很大 ,不同来源的纤维素 ,微生物的利 护作用 ,从而提高纤维素的生物有效性 。在接种 用能力也不一样 ,微生物之间存在一定的相互促 纤维素分解菌的同时 ,接种木质素分解菌株 A 和 B ,发现仅康氏木霉与葱色串孢菌株 A 同时存在 进作用 ,这充分说明纤维素的分解需要多种微生 物的共同作用 。 参 考 文献 ,152 . 1 段佐亮等. 我国作物秸秆燃烧甲烷 、氧化亚氮排放量变化趋 范秀容. 微生物学实验. 北京 :高等教育出版社. 1989 ,260,( ) ( ) 6 势预 测 1900 , 2020 . 农 业 环 境 保 护 , 1995 , 14 3 : 111 ,262 . 116 . 朱展才. 稻麦质量分析. 北京 : 中国食品出版社. 1978 , 21 ,2 7 Hump heg A E. The hydlolysis of cellulo sic matelialo to ulet rl 56 . ( ) p ro duct s , Adv. chem sel ,1979 181:25,53 . 朱雨生 ,谭常. 木霉纤维素酶的诱导形成及其调节. 微生物 3 Woo d TM . & Maccpae SI. In bioco nversio n of cellulo se sub2 8 ( ) 学报 ,1978 ,18 4:302,331 . stance into energy ,chemicals and micro bial p rotein ,1978 , Edit2 Cheshire MV . and Chap man SJ . Influence of t he N and P stat us ed by T. K. Gho se Gall , India ,111,141 .9 of plant material and of added N and P o n t he mineralizatio n of 4 史玉英等. 纤维素分解菌群的分离和筛选. 南京农业大学学 14 C f ro m C - labelled ryegrass in soil . Biology & Fertilit y of ( ) 报 ,1996 ,19 3:59,62 . 中国科学院植物生理研究所纤维素Soils ,1996 21 :166,170 . 5 酶组 :纤维分解菌与伴生 ( ) 菌的分离鉴定及其协同作用 , 微生物学报 , 1978 , 18 2 : 147 D ECOMPOSITIO N OF D IFFERENT CELL ULOSE MATERIALS BY SOM E CELL ULOSE2D ECOMPOSING M ICROBES Zhao Xiao ro ng et al . ()Dept . Soil and Water Sci . China Agric . U niv. Beijing 100094 Abstract Six st rains of microbes were incubated o n CMC plates , filter plates and liquid media respectively. It was found t hat Cel l ulom on as f l av i gen a W9801 and T richoder m a koni n gii W9803 Fn showed a st ro ng deco mposing abilit y to cellulose ma2 terials. However , t here is large difference of deco mposing abilit y amo ng different sources of material . When f ungi and bacteria were mixed inoculated , t he deco mpositio n rate was high. This suggested t hat cellulose deco mpositio n require different microor2 ganisms. Key words cellulose , cellulose2deco mposing microbes. 欢 迎 投 稿 欢 迎 订 阅