苧麻生物脫膠復(fù)合菌群的構(gòu)建

饒維橋，陳洪高*，余苗，王超群

（武漢紡織大學(xué)紡織印染清潔生產(chǎn)教育部工程研究中心，湖北武漢430073）

引言

苧麻是具有中國特色的優(yōu)質(zhì)天然紡織原料，規(guī)?；_發(fā)利用苧麻資源，可有效彌補(bǔ)我國天然纖維數(shù)量上的不足，提升我國紡織品的核心競爭力。脫膠是苧麻紡紗的必經(jīng)工藝，目前我國主要采用化學(xué)脫膠，污染重、能耗高、成本高，嚴(yán)重地限制了我國苧麻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，生物脫膠是目前研究較多的苧麻清潔生產(chǎn)方法。

漚麻是我國民間使用的較原始的生物脫膠方法，該方法利用自然環(huán)境中的脫膠微生物降解苧麻韌皮膠質(zhì)，制備質(zhì)量要求不高的麻纖維。由于漚麻存在污染環(huán)境、膠質(zhì)去除不徹底、產(chǎn)品質(zhì)量不均一等先天性不足，該方法未能應(yīng)用于苧麻纖維的工業(yè)生產(chǎn)，只有少數(shù)地方織造夏布還在沿用。高效可控的苧麻生物脫膠技術(shù)研究可以追溯到二十世紀(jì)四十到五十年代，至今已獲得了以胡蘿卜歐文氏軟腐菌[1]、枯草芽孢桿菌[2]和嗜堿芽孢桿菌[3]為代表的系列高效脫膠菌種，并探索出了菌脫膠[4]、生物－化學(xué)聯(lián)合脫膠法[5]和酶脫膠[6]等脫膠工藝。生產(chǎn)試驗表明，生物脫膠噸精干麻的耗水量較傳統(tǒng)化學(xué)脫膠降低了40%左右，極大地緩解了脫膠污染。

然而，我國的生物脫膠技術(shù)研究一直以高效脫膠純培養(yǎng)菌種為核心，由于受到認(rèn)知儲備及分離條件的限制，自然界中的絕大部分微生物未能被分離和利用[7]，而相似的微生物又往往被重復(fù)分離，致使脫膠菌種不能得到有效地更新和改良，限制了生物脫膠技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。因此，本文嘗試以構(gòu)建共生菌群的方式來利用自然的可培養(yǎng)和未培養(yǎng)脫膠微生物，以豐富生物脫膠的方法。

1 材料與方法

1.1 苧麻原麻

苧麻原麻（韌皮）由湖北新農(nóng)生態(tài)麻業(yè)有限公司提供，品種為湘苧2號，機(jī)械剝制，晾干，平均膠質(zhì)含量33.06%。

1.2 菌種采集

2006年7月從湖北咸寧漚麻池、苧麻化學(xué)脫膠廠污泥、老麻園土、腐爛麻堆等生境收集微生物樣品，水和污泥各采集1 L，泥土和腐爛麻桿各采集1 kg，樣品分開存放，分別標(biāo)記為“漚麻池水菌群”、“脫膠廠污泥菌群”、“老麻園土菌群”和“腐爛麻堆菌群”，立即帶回實驗室，接種到60 L塑料桶中，每桶加40 L自來水，混勻，再加5 kg原麻，壓實浸沒，42℃靜置培養(yǎng)6 d，撈出麻纖維，培養(yǎng)液用雙層紗布過濾，濾液作為接種體備用。

1.3 自然菌群脫膠能力分析

取上述4種菌群的富集培養(yǎng)液及其等比例混合液（稱為“初始復(fù)合菌群”）各10 L，分別接種到5個60 L的塑料桶中，每桶加5 kg原麻和40 L自來水，另取一只同樣大小的塑料桶加5 kg原麻和50 L自來水作對照，自然pH，42℃靜置漚麻。每隔24 h從漚麻桶中取纖維樣品，烘干，分析殘膠成分，測定殘膠率和纖維斷裂強(qiáng)度，當(dāng)某個桶中纖維完全分散成棉花狀時結(jié)束該桶漚麻，待接種菌群的最后一桶原麻分纖后結(jié)束試驗。將從接種菌群開始至纖維分散結(jié)束漚麻的這段時間稱為分纖周期。

1.4 菌群馴化

取5 L初始復(fù)合菌群培養(yǎng)液作為接種體，接種到60 L塑料桶中，加5 kg原麻和45 L自來水，調(diào)節(jié)起始pH為8.5，42℃靜置培養(yǎng)，每天翻動原麻2次，原麻分纖后撈出纖維，溶液用紗布過濾，取5 L濾液作為接種體，同樣的方法反復(fù)繼代培養(yǎng)。182 d后馴化改在小塑料桶中進(jìn)行，菌液接種量為300 mL，添加苧麻300 g，自來水2700 mL，其他條件同上。記錄分纖周期，纖維在自來水下反復(fù)搓洗至無黃色溶液擠出，測定纖維殘膠率和斷裂強(qiáng)度。

1.5 纖維品質(zhì)檢測

參照GB5889－1986規(guī)定的方法進(jìn)行苧麻精干麻殘膠成分分析。參照GB 5882－1986規(guī)定的方法進(jìn)行苧麻精干麻束纖維斷裂強(qiáng)度分析。采用Leica DM2500顯微分析系統(tǒng)進(jìn)行纖維觀察并拍照。

2 結(jié)果與分析

2.1 自然菌群的脫膠能力

2．1．1 自然菌群脫膠的分纖周期

對馴化前菌群的原始脫膠能力的評估標(biāo)明，本實驗采集的4個自然菌群及其初始復(fù)合菌群在室內(nèi)培養(yǎng)條件下均能使原麻分纖（表1），分纖周期分別為：腐爛麻堆菌群10 d，漚麻池水菌群12d，老麻園土菌群14d，化學(xué)脫膠廠廢水污泥菌群18 d，由于在相同條件下接種自來水的脫膠桶中原麻18d仍未見分纖跡象，表明這些來自于腐爛麻生境的菌群已經(jīng)具備了一定的脫膠能力，而分布于空氣中的自然菌群則不能在短期內(nèi)使原麻分纖。野外考察表明，在這些菌群棲息的原始自然環(huán)境中（如池塘、溪流、水田）漚麻時，原麻分纖一般需要25 d～40 d，而在室內(nèi)控制條件下漚麻原麻的分纖周期最長也沒有超過18 d，表明就苧麻脫膠而言，菌群的野外棲息環(huán)境并非理想的脫膠環(huán)境，條件的改善可以明顯促進(jìn)菌群脫膠。

表1 野生菌群的脫膠能力比較Tab.1 Degummingcapabilities ofdifferent natural microbial groups

2.1.2 自然菌群脫膠啟動的遲滯時間

漚麻過程起始階段產(chǎn)生氣泡是一個普遍現(xiàn)象，在本實驗中除對照（接種自來水）外的所有桶中都有觀察到，是微生物利用溶液中可溶性營養(yǎng)發(fā)酵產(chǎn)氣的結(jié)果，是微生物開始大量生長的標(biāo)志，也是脫膠進(jìn)入生物階段的標(biāo)志。不同的野生菌群，漚麻時開始產(chǎn)氣的時間略有差異（表1）。腐爛麻堆菌群產(chǎn)生氣泡的時間最早，只用了35 h就有大量的氣泡產(chǎn)生，表明它們能快速適應(yīng)苧麻脫膠環(huán)境，啟動脫膠遲滯時間短，相反，脫膠廠污泥菌群42 h后才開始有零星的氣泡產(chǎn)生，氣泡量少，表明這些菌群不能快速適應(yīng)苧麻脫膠環(huán)境，啟動脫膠晚。

2．1．3 自然菌群的脫膠過程

為進(jìn)一步了解殘膠下降與纖維分散之間的關(guān)系，對纖維分散過程中殘膠下降的趨勢進(jìn)行了跟蹤。所有4個菌群漚麻過程中殘膠下降都經(jīng)歷了“急劇下降－緩慢下降－快速下降－緩慢下降”四個階段（圖1，表2），而對照體系在第1 d急劇下降之后就不再有明顯變化。盡管不同菌群漚麻殘膠下降過程前兩個階段經(jīng)歷的時間長短不同，但它們在完成前兩個段之后，殘膠含量幾乎都能降到21%左右（脫膠廠污泥菌群除外）。其實殘膠在完成第三階段之后，就再沒有特別明顯的變化，然而，此時纖維并不能分散，即使取出用手搓洗也不能完全分散，而必須經(jīng)歷一個耗時較長的第四階段才能使纖維完全分散成棉花狀，這是否預(yù)示著一些含量并不高，但去除不太容易的膠質(zhì)成分限制了纖維的分散。

圖1 不同自然菌群的脫膠過程比較Fig.1 Curves of remained gum percentage and degumming time of different microbial groups

表2 自然菌群脫膠過程的四個階段Tab.2 Four stages of ramie degumming with different natural microbial groups

2．1．4 自然菌群脫膠的精干麻品質(zhì)

野生菌群漚麻脫膠雖然能夠使麻纖維分散，但漚制的麻纖維質(zhì)量并不理想（表1）：殘膠含量高，普遍在13%左右，纖維晾干后變硬；纖維強(qiáng)度低，用手拉時易脆斷，束纖維強(qiáng)度最高沒超過2.83 cN/dtex，低于苧麻精干麻普通品水平（3.53 cN/dtex），表明纖維損傷嚴(yán)重。

2.2 馴化菌群的脫膠能力

2.2.1 共生菌群的構(gòu)建

針對來自不同腐爛麻生境的菌群復(fù)合系，以苧麻為唯一碳源和能源進(jìn)行馴化，并觀察菌群脫膠的分纖周期變化，在復(fù)合系穩(wěn)定進(jìn)化成共生菌群過程中，脫膠能力大致經(jīng)歷了四次較明顯的跳躍（表3）。初始復(fù)合菌群分纖周期為8 d左右，經(jīng)過馴化：69 d后縮短為5d；89 d后縮短為4 d；182d后縮短為3 d；407 d后縮短為2.2 d。脫膠能力的提高還表現(xiàn)在脫膠啟動的加速：初始復(fù)合菌群漚麻25 h才開始產(chǎn)生氣泡；馴化69天后，接種18 h開始產(chǎn)氣；馴化182 d后，接種10 h開始產(chǎn)氣。

表3 不同馴化階段復(fù)合菌群的脫膠能力比較Tab.3 Degumming abilities of microbial complex at different domestication stages

自從馴化407 d檢測到菌群脫膠能力的明顯變化之后，至今再沒有發(fā)現(xiàn)脫膠能有明顯提高或波動，分纖周期一直保持在2 d左右，表明菌種之間已經(jīng)進(jìn)化成良好的共關(guān)系，菌群結(jié)構(gòu)已基本穩(wěn)定。

2.2.2 共生菌群脫膠過程

共生菌群脫膠的殘膠下降過程沒有明顯的階段特點（圖2），在大約50 h的脫膠時間內(nèi)，殘膠一直都在以較快的速度下降，在18 h內(nèi)降到21.32%，相當(dāng)于馴化前菌群脫膠2 d的殘膠水平（21.18%），在其余的32 h里，殘膠平緩下降，達(dá)到11%左右時，原麻分纖。

圖2 馴化完成后共生菌群的脫膠過程Fig.2 Curve of remained gum percentage and degumming time of the domesticated microbial complex

2.2.3 共生菌群脫膠的纖維品質(zhì)

隨著菌群馴化時間的累積，菌群脫膠能力不斷提升，漚制的精干麻品質(zhì)也有所提高。初始復(fù)合菌群漚制的精干麻束纖維強(qiáng)度只有2.58 cN/dtex（表3），馴化182 d后漚制的精干麻束纖維強(qiáng)度上升到4.44 cN/dtex，馴化407 d后穩(wěn)定菌群漚制的精干麻，其強(qiáng)力達(dá)到了5.52 cN/dtex，超過了苧麻精干麻特優(yōu)品水平3.97 cN/dtex（中華人民共和國紡織行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)FZ/T 31001－1998）。

共生菌群脫膠的精干麻殘膠含量仍然高達(dá)10.22%，晾干后麻較硬。將這些纖維放置到0.2%的NaOH溶液中，煮沸30 min后，纖維變白，表面光潔，殘膠下降到3%左右。

3 討論

溫水漚麻常見于亞麻工業(yè)，其接種體主要由亞麻桿自帶或由漚麻池環(huán)境提供，脫膠周期一般4 d左右。本研究表明，自然界也不乏苧麻脫膠菌群，但由于苧麻韌皮和纖維結(jié)構(gòu)與亞麻區(qū)別較大，漚麻難度較高，即使溫水漚麻，也需要10 d以上，而且纖維損傷嚴(yán)重，因此自然菌群漚麻不具備工業(yè)利用價值。

試驗表明，其實自然界多數(shù)菌群能在4d～6d內(nèi)將苧麻殘膠由33%降低到17%左右，只是這些膠質(zhì)的去除并不足以令原麻纖維徹底分散，只有繼續(xù)將膠質(zhì)降低到13%以下時，纖維才能完全分開，然而這個過程非常耗時，這是否意味著苧麻韌皮中某些含量并不高的膠質(zhì)成分限制了纖維的分散[8]，自然菌群原本存在降解這些膠質(zhì)的酶，但由于表達(dá)水平過低而無法快速完成脫膠分纖[9]。將菌群置于嚴(yán)格的苧麻脫膠環(huán)境中馴化，它們的脫膠能力呈現(xiàn)出階梯式上升，雖然最終也只能將殘膠降低到11%左右，但在脫膠過程中成功逾越了野生菌群脫膠必經(jīng)的第四階段，同時前三個階段所經(jīng)歷的時間也大幅度縮短，從而整體提升了脫膠速率，其機(jī)理可能是在馴化過程中積累了有利突變，誘導(dǎo)開啟了脫膠酶基因，脫膠菌以及脫膠酶之間進(jìn)化出了高度協(xié)同共生機(jī)制[10，11]。

盡管共生菌群脫膠的苧麻纖維分纖狀況良好，但用國標(biāo)法檢測時，其殘膠含量還高達(dá)11%。將洗得非常干凈的這種纖維微放在顯微鏡下觀察，依然能發(fā)現(xiàn)不少附著于纖維表面的塊狀膠質(zhì)，由于這些膠質(zhì)塊極易被稀堿洗脫，因此推測它們可能是酶剝離不徹底的藕斷絲連部分，或是被酶剝離后重新吸附到纖維表面的所致。

共生菌群在降解復(fù)雜有機(jī)物方面具有純培養(yǎng)微生物不可比擬的優(yōu)勢，本文構(gòu)建的共生菌群結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，脫膠能力強(qiáng)，是工業(yè)應(yīng)用及脫膠理論研究的重要生物材料。

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