纖維素酶對(duì)秸稈降解及誘變優(yōu)化的研究

趙之壁

（沈陽(yáng)建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

1 秸稈資源概述

我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生較多的農(nóng)作物秸稈，但對(duì)秸稈的利用率較低，同時(shí)在處理秸稈中大規(guī)模焚燒也容易造成環(huán)境污染，這與資源化利用和綠色環(huán)保的理念相違背。因此尋求提高降解秸稈的效率且不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染的方法成為了重要的研究方向。

秸稈中的纖維素含量所占比例很大，因此成為了降解秸稈的主要研究對(duì)象。由于纖維素組成的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且為細(xì)胞壁提供保障而質(zhì)地結(jié)實(shí)緊密[1]，傳統(tǒng)簡(jiǎn)單的方法很難將其很好地降解并加以利用。相比于物理法和化學(xué)法，生物法能夠更好地提高對(duì)秸稈的降解效率，且在相關(guān)研究中應(yīng)用范圍較廣，只有充分地了解整個(gè)降解玉米秸稈過程的機(jī)理和影響因素，并在此基礎(chǔ)上研究能夠優(yōu)化微生物降解秸稈性能的方法，才能更加有效的將纖維素降解并加以利用[2]，從而有更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)秸稈的高效降解。

2 纖維素酶降解秸稈

2.1 纖維素酶降解秸稈機(jī)理

秸稈中含有大量的纖維素，纖維素的相對(duì)分子質(zhì)量較大，由多個(gè)葡萄糖分子通過β（1，4）-糖苷鍵連接而成的，存在于植物的細(xì)胞壁中，它的結(jié)構(gòu)緊密，能按照一定的順序進(jìn)行分布，纖維素以分子絲形式存在，包埋于半纖維素和木質(zhì)素形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中， 其理化性質(zhì)相當(dāng)穩(wěn)定，很少受外界條件的干擾，只有加入了催化劑，水解反應(yīng)才會(huì)有較為明顯的進(jìn)行，所以想要降解纖維素是非常困難的。 生物法相對(duì)于物理和化學(xué)法能夠更好地解決這一問題，在生物法中最有效的方法是利用微生物菌株產(chǎn)生纖維素酶，通過多種纖維素酶的復(fù)雜協(xié)同作用[3]，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生酶切位點(diǎn)到截?cái)嚅L(zhǎng)鏈，再到切線二糖纖維分子最終水解成葡萄糖的過程[4]，最終能夠更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)秸稈的降解。

2.2 影響纖維素酶降解秸稈的主要因素

2.2.1 有機(jī)質(zhì)含量

不同的微生物會(huì)利用不同的有機(jī)質(zhì)，所以有機(jī)質(zhì)的種類也存在著一定的差異，在有機(jī)質(zhì)分解的整個(gè)過程中，微生物的指標(biāo)會(huì)發(fā)生變化。若在降解秸稈的過程中也會(huì)因?yàn)槲⑸镏g的自身組成狀況，對(duì)有機(jī)質(zhì)的消耗量相對(duì)較多，也會(huì)在一定程度上影響降解秸稈的效率。

2.2.2 氧含量

氧含量會(huì)很明顯的影響微生物的降解效率。好氧微生物需要在有氧的條件下才能工作，并且氧氣的含量需要超過10%，這樣才可以進(jìn)行活動(dòng)和繁殖。但是，氧氣的濃度也不能太高，應(yīng)保持在15%以下，要是大于15% ，會(huì)導(dǎo)致體系溫度過低，阻礙微生物的生長(zhǎng)[5]。

2.2.3 含水量

含水量對(duì)微生物的降解效率也有很大的影響。如果含水量過低，會(huì)抑制微生物的生長(zhǎng)，影響降解效率。如果含水量過高， 出現(xiàn)缺氧的情況，將會(huì)造成有機(jī)物供氧不足，使微生物呈現(xiàn)厭氧狀態(tài)，使生物的活性變差，此外，還會(huì)產(chǎn)生不良?xì)怏w。有研究表明，將含水量保持在50%左右較為適宜，在實(shí)際的降解過程中，需要對(duì)秸稈的含水量進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其達(dá)到最適宜的條件。

2.2.4 碳氮比

適宜的底物碳氮比有利于微生物的生長(zhǎng)，可以更好的維持正常的生命活動(dòng)。有研究表明，當(dāng)碳氮比保持在20～30的條件下，玉米秸稈的降解效率最高。

2.2.5 溫度

溫度能夠較為明顯的影響微生物的生理活性，適當(dāng)提高微生物周圍環(huán)境的溫度有助于加快對(duì)秸稈的降解。但是溫度不能過高，一旦溫度高于50℃，不耐高溫菌開始死亡，耐高溫菌則可以適應(yīng)高溫而開始生長(zhǎng)。如果不合理控制溫度，甚至環(huán)境的溫度過高，會(huì)使微生物的細(xì)胞功能受到影響，最終導(dǎo)致微生物無法正常降解秸稈甚至死亡。有研究表明：溫度在40～50℃之內(nèi)，微生物將會(huì)處于較高的降解活性。

3 誘變選育纖維素酶對(duì)降解秸稈的優(yōu)化

由于自然界中篩選的產(chǎn)纖維素酶菌株產(chǎn)酶活力較低，且在應(yīng)用的過程中會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問題。誘變選育能夠較好地解決上述問題，誘變育種是加入不同類型的誘變劑來達(dá)到預(yù)期效果，從而獲得降解性能優(yōu)良的優(yōu)勢(shì)菌株。因?yàn)樯矬w自身誘變的效果不是十分明顯，加入誘變劑后能夠提升誘變的幾率，但是誘變的效果不一定能達(dá)到預(yù)期效果，因此需要進(jìn)行各種方法去得到理想中降解秸稈性能更好的菌株，其中誘變育種的方法通常被分為物理誘變，化學(xué)誘變及生物誘變?nèi)N。

3.1 物理誘變

物理誘變中多采用的誘變劑為:紫外線、超聲波、微波、X射線、γ射線、快中子等。其中以紫外線與快中子較常用[6]：

（1）多數(shù)研究表明紫外線誘變能夠較好的提升菌株的降解性能，通過進(jìn)行紫外線的照射觸發(fā)能量發(fā)生了遷移，最終使菌株的關(guān)于降解的性能變化。

（2）不能調(diào)節(jié)的快中子具有很強(qiáng)的穿透能力和電離能力[7]。它屬于高傳輸線密度輻射，會(huì)破壞DNA雙鏈，并且難以修復(fù)[8]。誘導(dǎo)的染色體畸變具有較高的有效性和較高的生物學(xué)效應(yīng)。 中子不僅傳遞能量，而且沉積質(zhì)量。除激發(fā)和電離外，中子與物質(zhì)之間的相互作用還可以作用于生物體的核，從而引起核變化[9]。

3.2 化學(xué)誘變

化學(xué)誘變是通過化學(xué)方法引起菌株的性狀發(fā)生改變，如基因突變，一般表現(xiàn)在破壞染色體結(jié)構(gòu)，引起基因片段的增加或減少等[10]，目的是為了得到降解效率更好的新菌種。常用的化學(xué)誘變提升降解效率的方法是添加化學(xué)誘變劑，它能夠改變基因的結(jié)構(gòu)，從而使關(guān)于降解纖維素這一性狀得到明顯的提升。常用的化學(xué)誘變劑有:甲基磺酸乙酯、硫酸二乙酯、亞硝基胍、氯化鋰、亞硝酸鈉等。

3.3 生物誘變

3.3.1 生物誘變提升菌株降解效果方法

生物誘變[11]提升菌種降解效果主要采用細(xì)胞融合誘變和基因克隆誘變方法：

（1）細(xì)胞融合誘變方法針對(duì)的對(duì)象是含有不同性狀酶的微生物，從他們身上獲取原生質(zhì)體并采用技術(shù)將其融合，之后通過一系列的加工改造，得到優(yōu)勢(shì)菌株。目前的研究方向是如何人工制造出具有較強(qiáng)降解性能菌株的原生質(zhì)體，需要在今后的研究中進(jìn)行進(jìn)一步的討論與分析[12]。

（2）基因克隆誘變方法是以生物理論為指導(dǎo)思想，對(duì)初始的微生物基因進(jìn)行改良，再把改良后的基因片段放入合適的載體中，如大腸桿菌，之后通過一系列的加工改造，最終通過融合技術(shù)得到優(yōu)勢(shì)菌株，在通過生物誘變提升纖維素酶菌株降解性能的諸多方法中，基因克隆技術(shù)是最可行和有效的，并且已經(jīng)有很多相關(guān)研究采用了基因克隆技術(shù)，并大多數(shù)以細(xì)菌和真菌為研究對(duì)象，相對(duì)于其他方法來看具有較好的應(yīng)用前景。

3.3.2 影響生物誘變提升菌株降解效果主要因素

除了研究生物誘變的方法之外關(guān)于影響誘變劑效果的因素也是值得研究的一門課題，其中影響程度較大的是添加量的多少。降解效率最開始隨著添加劑量的增加而增大，但到了一定程度就會(huì)產(chǎn)生負(fù)面突變的效果。因此從效果和成本上來看，尋求最適宜的生物誘變劑的添加量是生物誘變提升菌株降解效果研究的另一個(gè)關(guān)鍵。通過很多試驗(yàn)表明：不同的菌種以及不同的誘變劑所需要的最適添加量是不同的。也有部分研究表明在產(chǎn)量較低的菌群中[13]，比較適合的劑量應(yīng)該使其致死率達(dá)到90%以上降解效果能夠有所提升。

其中影響生物誘變劑提升菌株降解效果的因素有：

（1）多數(shù)采用對(duì)數(shù)期生長(zhǎng)的菌株進(jìn)行分析，因?yàn)樵谶@一生長(zhǎng)期的菌株對(duì)誘變劑的適應(yīng)較為明顯，但也有少部分的菌株最開始就可以進(jìn)行誘變劑的使用。

（2）對(duì)于原始菌落的選擇。應(yīng)選擇加入誘變劑后降解性能變化較大的菌株，便于更好地提升降解效果。

（3）在進(jìn)行誘變劑的添加時(shí)可以增大與菌種的接觸面積能更好地提升降解效果，通常采用的方法是在含有微生物菌株的液體體系進(jìn)行添加，能夠增大接觸面積提升誘變效果，最終得到降解性能更好的菌株。

4 結(jié)語(yǔ)

在生物法降解秸稈的熱門問題中，誘變選育纖維素酶已經(jīng)成為一種較受關(guān)注且可行性強(qiáng)的處理方式，相比于物理誘變和化學(xué)誘變，生物誘變能夠更好地提高對(duì)秸稈的降解效率且不會(huì)產(chǎn)生污染，同時(shí)通過分析影響生物誘變的因素能夠更好地提高降解效率，在以后的研究中可以探索更多誘變選育纖維素酶的方法，改進(jìn)其不足之處，真正的讓生物誘變選育技術(shù)在秸稈降解問題中發(fā)揮更大的作用，從而更好地解決秸稈造成的資源和環(huán)境問題，真正實(shí)現(xiàn)資源利用化和環(huán)境保護(hù)相結(jié)合的目標(biāo)。