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生物质能源的开发与利用是当今世界各国普遍关注的热点问题。牛等反刍动物的瘤胃是已知最高效的天然纤维素降解系统之一。鲁西黄牛是山东省特有的优良畜牧品种,对干草、秸秆等粗饲料的消化能力强。深入研究鲁西黄牛瘤胃共生微生物高效降解纤维素的机制,可能会为推动生物质能源大规模产业化这一远景目标的实现提供新思路。
在本论文中,我们发现鲁西黄牛瘤胃液具有降解半纤维素、游离纤维素和结晶纤维素底物的能力。与可高效降解纤维素的丝状真菌拟康氏木霉S38固体发酵粗酶液相比,瘤胃液单位蛋白浓度的纤维素内切酶活力更高。瘤胃液中纤维素内切酶的最适温度为50℃,最适pH值为6.0;半纤维素酶的最适温度为40～45℃,最适pH值为5.0。通过改进的活性电泳技术,进一步发现瘤胃液中至少存在10种木聚糖酶、12种纤维素内切酶、1种纤维素外切酶和2种β-葡萄糖苷酶组分。
通过观察鲁西黄牛瘤胃原位降解的CF11纤维素粉等纤维素底物的超微结构发现,被降解的CF11纤维素粉表面会出现明显的凹槽,凹槽的底部会出现孔洞。表面凹槽的宽度与黄色瘤胃球菌的直径接近。
利用纤维素酶对底物的吸附作用和分子筛柱层析技术,从瘤胃食糜中初步分离得到一种大分子量、高质荷比且兼具多种糖苷水解酶活性的组分,这些性质都与已经报道过的厌氧细菌产的纤维小体相似。但脱离了菌体的纤维小体富集液,尽管表现出很高的CMCase酶活,却对结晶度较高的纤维素底物(如CF11纤维素粉和滤纸)的降解能力下降,底物表面也看不到明显的凹槽和孔洞结构。
基于这些结果,我们认为鲁西黄牛瘤胃系统具有高效降解高结晶度的天然纤维素底物的能力。推测这一高效机制首先依赖于其瘤胃中共生微生物所产的多种糖苷水解酶,尤其是瘤胃球菌产的大分子量兼具多种糖苷水解酶活的纤维小体。并且,瘤胃球菌可能通过滚动的方式,利用其表面的纤维小体打破结晶纤维素链,进而逐步降解天然纤维素底物。瘤胃球菌-纤维小体复合体对降解结晶纤维素可能是必须的,脱离了菌体的纤维小体将丧失大部分降解天然纤维素的能力。