葡萄糖对瘤胃微生物体外降解纤维素的阻遏作用
葡萄糖对瘤胃微生物体外降解纤维素的阻遏作用
陈庆今，胡勇有，刘焕彬
(华南理工大学造纸与环境工程学院，广东广州　510640)
摘　要：在控制其他条件相对优化的情况下，研究了葡萄糖对瘤胃微生物体外降解纤维素的影响，发现在葡萄糖浓度达到0.30%时，即对纤维素降解产生明显的阻遏作用，降解抑制与挥发酸的积累或pH值的变化无关。同时发现0.30%葡萄糖含量会促进乙醇的生成。实验中还发现有异丁酸产生。水利水电工程专业就业前景
关键词：瘤胃微生物；纤维素降解；葡萄糖；挥发酸；反应抑制
中图分类号:X705;S21614  文献标识码:A  文章编号:1000-1166(2002)01-0003-04
R epression of G lucose on Biodegrad ation of Cellulose by Rumen MicroorganismsΠCHEN Q ingΟjin,HU YongΟyou,LIU
H u anΟbinΠ(College of P aperΟm aking and E ngineering,South China U niversity of T echnology,G u angzhou510640,
China)
Abstract:Under relatively optim ized conditions,the repression of glucose on degradation of cellulose by rumen m icroΟorgani2 sams in vitro was studied.It was showed that the repression happened obviously when the concentration of glucose is about 3000mg・L-1,and the reas on for repression lied in the existence of glucose rather than the v olatile fatty acids or the decreased pH.The addition of glucose results in the prodution of ethanol and even is oΟbutyric acid when the concentration of glucose is higher than3000mg・L-1.
K eyw ords:Rumen M icroorganism;Biodegradation;Cellulose;G lucose;Inhibition.
  在有机物质的厌氧处理中，如废水的厌氧处理或有机垃圾的厌氧消化，产物抑制是非常普遍的现象。了解产物对反应的抑制情况，对于反应的监控及反应工艺设计都是非常必要的。
有机物质的厌氧消化一般经历三阶段：水解、产氢产酸和产甲烷。水解阶段的主要产物是糖类物质；挥发酸是第二阶段的主要产物，氢的产生并不是所有的反应都存在；产气阶段的主要产物是甲烷，还有少量的其他气体。第三阶段因为产生的气体会逸出，所以不存在产物抑制问题。第一阶段的主要产物之一是葡萄糖，葡萄糖对纤维素酶降解菌分解纤维素会产生阻遏作用[1]。第二阶段产物挥发酸对酸化有抑制作用。
城市有机垃圾或农作物秸杆中真正难以降解的大量成分是纤维素，纤维素厌氧消化中水解的终产物为
葡萄糖，不同的纤维素分解菌分解纤维素时，葡萄糖产生阻遏作用的浓度是不同的。本实验采用对纤维素有较强降解作用的全瘤胃液，降解底物采用结晶程度中等的滤纸，以探讨葡萄糖对纤维素厌氧消化的阻遏情况，并试图从葡萄糖浓度变化及产生的挥发酸浓度变化来解释反应受到阻碍的真正原因。
1　材料与方法
1.1　实验材料
降解底物：滤纸，浙江新华纸厂双圈牌定性滤纸。
微生物：牛全瘤胃液，两层纱布过滤。
营养液：参见文献[2]，但葡萄糖和醋酸
收稿日期:2001-10-04  修回日期:2001-12-10
作者简介：陈庆今(1971-)，男，江西人，现华南理工大学在读博士生，主要从事有机废物的生物处理研究。
钠未加。
实验装置：参见文献[3]，批量发酵装置的发酵瓶改为250m L上下咀抽滤瓶，以便于取样和大批量设置处理。
1.2实验处理设置
实验共设置5个处理，每处理中加入的葡萄糖浓度如表1。
表1　各处理葡萄糖浓度设置
处理编号12345葡萄糖浓度Π%0100115013001450160 1.3　实验方法
准确称取2.0000g已被撕成1cmⅹ3～4cm的滤纸加入各处理中，加入已配置好的营养液，加入实验设计所需量的葡萄糖，用3%NaOH调整pH值到6.5左右，加入维持pH值6.5所需的K2HPO4ΟK H2PO4缓冲液，加入经过一定程度活化的全瘤胃液30m L，定容至250m L。冲入氮气15分钟后，接入实验装置中。放入水浴振荡箱以200r・min-1振荡，保持水浴温度在39.5℃。反应共进行7 d。
1.4　测定方法
葡萄糖:DNS比法。
纤维素：硝酸乙醇法。
挥发酸：气相谱法。
谱条件：谱仪为上海科创G C900A 气相谱仪；谱柱为G DXΟ401填充柱，柱长0.5m，内径3mm；检测器为FI D检测器；载气为N
2
，流率为75m L・min-1；空气流率500m L・min-1；氢气流率50m L・min-1；汽化室温度180℃；检测温度190℃；程序升温为160℃保持0分钟，以3℃・min-1升温至181℃，降温。
2　结果与分析
2.1　对降解速率的影响
图1为7d后不同葡萄糖添加量纤维素降解率。
从图1可以明显看出，经过7d降解后，没有加葡萄糖或葡萄糖含量为0.15%的处理纤维素降解率接近90%，而后面三个处理的纤维素降解率非常小。说明高葡萄糖含量肯定对瘤胃微生物降解纤维素有负面影响
徐静蕾拍的电影
。
图1　不同葡萄糖添加量纤维素降解率
2.2　反应中葡萄糖含量的变化情况
图2　不同处理葡萄糖含量变化情况
从图2可以看出，葡萄糖被微生物利用的速率是非常快的，所以葡萄糖对反应的影响应该不是生化反
应的产物型抑制。根据微生物生理学原理，葡萄糖对厌氧消化的阻碍作用应该来自它对纤维素酶产生菌的阻遏作用，即在葡萄糖浓度高到一定程度时，瘤胃微生物纤维素酶的合成受到阻遏，因此纤维素的水解受到抑制。当然，纤维素降解受到阻碍也有可能是挥发酸含量较高引起的，所以有必要监测挥发酸产量，看是否达到纤维素
降解抑制所需的挥发酸浓度。
2.3　葡萄糖添加量对纤维素降解产酸的影响
图3　不同葡萄糖添加量的产乙酸情况
从图3可以看出，不添加葡萄糖或初始含量为0.15%时，乙酸含量持续增加；到第2天时，葡萄糖含量为013%和0145%的乙酸产量比葡萄糖含量为0或0115%的大，但随后乙酸含量即不再增加；葡萄糖含量为0.6%时，乙酸迅速达到一个最大值，随后逐渐
下降。从实验数据来看，很难就此确定产生的乙酸对纤维素的降解产生抑制，因为有研究表明有机垃圾厌氧消化时，乙酸含量达到
10000g ・L -1
仍不会产生抑制的情况，而这里乙酸含量只达到0.30%。本人以前的研究也发现,0.30%的乙酸含量不应该成为抑制浓度。可以排除乙酸型产物抑制
。
图4　不同葡萄糖添加量的产丙酸情况
丙酸产生情况与乙酸的不同之处在于,
糖初始含量为013%和0145%的处理，其丙酸含量一直就没有超过葡萄糖含量为0和0.15%的处理，这点可以充分说明在葡糖初
始含量不超过0.45%时，纤维素降解产生抑制的原因肯定不是因为丙酸的积累造成的。同样，在葡萄糖初始含量为0.6%时，丙酸产
量迅速达到一个高值(333.40mg ・L -1
)，其后一直下降。但是也不能据此断定333.40mg ・L -1
就是纤维素厌氧降解丙酸产生抑制作用的阈值,
据报道有机垃圾厌氧消化时丙酸产
图5　不同葡萄糖添加量的产丁酸情况
生明显抑制作用的值为1000mg ・L -1
。同样，可以排除丙酸型产物抑制的可能。
丁酸的产生规律与乙酸类似，只是葡萄糖初始值为0和0.15%的处理产生的丁酸量直到纤维素降解基本结束时才与其他几个处理的接近。丁酸的含量非常低，纤维素的降解更不可能因如此低浓度的丁酸产生抑制。
南京大学专业排名在瘤胃微生物添加不等量葡萄糖的处理中，有一个特别的现象难以解释，即不同浓度下异丁酸的产生即消失。异丁酸的产生量如图6所示
。
图6　不同葡萄糖添加量的产异丁酸情况
从图6可以看出，异丁酸只有葡萄糖含量为0.3%,0.45%和0.6%的处理中产生，且在0.6%的处理中很快就消失了。异丁酸到反应第6d 时，所有处理中都已消失，即异丁酸不会产生积累。0.3%,0.45%和016%处理中异丁酸的产生如此迅速，而0和0.15%的处理中根本没有异丁酸产生，联系到不同处理中纤维素降解率有类似规律来看，不排除抑制瘤胃微生物降解纤维素可能是由于异丁酸的存在。但为何高葡萄糖浓度时异丁酸产量不是最高，并且很快消失，有待进一步研究。
总括4种挥发酸的产生情况，可以认为纤维素降解受阻并非是由挥发酸的积累造成的。
厌氧消化的抑制除了产物型抑制之外，另外还有pH 抑制现象，所以，实验同时对反应过程的pH 值进行了测定，结果如图7。
从图7可以看出,pH 值的变化情况与纤维素的降解是很吻合的，低葡萄糖含量时，由于纤维素降解，产酸量逐渐增(下转第10页)
35mg ・L
-1
)，未明显构成对产甲烷菌的毒性抑制作用(非竞争性抑制)。
参考文献:大亚湾旅游景点大全
[1]　贺延龄.废水的厌氧生物处理[M].北京：中国轻工
业出版社,1998.
[2]　G uiot S.R ,van den Berg L.Performance of an Upflow
Anaerobic Reactor C ombining aS ludge Bed and a Filter T reating Sugar W aste [J ].Biotech and Bioeng ,1985,27:800-806.
[3]　F ox p.,K etha S.Anaerobic T reatment of High -sulfate
W astewater and Substrate Interactions with Is opropanol [J ].J Environ Eng ,1996,(11):989-994.
[4]　Isa Z ,G rusenmeyers S ,Vertraete W.Sulfate Reduction Rel 2
ative to M ethane Production in High -rate Anaerobic Diges 2tion :T echnical Aspects [J ].Appl Environ M icrobiol ,1986a ,114:1277.
[5]　Harada H ,Uemura S ,M om onoi K.Interaction Between Sul 2
fate -reducing Bacteria and M ethane -producing Bacteria in UAS B Reactors Fed with Low S trength
W astes C ontaining Different Levels of Sulfate [J ].W at Res 1994,28:355-367.
(上接第5页
)
图7　葡萄糖添加处理的pH 值变化情况
加,pH 值逐渐降低；高葡萄糖含量时,pH 值基本保持稳定，保持在pH 6.7～7.1范围内，在这样的pH 值下，不会影响到瘤胃微生物中纤维素降解菌的活性，因为瘤胃菌纤维素
降解的最佳pH 范围就在6.5～7.0之间[4]
。即纤维素降解受阻并非由pH 值下降引起。
因此，可以进一步确定，降解受阻是由于高浓度葡萄糖对纤维素降解菌产纤维素酶的阻遏作用引起的。2.4　葡萄糖添加处理对产乙醇的影响
厌氧消化中，在产酸阶段伴随有乙醇的产生也是很普遍的现象。图8显示不同葡萄糖添加量时,
瘤胃微生物降解纤维素的产乙
图8　不同葡萄糖添加处理的产乙醇情况
醇情况。
从图8可以看出，乙醇的的产生规律性
非常明显,0.3%,0.45%和0.6%的葡萄糖含量时，葡萄糖向乙醇的转化是非常快的，随后乙醇也逐渐被利用；而葡萄糖在0.15%时，并不明显转化为乙醇，随着纤维素的降解，乙醇含量逐步增加。当然，乙醇是不会对纤维素的降解产生抑制的。
3　总结
瘤胃微生物在体外降解纤维素时，当葡萄糖浓度达到0.3%以上时，对纤维素的降解会产生阻碍作用，这种抑制作用不是因为挥发酸的积累或pH 值下降引起的。而是由于葡萄糖的阻遏作用，即纤维素酶在高浓度葡萄糖时无法合成，影响了纤维素的降解。葡萄糖会大量转换成乙醇，乙酸，丙酸，丁酸甚至异丁酸，而在低葡萄糖含量时，这些物质的产生是由纤维素降解后再经转化而来，而不是直接由加入的葡萄糖转化而来。参考文献:
[1]　宋小炎，等.抗高浓度葡萄糖纤维素酶高产菌的选育
[J ].山东大学学报,1999,34(4):488-492.[2]　M J K ellens ,etc.Biohydrogenation of Unsaturated Fatty
Acids by a M ixed Culture of Rumen M icroorganisms [J ].Biotechnology and Bioengineering.,1986,28:1268-1276.
[3]　陈华林，等.非木材纤维纸浆中杂细胞的沼气发酵
[J ].中国沼气,2001,19(3):15-19.
[4]　Leonard L S lyter.Ability of pH Οselected M ixed Rum inal M i 2
最火的动漫crobial P olulation to Digest Fiber at Various pHs[J ].Evir 2
on.M icrobiol ,1986,52(2):390-391.
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