Таксономические и ферментативные основы целлюлолитического микробного консорциума ККУ

Jul 13, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 2968 (2023) Цитировать эту статью

1691 Доступов

5 цитат

8 Альтметрика

Подробности о метриках

Лигноцеллюлозная биомасса является перспективным субстратом для производства биогаза. Однако его неподатливая структура ограничивает эффективность преобразования. Целью данного исследования является создание микробного консорциума (МК), способного производить целлюлолитический фермент и изучать таксономические и генетические аспекты деградации лигноцеллюлозы. Для получения известного KKU-MC1 был обогащен широкий спектр лигноцеллюлолитических бактерий и деградирующих ферментов из различных сред обитания. Было обнаружено, что KKU-MC1 широко распространен у Bacteroidetes (51%), Proteobacteria (29%), Firmicutes (10%) и других типов (8% неизвестных, 0,4% неклассифицированных, 0,6% архей и оставшихся 1% других типов). бактерии с низким преобладанием). Аннотация об углеводно-активном ферменте (CAZyme) показала, что роды Bacteroides, Ruminiclostridium, Enterococcus и Parabacteroides кодируют разнообразный набор ферментов, расщепляющих целлюлозу и гемицеллюлозу. Более того, семейства генов, связанные с деконструкцией лигнина, были более распространены в родах Pseudomonas. В дальнейшем влияние МК на продукцию метана из различных биомасс изучали двумя способами: биоаугментацией и прегидролизом. Выход метана (MY) из предгидролизного жома маниоки (CB), травы Нейпира (NG) и жома сахарного тростника (SB) с KKU-MC1 в течение 5 дней улучшился на 38–56% по сравнению с субстратами без предварительного гидролиза, в то время как MY из прегидролизованный фильтрационный осадок (ФК) за 15 дней улучшился на 56% по сравнению с сырым ФК. MY CB, NG и SB (при начальной концентрации летучих твердых веществ (IVC) 4%) с увеличением KKU-MC1 улучшился на 29–42% по сравнению с обработкой без увеличения. FC (1% IVC) имел MY на 17% выше, чем при лечении без аугментации. Эти результаты показали, что KKU-MC1 высвобождает целлюлолитический фермент, способный разлагать различные лигноцеллюлозные биомассы, что приводит к увеличению производства биогаза.

Производство биогаза из органических отходов путем анаэробного сбраживания (AD) в последние годы привлекло интерес во всем мире. Эта технология могла бы удовлетворить растущий спрос на энергию и решить проблему загрязнения окружающей среды1. Сырья, используемого для ферментации биогаза, имеется в изобилии; лигноцеллюлозная биомасса, такая как жом сахарного тростника (SB) и фильтровальный осадок (FC) сахарных производств, а также трава Нейпира (NG), жом маниоки (CB) и некоторые виды промышленных отходов, являются наиболее распространенными и легкодоступными. Однако использование этой лигноцеллюлозной биомассы для биоконверсии является сложной задачей из-за крайне неподатливой природы клеточной стенки растений, которая состоит из целлюлозных микроволокон, связанных с сетками гемицеллюлозы и защищенных лигнином. Кроме того, низкая скорость гидролиза лигноцеллюлозной биомассы замедляет процесс разложения, снижая эффективность производства метана. Чтобы увеличить производство биогаза из лигноцеллюлозной биомассы, перед дальнейшей переработкой необходим метод предварительной обработки2. Используемые методы предварительной обработки можно разделить на физические, химические и биологические3. Физическая и химическая предварительная обработка может за очень короткое время разрушить структуру лигноцеллюлозы, тем самым повышая ее биоразлагаемость. Однако эти методы увеличивают стоимость процесса и приводят к образованию токсичных соединений или ингибиторов в окружающей среде4. Кроме того, для нейтрализации после предварительной обработки требуется обработка кислотой или щелочью, что усложняет процесс.

Биологическая предварительная обработка, при которой используются ферменты или микроорганизмы для подготовки лигноцеллюлозной биомассы для производства биогаза, может занимать много времени по сравнению с физической и химической предварительной обработкой. Однако эти технологии перспективны, поскольку они экологически безопасны и экономически эффективны4. Однако для поддержания стабильной или постоянной ферментативной активности необходимо тщательно контролировать различные факторы, такие как тип субстрата, время предварительной обработки, pH и температура. По мнению Паравиры, использование свободных ферментов может быть менее эффективным и действенным, чем культивирование микроорганизмов, которые производят стабильные и стойкие соединения, разлагающие лигноцеллюлозу5. С другой стороны, использование смеси нескольких изолированных микроорганизмов более эффективно, чем использование отдельных штаммов, из-за сложной природы лигноцеллюлозы6. Микробный консорциум (МК) может быть изолирован из различных экологических ниш, включая лесную компостную почву7, компостные среды обитания8, компост SB9 и компостирование при AD10. В нескольких исследованиях MC успешно использовалась для улучшения биоразложения лигноцеллюлозной биомассы и увеличения производства биогаза. Например, Вонгвилайвалин и др. обнаружили, что NG, обработанный MC (созданный из семенных культур, собранных из разлагающегося компоста из жома) в течение 7 дней, увеличивал выход метана (MY) на 37% по сравнению с необработанным NG11. Кроме того, MC, обогащенные компостом, растительным опадом, отходами животноводства и сельского хозяйства, увеличили производство метана из NG12.

0.05) is shown in Supplementary Table S1. The quadratic and cubic model was chosen as the most effective one for explaining the experimental data (Table S1). The quadratic and cubic model obtained from the mixture design with D-optimal and the analysis of variance (ANOVA) for this model is presented in Supplementary Table S2. To validate the model, an increase in the proportions of SGS resulted in increased FPase activity, while TI does not affect the FPase activity (supplementary Fig.S1a). The avicelase and CMCase may be changes in activities when adjusted the proportion of SGS, which amount should be in the range of 2.0–2.5 mL (supplementary Fig. S1b,c). Additionally, xylanase activity and VS removal efficiency has been strongly affected by the amount of TI, with these values rising as the fraction of SGS increases (supplementary Fig. S1d, S1e). In the meantime, the combination of RSG and SGS is unrelated to improving xylanase activity and VS removal efficiency. From the validation of the model, the combination of RSG, SGS, and TI at optimal proportions 1:1:1 was conducted. The calculation of the combination effect from the response of the mixture design is shown in Table 3. In the case of FPase, the combination effect of Runs 1–16 was in the ranges of 0.22 to 2.03. The combination effect greater than 1 indicates that using a combination of RSC, SGS, and TI at a 1:1:1 ratio (Run 11) is a good way to increase FPase activity. In addition, Run 5 showed a relatively high combination effect (1.98). However, the antagonistic effect of 0.22 on FPase was observed in the proportion of RSC and TI at a 1:1 ratio (Run 6). The synergistic effect on CMCase and avicelase activity was observed in all Runs, especially in Runs 4, 10, and 11. However, Runs 6, 8 (CMCase activity), and 8 (avicelase activity) had a combined effect of 0.9–1.0, approximately the same proportion with neither antagonistic nor synergistic effect. Antagonistic effect on xylanase activity, a combination effect of 0.10–0.12 was obtained from the combination in Run 5 and 7. Meanwhile, a synergistic effect on xylanase activity, a combination effect of 3.13, was found at the optimal proportions of microorganism source, i.e., at a 1:1:1 ratio of combination as RSC, SGS, and TI (Run 11). A synergistic effect on VS removal efficiency was also found in Run 11, with a combined effect of 2.43. The results showed that the combined MC of Run 6 antagonizes all enzymes involved in lignocellulose degradation. In contrast, the combination of MC from Run 11 showed a synergistic effect on enzymes involved in lignocellulose degradation and the efficiency of VS removal. Lin et al. stated that sharing and exchanging public goods such as carbohydrates and aromatic monomers is the essence of cellulolytic microbial synergistic interactions25. In our case, the MC1 showed mutualism (+/+), one of the synergistic interactions caused by sharing public goods26,27./p>

SB > NG > FC, depending on the lignocellulosic content of each substrate. The CB has a lower lignin content (12.61 ± 5.6%) than the NG, and SB (see Table 1), so lignin and hemicellulose are readily degraded, and microbes use cellulose more easily. Meanwhile, the lowest MPR of FC could be due to an imbalance of the carbon-to-nitrogen (C:N) ratio in the AD process. The FC had a relatively low C:N ratio (24:1), around the lowest recommended limit63. Thus, a co-digestion strategy was introduced to balance C:N nutrients to improve this substrate's degradability and energy production./p> 10%, reads containing adaptor sequences, and reads where 40% of the bases had a Q score of 38). Clean reads were assembled using SOAPdenovo83, and reads with the default parameters (k-mer size of 55 and scaftigs less than 500 bp) were kept for further analysis. Genes were predicted using MetaGeneMark from the scaftigs. After dereplication, all unique genes were used to construct the gene catalogue. BLAST was performed against the MicroNR database to generate taxonomy annotation information for the gene catalog. The top 10 taxa, including phylum, class, order, family, and genus, were visually shown using Krona84. The functional annotation databases were used: the KEGG85,86,87, eggNOG (Version: 4.1)88, and CAZymes (Version: 2014.11.25)89. To represent the number of genes coding for lignocellulose degrading enzymes with the most abundant genus found in the KKU-MC1 metagenome. We have used Microsoft Excel 365 to visualize heat maps and Microsoft PowerPoint 365 to visualize pathways./p>

Предыдущий: Предварительный обзор «Мичиган Вулверайнс»: состав, перспективы, расписание и многое другое Следующий: Шесть линий сжижения для проекта СПГ Содружества

Отправить запрос

Отправлять