通过处理虫拟蜡菌真菌从棉秆生物炭中生产腐殖物质外文翻译资料

 2022-08-06 10:51:57

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通过处理虫拟蜡菌真菌从棉秆生物炭中生产腐殖物质

Jersson Placidoa,* , Sergio Caparedaa, Raghuparty Karthikeyanb

a美国德克萨斯州A＆M大学，生物与农业工程系生物能源测试与分析实验室（BETA实验室），美国大学站

b美国德克萨斯州A＆M大学，生物与农业工程系水质工程实验室，美国德克萨斯州学院站

摘要

这项研究使用四种真菌菌株黄孢原毛平革菌，虫拟蜡菌，褐腐菌和Bjerkandera adusta评估了棉秆气化过程中生物炭的生物解聚。经过生物处理后，使用UV-Vis和FT-IR光谱对液相和固相进行了分析。从虫拟蜡菌中获得了最大的生物炭解聚反应。虫拟蜡菌的解聚动力学表明漆酶和锰过氧化物酶的产生以及解聚与木质素分解酶的产生之间的相关性。24天后观察到木质素分解酶和解聚的最高产量。UV-Vis和FT-IR光谱中的修正显示存在与来自虫拟蜡菌和棉秆生物炭的培养物中的腐殖物质相关的官能团。

关键词：生物炭、生物解聚、虫拟蜡菌、木质素分解酶、腐殖物质

介绍

生物质向生物燃料的转化主要通过生化和热转化完成。一方面，生物转化利用微生物或酶来转化生物燃料中的生物质。在那里，沼气和生物乙醇是两个主要产品。另一方面，热转化被定义为在不同氧气条件下使用高温下化合物的生物质转化。气化和热解是热转化中两个最重要的过程。气化在高于500 oC的温度和少量氧气下进行。相反，热解是在较低温度（400–600 oC）且完全没有氧气的条件下进行的。在这两个过程中，最终产品都是合成气（syngas），生物油和生物炭。合成气可直接用于生产能源（燃烧）或通过Fischer–Tropsch工艺生产液体燃料。可对生物油进行升级，以产生液体生物燃料作为汽油，柴油或喷气燃料（JP-8）。与其他两个不同，生物炭的主要用途是土壤改善和活性炭。

已经对不同规模的棉轧花垃圾和棉厂垃圾的气化进行了研究，并被证明是可行的能源生产替代方法。主要产品来自棉花废料的气化是合成气（80-90％）；但是，仍有10％至20％的生物质转化为生物炭。如前所述，生物炭是热转化产生的最终废物，除土壤改良剂或活性炭外，没有其他工艺可以使用这种副产物。增加使用热转化作为有竞争力的能源生产策略；有必要开发一种允许产品中生物炭转化的方法。

生物炭利用的一个新选择是解聚。解聚是难降解化合物中生物炭复杂结构的转变。生物炭的碳含量约为20％至40％；但是，以这种形式，它不能用于其他过程，或者也不能被微生物或其他生物消耗。为了使这种碳可供消费，有必要将难分解的生物炭解聚。目前，尚未评估任何类型的生物炭的解聚。然而，低阶煤的解聚已经通过物理，化学和生物处理进行了。低价煤可能与生物炭有关，因为二者具有相似的化学结构和组成。

生物解聚利用微生物或他们的酶通过酶和非酶的机理使煤解聚。一方面，非酶机制包括碱性物质和螯合剂的产生。芽孢杆菌Y7能够在12天内溶解约40％的褐煤；这个过程是通过生产碱性物质促进煤转化。Quigley等对几种细菌和真菌菌株进行了评估，发现链霉菌可通过产生碱性介质使煤解聚。另一方面，采用木质素分解真菌或木质素的方法分解酶。这些菌株能够使用漆酶，锰过氧化物酶（MnP）和木质素过氧化物酶（LiP）将低价煤溶解成不同类型的产品，例如腐殖质。Selvi等评估了三种类型的低阶煤（褐煤，次沥青，沥青）和不同真菌菌株的解聚作用。他们发现侧耳菌是最有效的褐煤解聚菌株，并且煤级与解聚呈反比关系。黄孢原毛平革菌以较小的分子转化了85％的煤，这种转化是由LiP和MnP的产生导致的。此外，这项研究发现了真菌解聚与低氮媒介的使用之间的关系。frowardii nematoloma b19和Clitocybula dusenii b11转化为煤腐殖质，该反应显示80％的变色并形成淡黄色产物。煤的溶解度已在不同的反应堆配置（搅拌釜，流化床和填充床反应堆）中进行了评估。最好的配置是搅拌釜，其煤的重量损失为24.2％。

该研究的目的是选择这四个菌株中的黄孢原毛平革菌，虫拟蜡菌，褐腐菌和Bjerkandera adusta中的哪一个可以使棉秆生物炭解聚，并了解所选菌株的解聚动力学。

材料和方法

生物炭生产

生物炭是在加利福尼亚州圣约翰金瓦利的J.G. Boswell的棉茎气化过程后获得的。气化过程是使用TAMU流化床气化炉在500–600 oC下进行的。它是直径为305 mm的橇装式流化床气化炉，额定流量为70 kg/h。使用255微米的筛网过滤从气化炉中获得生物炭。

真菌菌株

这项研究涉及的生物材料是黄孢假原毛平革菌ATCC 24725，虫拟蜡菌 ATCC 90466，褐腐菌ATCC 44394和B.adusta ATCC 62023，它们都是由美国农业部森林产品实验室的Daniel Cullen博士捐赠的。选择这些菌株是因为它们最初是在美国分离的，并且它们是美国研究最多的菌株。这些菌株在使用前都被储存于4 oC的马铃薯葡萄糖（PDA）中。

媒介和成长条件

实验使用柯克培养基：KH2PO4（0.20 g/L），MgSO4·7H2O（0.05 g/L），CaCl2（0.01 g/L），酒石酸铵（0.22 g/L），葡萄糖（10 g/L），硫胺素（0.10 g/L），10 ml/L微量元素溶液。微量元素溶液组成：CuSO4·7H2O（80 mg/L），H2MoO4（50 mg/L），MnSO4（33 mg/L），ZnSO4 ·7H2O（43 mg/L）和Fe(SO4)3（50 mg / L）。实验使用了250 ml锥形瓶和50 ml柯克培养基。用来自真菌的固体培养物的四个10 mm活性菌丝体塞接种溶液（5天），然后将其接种。之后，将锥形瓶在150 rpm和30 °C下搅拌。在第10天将生物炭添加到培养物中以获得0.5％的生物炭溶液。生物炭和真菌再放在先前的条件下10天。实验采用了完全随机的设计，每种真菌有四个重复实验。响应变量是生物炭解聚，它是通过450 nm处吸光度的增加来测量的。该方法已被不同的作者用于关联煤转化为腐殖质的水平。在实验结束时，使用软件SAS系统9.3对结果进行了分析。对生物炭解聚程度最高的真菌进行解聚动力学。使用与过去实验相同的条件在35天内进行动力学。解聚动力学中评估的变量是葡萄糖含量，解聚和酶活性。

酶活性测定

使用2,2-叠氮基双（3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）（ABTS）的酶促氧化来计算漆酶活性。使用分光光度法，通过在420 nm处的吸光度变化和摩尔消光系数（ε）ε420 =36,000 M-1cm-1来跟踪反应。LiP活性通过使用310 nm处的吸光度变化和摩尔消光系数ε310 = 9300 M-1 cm-1来测量由藜芦醇形成的藜芦醛。MnP的测量使用了由2，6-二甲氧基醇（DMF）的氧化产生的在469 nm处的吸光度变化（ε469＝27,500M-1cm-1）。所有酶活性均以单位（U）表示，单位为每分钟可催化1 mu;mol底物的酶量。

解聚产物表征

实验结束时，将固相和液相以2500 rpm离心10 min（Sigma 2-6，Sigma Laborzen-trifugen GmbH）。立即分析液相并保持冷冻；相比之下，固相在105 ℃下干燥24 h并保持在室温下直到使用为止。

固相分析

使用傅立叶变换红外（FT-IR）光谱分析处理过的和未处理的固体样品。FT-IR（Shimadzu，IR Affinity-1，带有MIRacle通用采样附件）用于评估经过和不经过预处理的生物炭的结构特性。收集的红外光谱范围从4000到700 cm-1，分辨率为4 cm-1。

液相分析

使用FT-IR和UV-Vis光谱分析了液相。FT-IR（Shimadzu，IR Affinity-1，带有MIRacle通用采样附件）用于通过跟踪液相色谱中与对照相比产生的新信号来评估生物炭解聚。UV-Vis（Perking Elmer）分析测量是在特定波长下进行的，可以评估生物炭的解聚度和液体中化合物的某些化学性质。解聚度是通过在450 nm处吸光度的增加来测量的，这与腐殖质的产生有关。计算了E270/400，E465/665，E250/365，E280/472，E280/664，E472/664的系数，以鉴定液相中发现的化合物的某些特征。使用配备自动进样器，Shodex SP 810填充柱和折射率指数(RI)检测器的高效液相色谱仪（Waters 2690，Separations Module，Waters Corporation，Waterford，MA）评估葡萄糖含量。样品在离心和过滤之前进样后，使用HPLC水作为流动相，每个样品在60 °C下以1 ml/min的流速运行20 min。

统计分析

实验采用了完全随机的设计，每种真菌有四个重复。应变量是生物炭解聚。在实验结束时，使用单因素方差分析和Duncanrsquo;s检验分析结果，以选择最佳治疗方案。在软件SAS系统9.3中使用方差进行统计分析。

结果和讨论

生物炭生物解聚

通过在450 nm处的吸光度来测量生物炭的生物解聚水平（图1），该方法已经通过与腐殖质的存在相关的不同研究得到了验证。最大的解聚反应是观察到的虫拟蜡菌和褐腐菌。这两种处理的吸光度均大于对照组。实际上，与对照组相比，虫拟蜡菌使吸光度增加了两倍以上。相比之下，褐腐菌和B.adusta的吸光度低于对照组。不过，它们之间的差异并不具有代表性。单因素方差分析和Duncanrsquo;s测试被用来鉴定实验中的差异。虫拟蜡菌表现出最大的漆酶产量，第二个MnP（见表1）和最大的解聚反应。虫拟蜡菌产生漆酶的量比MnP更多；然而，这对于普通虫拟蜡菌是不常见的，它通常会产生大量的MnP而不是漆酶。虫拟蜡菌降解木颗粒的培养物中也发现了MnP。造成虫拟蜡菌和其他菌株解聚水平差异的一个原因可能是漆酶和MnP的同时产生。在其他物质中，与仅具有一种酶的菌株相比，两种酶的协同作用均实现了更大的降解。此外，虫拟蜡菌可能产生其他酶或生化化合物，从而导致生物炭解聚。在其他真菌菌株中，水解酸过程中，如水杨酸，三乙醇胺，1,10-菲咯啉等螯合剂的存在与生物解聚过程有关。本研究未评估酶和其他生化化合物的作用，但在该领域的进一步研究中应评估它们在生物炭解聚中的作用。

另一方面，褐腐菌的解聚是由漆酶的产生引起的，这种真菌是第二大产菌丝体（表1）。在木质纤维素结构的解聚中已报道在褐腐菌中漆酶的产生。Alfredsen和Fossdal报道了在褐腐菌中有类似漆酶的存在。在这种情况下，漆酶活性仅在木材经过糠基化（加入糠醇）时才表达。褐腐菌产生的漆酶可能与糠醛或附着在生物炭表面的其他化合物有关，这些化合物可以激活漆酶的产生。此外，重要的是要描述这些活性仅在碱性pH值（8-9）下观察到。

解聚和酶活性之间的相关性表明漆酶和MnP的产生是生物炭解聚的可能因素之一。在低阶煤和腐殖质中已经描述了酶生产与解聚之间的相关性。一个例子是菌株RBSlb，它显示出漆酶和MnP的产生与低阶煤的解聚之间的关联。然而，在解聚过程中，RBSlb菌株获得了类似水平的漆酶和MnP。低阶煤解聚与漆酶的产生有关；然而，大多数研究报告都要求LiP或MnP能够达到与虫拟蜡菌观察到的类似的解聚反应。

图1.选定的真菌物种对棉秆生物炭生物解聚的影响。条形表示实验之间的统计差异

表1在解聚实验中观察到的木质素分解活性。

从B. adusta菌（表1）中获得了最大产量的MnP。但是，B. adusta菌产生的MnP并未在450 nm处反映出吸光度的高增量。该结果可以通过缺乏漆酶的产生来解释。黄孢原毛平革菌并未显示出可测量的酶产生。缺乏生产导致生物炭在黄孢原毛平革菌的酶生产中产生负面影响。类似于黄孢原毛平革菌，据报道生物炭会减少不同真菌菌株的生长和酶生产。这种抑制作用可能是由于生物炭中的物质减少了酶的产生并对微生物有毒（多环芳烃（PAHs），挥发性有机物化合物（VOC），重金属）。

除了450 nm的吸光度；测量了其他重要的UV-Vis信号以分析解聚的化合物（表2）。B. adusta在280和340 nm处获得最大的吸光度。这些值证明了通过生物炭解聚产生的芳族化合物的存在。在其他波长下由B. adusta获得的低吸光度表明不存在像腐殖质这样的大芳族化合物。E280/472之间的关系描述了腐殖质中存在芳基，在这种情况下，描述了通过解聚获得的化合物。利用这种相关性，黄孢原毛平革菌和虫拟蜡菌在结构上产生了具有更多芳族化合物的分子。与B. adusta相反，其中芳香族化合物不在较大分子中。436 nm处的低吸光度表明分子中含有更多的脂肪族，碳水化合物或腈类化合物；相反，在436 nm处的高吸光度表示有羧基和酚基基团。黄孢

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