木质素结构对木质纤维高聚糖酶解的影响与作用机制

利用生物技术将木质纤维原料转化为燃料乙醇是清洁能源的研究热点之一，经济高效的预处理是阻碍木质纤维原料生物转化的技术瓶颈之一。国内外研究表明，合适的预处理可显著提高原料酶水解单糖的转化率，同时原料木质素的结构特性对纤维原料的酶水解糖化具有显著影响。本项目以我国丰富的农业秸秆为原料，围绕预处理对纤维原料木质素结构的影响及其对高聚糖酶解转化效率的作用机制两个关键科学问题，探讨不同预处理技术对原料木质素结构以及酶水解效率的影响，并提出了基于溶剂溶解体系的木质素高效分离方法。本研究得到的重要结果包括：农业秸秆原料经绿液、亚硫酸盐等预处理均可有效脱除其中的木质素，提高酶水解总糖的得率，木质素的脱除率以30～60%为宜；球磨后的木（草）粉经溶剂（LiCl/DMSO和NaOH/H2O）溶解处理后可有效提高木质素的分离效率，获得纯度和得率均高于传统磨木木质素（MWL）和纤维素酶解木质素（CEL）的木质素制备物，使分离木质素具有更好的代表性；化学降解（碱性硝基苯氧化和臭氧降解）和二维核磁共振分析表明禾草纤维原料茎秆和叶鞘的木质素结构存在显著的差异，在预处理过程中其溶出行为也不相同，碱性预处理过程中木质素紫丁香基结构（S）的β-芳基醚键更容易断裂，但赤型和苏型β-芳基醚键的断裂程度没有显著差异；模型物研究表明，酚型及非酚型β-芳基醚键在绿液处理中都可以发生断裂，HS-加速了非酚型β-O-4键的断裂，传统的邻基参与反应理论不能用于解释其历程；在酶水解底物中加入亲水性的木质素可以有效提高经酸性或碱性预处理的木质纤维原料的酶水解效率，但添加疏水性木质素则无显著影响；底物对纤维素酶的吸附作用与木质纤维原料的预处理方法有关，木质素是其中重要的因素。上述结论解译了预处理对纤维原料木质素结构的影响及其对高聚糖酶解的应答机制，表明通过预处理调控底物木质素的结构，可提高木质纤维原料的酶水解总糖得率，为提高木质纤维原料生产燃料乙醇的转化效率提供了充分的理论依据。

利用生物技术将木质纤维原料转化为燃料乙醇是清洁能源的研究热点之一。国内外研究表明，合适的预处理可显著提高原料酶解为单糖的转化率，不同原料木质素结构特性对纤维原料的酶解糖化具有显著影响。本项目以我国丰富的农业秸秆为原料，围绕预处理对纤维原料木质素结构的影响及其对高聚糖酶解转化效率的作用机制两个关键科学问题，重点探讨绿液预处理对原料木质素结构的影响，并与酸水解、亚硫酸盐等预处理方式进行比较，通过官能团分析、化学降解和二维核磁共振波谱等手段研究预处理前后农业秸秆木质素结构单元比例（G/S/H）、缩合程度、主要连接键型、亲水性能等结构特性的变化，并结合预处理原料高聚糖酶解影响因素、酶解动力学与反应历程的研究，解译预处理对纤维原料木质素结构的影响及其对高聚糖酶解的应答机制，并提出适合于禾草纤维原料的预处理方式与酶解工艺，为提高纤维原料生产燃料乙醇的转化效率提供理论依据。

水解过程中木质素对纤维素酶的非生产性吸附导致酶用量和水解成本增加，是制约木质纤维原料糖平台技术产业化的瓶颈之一，但其作用机制尚不清楚。充分认识酶在木质素表面的吸附及其对酶水解的影响机制，对减少酶用量、促进水解效率、提高酶回收率，具有重要理论意义和应用价值。本项目拟从不同原料和预处理原料中分离得到不同结构的木质素样品，在测定其分子结构特性的基础上，制备纯木质素及含木质素纤维原料的QCM生物传感器，利用石英晶体微天平系统表征木质素对纤维素酶的吸附解吸行为，及其对酶水解的影响，建立动力学方程，同时比较含有不同结构木质素的纤维原料的酶水解糖转化效率。研究结果将提出木质素对纤维素酶吸附的作用机制，解译木质素分子结构与纤维素酶吸附及酶水解作用效果的构效关系，并为选择合适的预处理方式以减少木质素对纤维素酶的无效吸附提供依据。

木质纤维素生物质通过适当的生物、化学等途径可转化为用途广泛的生物质基产品。酶水解是木质纤维素加工利用的重要途径，但底物木质素对纤维素酶的非生产性吸附导致酶水解效率下降、成本增加，是制约木质纤维原料糖平台技术产业化的瓶颈之一。本项目从经预处理的木材、禾草等木质纤维原料中分离制备木质素并进行结构表征，探讨预处理条件下木质素结构的变化规律，以及木质素结构对纤维素酶吸附与解吸的影响，解译预处理对酶水解的促进作用，提出适宜的预处理对木质素结构进行调控，减少底物木质素对纤维素酶的非生产性吸附，提高酶水解效率。研究发现：（1）在绿液预处理过程中杨木木质素S/G比值随预处理用碱量增加而上升，β−O−4连接键部分断裂，缩合程度增加。（2）与茎秆比较，麦草叶子在弱碱预处理中具有更好的脱木质素选择性，在酶水解过程中具有更高的酶水解转化率；叶子木质素的缩合程度相对较高，更多的β-O-4在预处理中发生断裂。（3）溶于LiCl/DMSO体系的球磨的木质纤维素原料，无需组分分离或衍生化即可旋涂制备厚度均匀的木质纤维素全组分薄膜；QCM研究显示底物木质素对酶吸附和水解均有重要影响，酶水解过程可分为酶吸附、快速水解和慢速水解三个阶段。（4）经预处理纤维原料中木质素与纤维素酶的相互作用有一定程度的增强，采用适当的预处理方法调控底物木质素的结构，可减少底物木质素对纤维素酶的非生产性吸附，提高酶水解效率。（5）在水解体系中加入水溶性木质素可有效提高木质纤维素原料的酶水解转化率，“竞争性吸附”理论可能是重要的作用机制。项目成果较好地解译了底物木质素结构对酶吸附及酶水解影响的内在联系，并在此基础上提出了合适的木质纤维素生物质预处理途径，为减少木质素对纤维素酶的无效吸附，提高酶水解转化率，构建经济可靠的木质纤维素生物质酶水解转化体系提供了理论依据。 2100433B

本项目研究根系活动对黑土团聚体形成与稳定性的影响及其机制，旨在揭示长期不同植被类型影响下黑土团聚体组成与稳定性的分异规律，明确作物根系及其分泌物驱动下主要有机胶结物质对土壤团聚体的调控作用。主要结果如下：传统耕作和秸秆移除管理措施下，农田土壤有机碳和团聚体稳定性（MWD）均高于裸地，表明根系及其分泌物作为土壤团聚体胶结物质的主要来源，对土壤团聚体形成与稳定具有重要的驱动作用。草地土壤以大团聚体占有绝对优势，尤其＞2000 μm 团聚体含量显著高于农田和裸地，这与草被植物根系的作用直接相关，草地根密度显著高于农田，为农田的23 倍，而无根系作用的裸地不存在＞2000 μm 团聚体。农田不同种植模式对土壤团聚体的组成与稳定性的影响各处理间差异不够明显，但长期小麦连作土壤大团聚体含量和团聚体稳定性显著低于大豆连作、玉米连作和米-豆-麦轮作。传统耕作体系下，与无肥相比，有机培肥显著促进了农田黑土的团聚化作用，这与有机肥施用及根茬输入量增加有关。随着有机肥施用量的增加，250—2000 µm团聚体含量增加，土壤团聚体的稳定性增强，但与中量有机肥处理相比，高量有机肥输入对土壤团聚化的作用并不明显。表明，传统耕作体系下土壤团聚体稳定性（MWD）并不是随着外源有机碳输入量的增加而无限增加，很可能存在一个阈值。黑土母质经过8年不同熟化处理后，自然恢复草地土壤有机碳含量和团聚体稳定性均显著低于有机培肥处理，而对于成熟黑土，长期自然恢复草地尽管有机碳水平低于有机培肥土壤，但土壤团聚体稳定性（MWD）是农田耕作土壤的3.2倍。表明，土壤团聚体的形成与稳定不仅与土壤有机碳的数量有关，同时受土壤有机碳的质量（即有机胶结剂的类型）调控。在基础有机碳水平较高的成熟黑土中，根系作为土壤大团聚体的重要胶结剂，其对土壤团聚体形成与稳定的作用更为突出，也更易受耕作措施的影响。