Screening, Identifizierung und Optimierung der Fermentationsbedingungen für den Cellulase produzierenden Bacillus subtilis mit hohen Erträgen
In den letzten Jahren hat die unbegrenzte Nutzung fossiler Brennstoffe zu drastischen Schwankungen der weltweiten Ölpreise geführt, die das tägliche Leben der Menschen stark beeinträchtigen. Die Menschen sind zunehmend besorgt über die Erforschung und Entwicklung neuer alternativer Energiequellen, und Zellulose-Biomasse-Kraftstoff wird derzeit als die wertvollste und vielversprechendste erneuerbare Energiequelle anerkannt. Zellulose-Biomasse ist die am weitesten verbreitete und am häufigsten vorkommende Biomasse auf der Erde und besteht hauptsächlich aus Zellulose, Hemizellulose und Lignin. Zellulose, Hemizellulose und Lignin sind jedoch durch Wasserstoff- und kovalente Bindungen fest miteinander verbunden und besitzen eine widerspenstige Biomassestruktur. Wir haben nur weniger als 2% an Zelluloseressourcen erschlossen. Der Einsatz der modernen Biotechnologie zur Umwandlung von Zellulose in flüssige Kraftstoffe wie Ethanol bietet stabile, erneuerbare und umweltfreundliche Erträge und hat das Potenzial, Probleme wie Energiekrise, Umweltverschmutzung und Nahrungsmittelkrise zu lösen. Um dieses Problem zu lösen, ist es jedoch entscheidend, effiziente und kostengünstige Zellulasen zu erhalten.

Cellulase ist ein Sammelbegriff für eine Gruppe komplexer Enzymsysteme, die Cellulose abbauen, um Monosaccharide oder Polysaccharide zu produzieren. Dazu gehören hauptsächlich Endoglucanase, Exoglucanase und β-1,4-Glucosidase. Diese drei Enzyme arbeiten zusammen, um Cellulosestoffe abzubauen. Gegenwärtig konzentriert sich die Forschung über Cellulase produzierende Bakterien hauptsächlich auf Pilze wie Trichoderma, Penicillium und Aspergillus. Die meisten ihrer Cellulasen binden jedoch an die Zellmembran, was ihre Verwendung erschwert, und die Kosten für die Enzymabtrennung und -extraktion sind zu hoch. Darüber hinaus haben Pilzzellulasen nicht nur einen langen Produktionszyklus, sondern die meisten der produzierten Zellulasen müssen auch bei höheren Temperaturen hergestellt werden, um eine gute Effizienz zu erzielen. Bei Raumtemperatur oder niedrigeren Temperaturen ist die Enzymaktivität sehr gering. Bakterien wachsen schneller als Pilze, können eine höhere Expressionsrate rekombinanter Enzyme erzielen und komplexere Glykosidhydrolasen für synergistische Reaktionen bei der enzymatischen Hydrolyse produzieren. Außerdem verfügen Bakterien über eine große natürliche Vielfalt und sind eher in der Lage, hitze- und alkaliresistente Enzyme zu produzieren. Zu den bisher eingehend untersuchten cellulasebildenden Bakterien gehören Vibrio, Bacillus, Bacteroides, Clostridium, Erwinia, Ruminococcus und Thermomonas.

Bislang wurde zwar viel über die Umwandlung von Lignozellulose geforscht, doch die Umwandlung von Zellulose-Biomasse in Bioethanol steht aufgrund der hohen Kosten für Hemizellulasen und Zellulasen noch immer vor großen Herausforderungen. Daher ist die Entwicklung neuer, effizienter und kostengünstiger Cellulasen dringend erforderlich, und die Züchtung von Cellulasestämmen mit hohem Ertrag ist besonders wichtig. Das Screening von ertragreichen Cellulase produzierenden Bakterienstämmen aus im Labor erhaltenen Stämmen, die Identifizierung und Erforschung dieser Stämme, die Bereitstellung von Stammquellen für die Forschung zur Herstellung von Cellulase und die Schaffung einer sicheren Grundlage für die genetische Verbesserung, die Konstruktion gentechnischer Stämme und andere Arbeiten.

 

In dieser Studie wurden insgesamt 5 Bakterienstämme mit hoher Cellulaseproduktion aus im Labor konservierten Stämmen untersucht. Nach morphologischen, physiologischen und biochemischen Merkmalen sowie einer 16S rDNA-Analyse wurden sie als Bacillus subtilis, 2 Stämme von Bacillus subtilis und 3 Stämme von Bacillus amyloliquefaciens identifiziert. In der Natur können viele Pilze und Bakterien verschiedene Cellulasen produzieren. Gegenwärtig gibt es viele Studien über Pilzcellulasen, und die auf dem Markt befindlichen Cellulasen stammen hauptsächlich aus Pilzen. Die Cellulase produzierenden Bakterien haben aufgrund ihrer hohen Anpassungsfähigkeit und anderer Vorteile ebenfalls große Aufmerksamkeit auf sich gezogen und werden wahrscheinlich zu einer sehr wichtigen Cellulasequelle für die Industrie werden. Unter ihnen kann Bacillus subtilis eine große Anzahl extrazellulärer Enzyme produzieren und sezernieren und ist damit das am meisten untersuchte Bakterium. Darüber hinaus können sie auch Endosporen und sekundäre Stoffwechselprodukte unter langsamen Wachstumsbedingungen in der Zellulosematrix bilden, was ihnen einen Wettbewerbsvorteil verschafft. Unter ihnen ist Bacillus subtilis das Bakterium, von dem am häufigsten berichtet wird, dass es hervorragende Cellulase produziert, während Bacillus amyloliquefaciens nur selten vorkommt.

Das Verhältnis des Hydrolysekreisdurchmessers zum Koloniedurchmesser auf der Kongorot-CMC-Platte beträgt in diesem Artikel mehr als 4,5, wobei das minimale ZB6-Verhältnis 4,61 und das maximale AF1-Bakterienverhältnis 8,04 beträgt und damit weit über den Bakterienstämmen mit hoher Enzymaktivität liegt, die mit der gleichen Methode untersucht wurden und über die in der in- und ausländischen Literatur berichtet wird. Die höchste in der Literatur angegebene Enzymaktivität war der Stamm PX19, der von Tang Hao et al. aus dem Darmtrakt des Riesenbambuselefanten isoliert wurde. Das Verhältnis von Hydrolysekreisdurchmesser zu Koloniedurchmesser des Stammes mit der höchsten Enzymaktivität betrug nur 4,83. Nach der Optimierung und dem Screening der festen Fermentationsbedingungen für die Cellulaseproduktion durch den AF1-Stamm erreichte seine höchste Filterpapier-Enzymaktivität 26,904U/g. Darüber hinaus fand das Forschungsteam heraus, dass AF1-Bakterien auch hochaktive Amylase, Protease und antibakterielle Substanzen mit breitem Wirkungsspektrum produzieren können. Bei der Fütterung von Küken kann es die Futterverwertung erheblich verbessern, das Wachstum von Krankheitserregern hemmen, das Auftreten von Krankheiten verringern und die Sterblichkeitsrate senken. Es handelt sich um einen leistungsstarken Stamm mit vielfältigen Funktionen und großem Entwicklungspotenzial.