嗜热微生物及在高温生物冶金过程中的应用

嗜热微生物包括中度嗜热微生物和极端嗜热微生物,主要栖息于热泉、火山口、海底热液喷口、高温反应器以及工厂高温废水排放区等自然或人为产生的高温环境中。它们可以生活在40-80°C、甚至更高的温度中,其中有些具备嗜酸性及特殊的代谢类型,在高温生物冶金过程中具有应用潜力。高温生物冶金较传统中温生物冶金更具优势,其能浸出某些难处理矿、解决浸矿过程的钝化问题,以及提高浸出效率等,目前已引起了生物冶金工业的重视。本文概述了应用于生物冶金的主要嗜热微生物的生理特点、耐热机制以及对铁、铜和砷等离子的耐受机制,进一步介绍了嗜热微生物在高温生物冶金中的发展及应用。     

青稞酒发酵过程中的风味功能微生物及其风味代谢特征解析

[背景]青稞酒是一个多菌种固态发酵的产物,解析发酵过程中重要的功能微生物及其代谢特征对调控青稞酒发酵具有重要作用。[目的]揭示青稞酒发酵过程中的风味功能微生物并解析其风味代谢特征。[方法]基于高通量测序技术揭示青稞酒发酵过程中的微生物群落多样性和组成;采用顶空固相微萃取结合气相色谱-质谱技术跟踪酒醅的风味信息;通过微生物属与风味物质的关联分析揭示青稞酒发酵过程中风味功能微生物菌群,并采用蒙特卡洛检验分析进一步揭示发酵过程理化因子对风味功能微生物菌群的影响;于实验室环境下重构6株微生物发酵体系,以揭示其风味代谢特征。[结果]青稞酒发酵过程中9个真菌属和8个细菌属(相对丰度>1%)占据优势,其中Aspergillus、Komagataella、Lactobacillus、Pichia、Saccharomyces和Weissella是青稞酒发酵过程主要风味功能微生物;发酵过程中还原糖(r^2=0.946 9,P=0.013 2)和酸度(r^2=0.847 6,P=0.048 6)是驱动风味功能微生物菌群演替的关键因子;6株菌的组合发酵实验揭示了体外系统与原位系统具有相同的微生物演替现象与相似的风味轮廓。[结论]研究揭示了青稞酒发酵过程关键的风味功能微生物以及驱动该菌群演替的重要环境因子,并通过组合发酵实验验证了这些微生物的风味代谢特征,为青稞酒发酵过程的风味调控提供了新的视角。     

生物原料高效转化机制以及调控规律研究进展

非粮原料预处理过程易产生对发酵微生物有毒害作用的副产物,其对微生物生长以及目标产物的生产均产生显著抑制作用。从"生物原料高效转化过程中微生物对抑制物‘应激’机制"、"生物质高效转化过程调控体系构建"以及"多菌群混合培养过程细胞群体协同效应及调控机制"三个方面出发,揭示微生物对生物原料高效转化机制以及调控规律,为理性调控以及构建生物原料高效转化体系提供依据。     

营养相互作用对传统发酵食品微生物群落构建的推动作用研究进展

传统发酵食品是由自然接种的多微生物组成的混菌体系,了解微生物群落自发式构建的机制是认识发酵机理和调控发酵的关键。尽管大量的测序数据已经对传统发酵食品中微生物群落的结构和功能有了较为清晰的认识,但是仍然不清楚微生物群落自发式构建的机制。本文提出微生物群落是分布式的代谢系统,微生物之间的营养相互作用推动了传统发酵食品微生物群落的自发式构建。本文主要阐述了营养相互作用的概念、发生的机理以及研究方法体系,整理了传统发酵食品中微生物之间营养相互作用的研究进展,并提出了未来的研究方向。通过营养相互作用推动的传统发酵食品微生物群落的自发式构建有助于定向控制发酵过程中的微生物种类、提高生产效率和改善发酵质量。     

乙醇与酸度协同作用推动芝麻香型白酒固态发酵过程的微生物群落演替

【背景】揭示白酒固态发酵过程中微生物组装规律及其环境驱动因素,对于解析白酒酿造微生物特征具有重要作用。【目的】揭示芝麻香型白酒固态发酵过程中微生物群落的演变规律及其演替的环境推动力。【方法】通过高通量测序揭示固态发酵过程中的优势微生物及群落结构演变过程;通过PICRUSt预测固态发酵过程中原核微生物群落代谢途径分布变化;通过关联分析揭示酒醅理化因子对微生物群落结构演变的解释率;通过实验室模拟发酵验证理化因子对群落组成的影响。【结果】芝麻香型白酒固态发酵过程包括2个阶段:阶段I (0-5 d),乙醇合成速率和还原糖消耗速率最高,Bacillus和Pichia是丰度最高的微生物属,酸度是群落演替最关键推动力;阶段II(5-30d),Lactobacilus和Saccharomyces是丰度最高的微生物属,乙醇是群落演替最关键推动力。在固态发酵过程中酒醅理化因子对群落演替的解释率为68.27%,其中乙醇(最高解释变量)和酸度的解释率分别为13.76%和4.43%,二者的共同解释率为23.17%,对推动微生物群落演替具有协同作用。【结论】揭示了芝麻香型白酒固态发酵过程的微生物群落演变规律及其演替的环境推动力,为提高白酒固态发酵过程可控性提供依据。     

工业微生物酸胁迫的耐受机制及改造途径

工业微生物在发酵生产过程中会面对发酵环境和自身产生的各类酸性物质,而这些酸性物质会影响工业微生物的生长和代谢,即产生酸胁迫。微生物通过调控胞内质子浓度、保护和修复生物大分子、改变细胞膜组分以及整体水平调控等耐受机制来应对酸胁迫。结合酸胁迫的各种耐受机制,利用自然筛选和人工改造的方法提高工业微生物的抗酸胁迫能力,为构建出更能适应工业生产条件的菌株提供理论依据。     

动物宿主——肠道微生物代谢轴研究进展

肠道中栖息着数量庞大且复杂多样的微生物菌群,在维持宿主肠道微环境稳态中发挥重要作用。微生物菌群可以利用宿主肠道的营养素,发酵产生代谢产物,与宿主机体形成宿主—微生物代谢轴(host-microbe metabolic axis)。该代谢轴既能影响营养素吸收和能量代谢,又可调控宿主各项生理过程。本文主要阐述宿主-肠道微生物代谢轴的概念、肠-肝轴、肠-脑轴、肠道微生物与宿主肠道代谢轴的互作以及对机体健康的影响。     

液质发酵食品中微生物群落及与乳酸菌间相互作用研究进展

液质发酵食品发酵过程中微生物组成复杂,复杂的微生物发酵体系会影响微生物的生长和代谢,继而改变微生物的群落结构与功能,最终影响液质发酵食品的品质。乳酸菌在食品发酵中对形成风味物质、提高营养价值、抑制腐败菌生长具有重要的作用。本文主要对近年来食醋、酱油和饮料酒等液质发酵食品中微生物群落及与乳酸菌间相互作用关系进行综述,了解液质发酵食品在发酵过程中微生物群落结构和群落中乳酸菌与其他微生物的相互作用类型,探讨乳酸菌在发酵过程中的功能以及乳酸菌与其他微生物之间的相互作用机制。     

降解芳烃微生物的多样性

芳烃是一类生物异源物质,自然微生物群落利用其对环境的适应性,对这类物质由陌生到适应,微生物群落的遗传背景发生了变化,降解芳烃的微生物呈现出多样性,本文系统介绍了降解芳烃微生物的特性,物种资源,环境适应,遗传背景及演变;介绍了各遗传型物种的功能基因数量,表达及调控方式,指明芳烃环境污染的生物修复主要取决于高效工程构造及代谢过程的控制。     

极端嗜热微生物及其高温适应机制的研究进展

极端嗜热微生物在高温条件下生长繁殖,其必然具有适应高温环境的特殊细胞结构、基因类型以及生理生化机制。极端嗜热微生物的研究对探索生命的起源以及极端嗜热微生物的开发和应用具有重要意义。对极端嗜热微生物中细胞膜、核酸分子、蛋白质分子、代谢产物和辅酶的高温适应机制的研究进展进行了概述,旨为极端嗜热微生物以及来源于极端嗜热微生物的各种生物分子的开发和应用提供理论依据。     

肠道微生物调控宿主食欲的研究进展

肠道微生物与宿主代谢相互作用,可调节机体的生理功能。宿主机体中存在"微生物-肠道-大脑轴",肠道菌群可通过多种途径影响中枢神经系统,进而对宿主摄食等行为产生影响。食物中不易被宿主消化吸收的膳食纤维等营养物质,被肠道微生物发酵可产生多种代谢产物,这些代谢产物作为信号分子可通过不同途径介导中枢神经系统,进而调控宿主食欲。本文主要综述了肠道微生物及其代谢产物对中枢神经系统与宿主食欲的影响及其可能的调控途径与机制,以加深肠道微生物在调控宿主食欲方面的新认识。     

配糟对清香型白酒发酵中环境因子及微生物群落的影响

【背景】环境因子是影响微生物生长代谢的重要因素,解析半开放条件下酿造过程中环境因子对微生物群落演替的作用对于清香型白酒生产调控具有重要意义。配糟在白酒发酵过程中起着调节发酵速度的作用,其对微生物群落组成变化的影响尚不明确。【目的】揭示使用不同发酵周期配糟对清香型白酒发酵过程中环境因子及微生物群落演替的影响。【方法】采用PacBio测序平台和多元统计分析比较使用2种配糟酒醅中微生物群落结构组成,结合蒙特卡洛置换检验明确环境因子对微生物群落的影响。【结果】与使用正常发酵周期配糟酒醅相比,使用延长发酵周期配糟酒醅水分较低,而酸度、氨基酸态氮、总游离氨基酸、还原糖和残余淀粉较高;微生物多样性和丰富度分析发现,使用延长发酵周期配糟酒醅中细菌α多样性极显著高于使用正常发酵周期配糟酒醅(P<0.001),而真菌α多样性显著/极显著低于使用正常发酵周期配糟酒醅(P<0.05, P<0.001);通过组间差异性分析发现,细菌群落共产生28个差异指示种,而真菌群落共产生15个差异指示种;水分、酸度、氨基酸态氮、还原糖、残余淀粉和总游离氨基酸对微生物群落结构的影响显著(P<0.05)...     

城市生活垃圾堆肥发酵中微生物菌群变化规律的研究

通过对垃圾处理厂静态堆肥不同区域的微生物菌群与数量的分析,表明了城市生活垃圾堆肥发酵中微生物菌群的变化规律,温度与微生物菌群的相关性,指出了高温微生物菌群数量影响堆肥的效率。建议在静态一次堆肥发酵周期中,增加通气量和翻堆频率,有利于增强微生物菌群的活力和提高堆肥质量。     

哺乳动物肠道微生物与碳水化合物的互作及其影响

肠道微生物具有调节宿主营养、免疫以及能量代谢等生理功能。饮食是影响哺乳动物的肠道微生物的一个重要因素。碳水化合物是哺乳动物食物能量的主要来源,因此研究肠道微生物与碳水化合物的代谢之间的关系及其影响具有重要意义。基于近年相关研究,本文从碳水化合物对肠道微生物组成的影响、肠道微生物对碳水化合物的代谢机制以及碳水化合物发酵产物短链脂肪酸对宿主的影响3个方面进行了综述。研究表明,肠道微生物可用于发酵的碳水化合物类型主要是抗性淀粉和非淀粉多糖;不同类型的碳水化合物会导致肠道菌群发生适应性变化;复杂多糖发酵产生的短链脂肪酸在调节宿主能量平衡和免疫应答方面发挥了重要作用。总结近年来相关研究,可加深对肠道菌群对宿主碳水化合物代谢贡献的理解,为哺乳动物机体健康状况的营养调控策略提供参考。     

变性梯度凝胶电泳分析草菇培养料二次发酵过程中细菌群落演替

[目的]了解草菇以废棉为主要成分的培养料在二次发酵过程中细菌群落结构变化情况,确定发酵不同阶段的优势菌群,为能够在分子水平上快速准确地监测发酵过程中菌群动态变化奠定基础.[方法]采用变性梯度凝胶电泳(denaturing gradient gel electrophoresis,DGGE)及克隆菌株16S rDNA序列分析技术对草菇废棉培养料二次发酵不同阶段的样品中细菌群落结构进行分析.[结果]DGGE图谱显示,细菌群落多样性较为丰富,条带多样性随着发酵进程逐渐降低,而且在不同阶段中的优势条带及相对丰度在发生着动态的变化.回收克隆的23个不同发酵阶段的优势菌株来自于变形菌门、拟杆菌门和厚壁菌门,α,β,γ-变形菌纲、鞘脂杆纲、拟杆菌纲和梭菌纲6个菌纲的11个属,其中19株克隆菌株为耐热细菌,在发酵的高温及降温阶段,丛毛单胞菌属、鞘脂杆菌属、中华根瘤菌属和寡养单胞菌属细菌为优势类群.[结论]草菇废棉培养料二次发酵过程中细菌的群落结构及优势菌群在发生着动态的变化,尤其是在进入高温期阶段,优势菌群变化显著.     

芝麻香型酒醅堆积过程中微生物结构变化分析

【背景】高温堆积发酵过程是芝麻香型白酒生产过程中的一个重要环节,是芝麻香型白酒典型风格形成的关键工序。【目的】解析堆积发酵过程中原核和真核微生物群落的演替规律。【方法】分别对高温堆积酒醅样本的细菌16S rDNA V3-V4区和真菌ITS2区进行Illumina高通量测序,解析高温堆积过程中酒醅的真菌和细菌菌群结构变化规律,同时解析发酵过程中温度、水分、酸度、淀粉、还原糖的变化规律。【结果】酒醅堆积初期0-6 h,占优势的原核微生物菌属是Bacillus、Weissella和Acetobacter。堆积20 h后微生物群落结构变化显著,Weissella的比例降低,Acetobacter的比例显著增加。堆积初期,占优势的真核微生物菌属是Aspergillus、Saccharomyces和Pichia。堆积6 h后,Aspergillus比例下降,而Pichia和Saccharomyces则逐步增多,其绝对优势地位一直保持至堆积结束。酒醅微生物群落结构受翻堆操作的短暂影响(堆积20 h时),最终恢复至平衡状态。高温堆积36 h以后,酒醅中的原核和真核微生物群落均趋于稳定。还原糖数据显示堆积前期微生物糖化作用迅速,36 h后糖化趋于稳定,温度、酸度、淀粉含量参数基本平稳。【结论】酒醅高温堆积发酵过程中,原核微生物和真核微生物有其不同的变化规律。原核微生物的变化是以20 h时的翻堆为结点,翻堆前的优势菌属是Bacillus、Weissella和Acetobacter;堆积后的优势菌属是Weissella和Acetobacter,其中后者占绝对优势。与原核微生物相比,真菌微生物的结构逐步集中,到发酵结束时毕赤酵母和酵母两者占真菌总量的93%以上。芝麻香型白酒发酵过程的高温堆积环节,原核和真核微生物的菌种繁殖以及相应的菌群结构变化为稍后的高温发酵奠定了微生物基础。     

清香型白酒发酵过程中酵母群落结构及其与尿素代谢的关系

【目的】探索清香型白酒发酵过程中酵母群落结构及演变,分析潜在的关键尿素代谢酵母及其环境调控因素,为降低发酵过程中氨基甲酸乙酯的含量提供理论依据。【方法】通过相关性分析明确发酵过程中氨基甲酸乙酯主要前体物质及其代谢微生物类群,利用高通量测序技术解析酵母群落结构组成,并结合偏最小二乘回归分析寻找潜在的关键尿素代谢酵母。采用冗余分析评价发酵过程中环境因素对酵母群落结构的影响。【结果】尿素是清香型白酒发酵过程中氨基甲酸乙酯的主要前体物质,酵母是尿素代谢的主要微生物。高通量测序结果显示,在97%的相似度下进行操作分类单元聚类后,共鉴定出22个酵母种。其中,嗜高压有孢汉生酵母(Hanseniaspora osmophila)、发酵毕赤酵母(Pichia fermentans)和酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)与尿素合成存在正相关性,库德毕赤酵母(Pichia kudriavzevii)与尿素降解存在正相关性。酒醅含水量、p H、乙醇和精氨酸是影响发酵过程中酵母群落演替的重要环境因素。【结论】环境因素影响潜在的关键尿素代谢酵母,为降低发酵过程中尿素与氨基甲酸乙酯含量提供理论依据。     

氨基酸对青稞酒酿造微生物群落演替及风味代谢的驱动

[背景]环境因素是微生物生长代谢的重要驱动因素,因此,解析其对白酒酿造过程中微生物群落演替的影响对青稞酒的可控化生产具有重要作用.氨基酸作为微生物生长代谢的重要营养底物以及环境因素,其对微生物群落演替的作用尚不明确.[目的]揭示环境因素对青稞酒发酵过程中微生物群落演替及风味代谢的驱动作用.[方法]通过气相色谱-质谱联用...     

包埋法固定化对硫氧化微生物菌群结构和功能的影响

【目的】为探讨包埋法固定化过程对硫氧化菌群硫化物去除能力及菌群微生物群落结构的影响,【方法】以聚乙烯醇-海藻酸钠-活性炭为载体,对硫氧化菌群进行了固定化,并采用富含硫化物的无机盐培养基,对比固定化与非固定化硫氧化菌群对硫化物的氧化去除能力。同时,利用PCR-DGGE技术,探讨硫氧化菌群在固定化前后以及在硫化物氧化去除过程中微生物群落结构变化。【结果】在对硫氧化菌群进行固定化之后,12 h之内对硫化物的最大去除能力从1000 mg/L下降为600 mg/L。硫氧化菌群的微生物群落结构发生了明显变化,但菌群中的硫氧化菌Catenococcus thiocycli未受影响,硫氧化菌Thioclava pacifica在菌群中的地位反而得到了强化。【结论】受制于底物在载体材料中的扩散迁移效率,硫氧化菌群对硫化物的氧化去除能力在固定化之后有所下降。由于不同微生物对固定化形成的微环境的适应能力以及对载体附着能力的不同,固定化对硫氧化菌群的微生物群落结构产生较大影响。     

葡萄酒中重要挥发性硫化物的代谢及基因调控

葡萄酒中的挥发性硫化物是由酿酒微生物在葡萄酒发酵过程中代谢所产生的,主要包括硫化氢、硫醇、硫醚、硫醇酯、含硫杂醇油及杂环化合物等,它们对葡萄酒的风味会产生重要影响。本综述介绍了葡萄酒中重要的挥发性硫化物的主要代谢途径及相关基因的调控机制,并提出酿酒微生物的相关研究是提高优良风味物质含量,同时抑制不良风味产生的有效途径。