黑翅土白蚁及其微生物协同降解木质纤维素机制研究

【摘要】长期以来能源短缺和环境污染是世界各国都面临的严峻问题,而发展生物质新能源被认为是最为有效的解决途径之一。近年来,仿生利用白蚁这一自然界中最为高效的木质纤维素转化系统的思路被广泛关注。高等白蚁中的大白蚁亚科可特异性在巢内构建菌圃培养担子真菌(TermitomycesSpp.),因而又称培菌白蚁。本论文以我国分布最广、危害最大的培菌白蚁黑翅土白蚁(OdontotermesformosanusShiraki)作为研究对象,综合应用生物行为学、消化生理学、植物纤维化学和微生物生态学等研究手段,较为系统地对黑翅土白蚁的木质纤维素类食物消化策略进行研究。具体来说包括以下内容：(1).利用构建的黑翅土白蚁可视化人工饲养系统,在室内对取自野外的黑翅土白蚁巢群进行了长期人工饲养和录像观测。结果表明蚁巢的木质纤维素食物循环过程中有显著的社会分工行为。年老的成年工蚁外出觅食并将木质纤维素食物带回蚁巢内；然后年轻的成年工蚁通过摄入年老的成年工蚁搜集的植物材料以及菌圃上含无性分生孢子的小白球,并排出初级粪便从而建立新真菌菌圃；待菌圃发酵成熟,年老的成年工蚁取食成熟菌圃。(2).通过对黑翅土白蚁消化系统中原位的木质纤维素颗粒的物理形态和化学结构进行检测。结果首先表明菌圃共生微生物的帮助,黑翅土白蚁无显著性木质纤维素颗粒的物理形态变化,从而无法有效打开木质纤维素的木质素屏障。其次,在菌圃共生微生物的帮助,木质纤维素颗粒在上层菌圃、中层菌圃和下层菌圃中表现出显著的时空分步降解过程,首先木质素聚合物发生了S型木素的侧链可能被选择性氧化,导致木质素解聚合；然后木素单体发生开环等反应,大量木素单体基团消失；最后被预处理后的木质纤维素基质中含有大量多糖组分。(3).运用微电极、ICP-MS等显微技术,探明了黑翅土白蚁消化系统中包括氧气、pH值、氧化还原电位、氢气和金属离子浓度等理化微环境概况。黑翅土白蚁的肠道系统显示了从0到8.6千帕的相对较低的氧分压范围；除了直肠区域,在不同肠段pH值分布呈中性(pH值6.1-7.4)；平均氧化还原电位在每个肠区域的中心(除直肠)普遍较高,介于约70至310毫伏之间。尤其,作为木质纤维素降解过程中的中间产物,在后肠庞大部位的氢气分压高达10.4千帕。此外,利用ICP-MS,对13种金属离子在白蚁的肠道系统,共生真菌菌圃,以及巢土壤样品的浓度进行了测定,这表明在主要的消化道区域内,13种金属离子中的6种金属离子(钾,镁,锰,钡,硒,钼)在空间分布具有显著差异。在直肠中、真菌菌圃和巢土壤样品中也观察到某些金属离子的显著富集。(4).通过454高通量测序技术,对参与黑翅土白蚁消化与降解木质纤维素的细菌16srDNA序列进行扩增和测序。运用分类注释、OTU划分和网络结构图等生物信息学手段对样品菌群结构分析,结果表明黑翅土白蚁消化系统中细菌群落结构有显著的时间和空间异质现象。该结果表明黑翅土白蚁消化系统中的微生物对木质纤维素基质有明显的响应现象。
【作者】李鸿杰；
【导师】莫建初；
【作者基本信息】浙江大学，农业昆虫与害虫防治，2014，博士
【关键词】黑翅土白蚁；木质素；微生物；理化环境；饲养；培菌白蚁；

【参考文献】
[1]宫敏燕.新农村建设中新型农民培育问题研究[D].陕西师范大学,思想政治教育,2012,博士.
[2]夏芹.论李白诗中的“影”意象[D].宁波大学,中国古代文学,2012,硕士.
[3]吕小雪.目的论视角下的口译策略[D].苏州大学,翻译（专业学位）,2013,硕士.
[4]王东,彭立民,傅峰,王军锋,朱广勇.柳杉木材吸声性能的研究[J].中南林业科技大学学报,2014,10:137-140.
[5]吕华益.MT智能建筑公司竞争战略研究[D].大连理工大学,EMBA（专业学位）,2012,硕士.
[6]张倩茹.遥操作增强现实中冗余机器人动态避障路径规划策略研究[D].北京邮电大学,模式识别及智能系统,2013,硕士.
[7]塔拉.抗菌药物选择压力下的布鲁氏菌突变特征的研究[D].内蒙古科技大学,遗传学,2013,硕士.
[8]张若曦.汉代选官制度与试策文[D].河南大学,中国古代文学,2004,硕士.
[9]陈甜甜.我国A股市场特别处理公告效应研究[D].中国矿业大学,金融工程与风险管理,2014,硕士.
[10]赛迪顾问电子政务咨询事业部.电子政务：数据资源规划“一马当先”[N].中国电子报,2002-10-18.
[11]彭清泉,杨晓元,李德龙,韩益亮.智能入侵检测技术的研究[J].通信技术,2003,11:120-121+124.
[12]张军.镧掺杂钛酸锶的制备及其在SOFC连接体中的应用[D].中国矿业大学,物理化学,2014,硕士.
[13]华建新.宝钢2030mm冷连轧机的速度最佳设定[J].冶金自动化,1990,03:45-47.
[14]王敏.战略导向的企业绩效测评研究——以某油品贸易公司为例[D].浙江大学,2004.
[15]武建双.下肢步态康复训练器的设计及研究[D].燕山大学,微机电工程,2014,硕士.
[16]樊海佳.现代国家构建视角下我国农民公民权成长研究-1949-2011[D].浙江理工大学,马克思主义基本原理,2013,硕士.
[17]宗春燕.低剂量微波辐射诱导博来霉素致小鼠DNA损伤的适应性反应研究[D].苏州大学,卫生毒理学,2014,硕士.
[18]张超.关于安徽省农村监狱民警身心健康状况的调查报告[D].安徽大学,社会工作,2013,硕士.
[19]杨贺,申承民,田园,王高强,林少雄,张一,顾长志,李俊杰,高鸿钧.化学气相沉积法反应参数对在铜上生长大面积单层石墨烯的影响[A].中国化学会.中国化学会第29届学术年会摘要集——第30分会：低维碳材料[C].中国化学会:,2014:1.
[20]张云.rAAV2介导IGF-1基因治疗联合康复训练对大鼠脊髓损伤修复作用的研究[D].苏州大学,运动人体科学,2013,硕士.
[21]魏超.冰片的“引药上行”作用对急性酒精中毒小鼠的影响[D].成都中医药大学,中西医结合临床,2012,硕士.
[22]刘美洁.《诗经》鱼意象研究[D].山东师范大学,中国古代文学,2013,硕士.
[23]张冰.身体素质训练对提高擒拿格斗技术水平的研究[D].辽宁师范大学,体育教育,2011,硕士.
[24]张小东.水产品中大肠埃希氏菌和大肠菌群快速检测技术研究[D].集美大学,水产养殖,2009,硕士.
[25]孙燕.三种杀菌剂对玉米顶腐病控制作用研究[D].山东农业大学,农药学,2013,硕士.
[26]刘继仁.具裂纹预应力混凝土梁的有限元分析[D].湖南大学,工程力学,2011,硕士.
[27]廖国栋,王晓茹,王利平,钟山,童晓阳.嵌入式以太网在变电站自动化系统中的实现[J].电力系统自动化,2006,06:79-83.
[28]黄春.基于SVR的Gabor虹膜特征提取与识别方法研究[D].吉林大学,计算机应用技术,2014,硕士.
[29]柳丽娜.摩阻材料智能设计系统的开发[D].福州大学,机械设计及理论,2004,硕士.
[30]杨炳城.基于凸函数证据理论的消防审核办公自动化系统设计[D].吉林大学,软件工程,2014,硕士.
[31]韩冰.徐州电力负荷管理系统功能扩展的研究[D].南京理工大学,2003.
[32]顾云.基于GIS的船舶管理信息系统设计与实现[D].电子科技大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[33]曾振平,陈增强,袁著祉.确保鲁棒性能的PID控制器参数域的一种确定方法[J].控制与决策,2005,04:382-387.
[34]阎慧.李吕及其《澹轩集》研究[D].山西师范大学,中国古典文献学,2014,硕士.
[35]马琦.PBA接枝St乳液聚合反应条件研究[D].长春工业大学,高分子化学与物理,2013,硕士.
[36]赵修娜.基于云计算的校园网视频直播系统研究[D].哈尔滨理工大学,计算机应用技术,2012,硕士.
[37]瞿杭晶.康保县农业土地利用区划及可持续利用方略[D].首都师范大学,自然地理学,2014,硕士.
[38]晁羽.出版社品牌塑造中的书籍共性化设计研究[D].北京服装学院,设计艺术学,2012,硕士.
[39]沈文静.耦合时滞偏微分系统同步准则[D].哈尔滨工业大学,应用数学,2014,硕士.
[40]张文豪.含磷腈衍生物弹性体阻燃材料的制备及其结构与性能研究[D].北京化工大学,材料科学与工程,2013,硕士.
[41]李恒顺.滚切式双边剪电气及自动控制[J].重型机械科技.1999(04)
[42]李颖婕.5个木兰科植物杂交后代的生殖生物学研究[D].云南农业大学,果树学,2014,硕士.
[43]张树林,朱介寿,贺振华.井间地震弯曲射线层析成像[J].石油地球物理勘探,1992,02:270-278+304.
[44]刘婧琢.《现代汉语词典》（第五版）的修辞造词研究[D].黑龙江大学,语言学与应用语言学,2013,硕士.
[45]沈煜婷.金融危机环境下冗余资源与业绩波动性的实证关系研究[D].浙江工商大学,会计（专业学位）,2014,硕士.
[46]李继东.德菲公司顾客满意度测评方法研究[D].大连理工大学,工商管理,2004,硕士.
[47]许婧.暗黑鳃金龟肠道纤维素酶活性研究及混合菌系的构建[D].华中农业大学,农业昆虫与害虫防治,2014,硕士.
[48]李国慧.公安机关警力资源配置问题研究[D].华东理工大学,公共管理（专业学位）,2013,硕士.
[49]刘珏宏,高慧,张丽红,陈丽萍,赵念席,高玉葆.内蒙古锡林郭勒草原大针茅-克氏针茅群落的种间关联特征分析[J].植物生态学报,2010,09:1016-1024.
[50]王婷婷.男权制度下女性主体性的毁灭[D].四川外国语大学,英语语言文学,2013,硕士.