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地球上每年通过光合作用合成的纤维素约1 000亿吨[1]。纤维素是地球上分布最广、最丰富的可再生生物资源,纤维素的利用和转化对于解决目前世界能源危机、粮食短缺、环境污染等问题具有十分重要的意义[2]。利用纤维素酶对纤维素进行降解利用是最为有效的方法。近年来,昆虫纤维素酶在工业生产和能源领域的潜在利用价值备受关注[3-4]。
一些昆虫能够利用纤维素酶消化食物中的纤维素,以获得生长发育所需的营养。昆虫体内共生微生物分泌的纤维素酶最早发现于白蚁和蜚蠊肠内[5-6],此后在细菌、放线菌、真菌等微生物和其他昆虫等动物(如白蚁、蜗牛)体内也检测到了纤维素酶的存在[7-8]。研究表明:除了昆虫肠内共生微生物产生纤维素酶以外,一些昆虫体内还存在内源的纤维素酶,目前对鞘翅目昆虫纤维素酶的研究还是较为广泛,但缺乏同种条件下对鞘翅目昆虫肠道内不同段内纤维素酶活性的综合比较,因此本研究通过研究长足大竹象成虫各段肠道内纤维素酶在不同pH值和温度条件下的酶活性变化规律,为进一步寻找和开发高效纤维素酶系提供了基础理论指导。
长足大竹象成虫是鞘翅目象甲科昆虫,国内主要分布于四川、广东、重庆、广西、贵州等省区。长足大竹象在2003年被我国林业局列入危害我国林业有害生物名单,其寄主广泛,危害大约28种竹种的竹笋,危害率高达50%~80%[9]。竹子作为我国林业上的常见物种,其作用也不可小觑,尤其是在食用、医药、建筑、经济等方面。但在林业上对竹子的使用常常出现严重浪费,不能物尽其用。更有甚者还会造成环境污染。而在长足大竹象成虫等甲虫体内发现的纤维素酶刚好可以降解竹子最主要的竹纤维,使不能被直接使用的竹纤维转化为单糖,继而制取酒精、食品、单细胞蛋白及其他化学化工原料[10]。现如今我国以原生态、无污染为根本出发点来发展农业与经济,与以往常见的物理、化学转化对竹纤维进行处理上利用纤维素酶对竹纤维的生物转化不仅不会浪费资源,还会保护环境。本实验利用长足大竹象成虫这种害虫体内的纤维素酶进行体外探究最适条件使得体外高效降解竹纤维甚至模拟昆虫体内降解竹纤维的理想条件来生物转化酒精等能源物质成为可能,从而达到变害虫为益虫的性质变化。
由于纤维素酶的活性于受到底物浓度、反应时间等诸多因素的限制,检测结果也容易受到蛋白质定量方法等因素的影响,很难和其他人的研究结果直接进行定量比较[11]。因此,在相同反应条件下对昆虫肠道3个不同部位内纤维素酶活性的比较研究具有重要意义。本文在不同温度和pH值条件下检测了长足大竹象成虫3段肠道内纤维素酶的活性大小,为寻找生物高效降解竹纤维的最佳条件提供了可靠的研究基础。
Comparison of Cellulase Activity in Different Intestinal Segments of Cyrtotrachelus bugueti Adults
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摘要: 为比较和客观评价昆虫肠道各段内纤维素酶的活性,在不同pH及不同温度下分别测定长足大竹象成虫肠道3段(前、中、后)内3类纤维素酶的活性。结果表明:长足大竹象成虫肠道内有完整酶系,长足大竹象成虫前肠中CX酶的适应温度以及pH的范围较广,具有更强的稳定性,最适温度(T)在50~70 ℃,最适pH为6~8,在高温和强碱条件下均为检测出酶活性,且前肠中的C1酶较其他两段存在最大的酶活性,为0.0349 μmol·min−1·mg−1(pH值=3,T=40 ℃)。长足大竹象成虫中肠中C1酶的适应范围远大于其余两种,最适温度为30~70 ℃,最适pH值为5~8,在强酸、强碱情况下均未检测出酶活性。长足大竹象成虫后肠中的3中酶的最适温度区间都为30~50 ℃,最适pH值区间为5~8,较前、中肠两段的最适温度、pH值区间较窄。Abstract: In order to compare and objectively evaluate the cellulase activity in different intestinal segments, the activity of three types of cellulase in three segments (foregut, midgut, hindgut) of Cyrtotrachelus bugueti adult were measured at different pH and temperatures. The results showed that (1) there was a complete enzyme system in the intestinal tract of C. bugueti adults; (2) the CX enzyme in the foregut of C. bugueti adults had a wider adaptive range of temperature and pH, and had greater stability; (3) the optimal temperature (T) was 50~70 ℃, and the optimal pH was 6~8. No enzyme activity was detected under high temperature and strong alkali conditions, and C1 enzyme in the foregut had the maximum enzyme activities of 0.0349 mol·Min−1·Mg−1 (pH=3, T=40 ℃) compared with the other two segments; (4) the adaptation range of C1 enzyme in the midgut was much larger than that of the other two segments. The optimum temperature was 30~70 ℃ and the optimum pH was 5~8. No enzyme activitiy was detected under strong acid and strong alkali conditions; (5) the optimum temperature range of the three enzymes in hindgut was 30~50 ℃, and the optimal pH range was 5~8, which was narrower than the optimal temperature and pH range of foregut and midgut of C. bugueti adults.
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Key words:
- Cyrtotrachelus bugueti;
- Intestinal tract;
- Cellulase;
- pH value;
- Temperature
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