微生物菌群发酵生产化学品的研究进展

廉价生物质资源的利用是工业生物技术领域研究的热点,复杂的成分和较多的杂质使传统的单菌发酵方式难以应对,成为产业化的关键问题。文中从微生物菌群的工业应用、微生物菌群发酵与纯种发酵的比较、微生物细胞间的相互作用等方面综述了微生物菌群发酵技术的最新研究进展,并对微生物菌群的设计和应用进行了展望。微生物菌群发酵可以充分利用廉价生物质基质、生产多个产品或减少副产物的生成,在生物基化学品和燃料的生产中将是一种有前景的发酵技术。     

关于微生物燃料电池底物的研究进展

近年来,微生物燃料电池已引起了广泛关注,它将低能量废水和木质纤维素生物质等有机废物转化为电能。在将来,微生物电能将成为一种重要的生物能源,因为微生物燃料电池提供了一种复合有机物和可再生生物能源中提取电能的可行性。人们研究了许多物质,以考察其是否能作为微生物电能转化的底物。这些物质包括人工的和天然废物,以及木质纤维素生物质。尽管现在微生物燃料电池提供的电流和功率较低,但是随着技术的发展和对微生物燃料电池系统的深入了解,微生物燃料电池转化的电流和电力将极大增加,从而向世人提供了一种可以将纤维素生物质和废水直接转化为有用能源的有效方法。本文介绍了迄今为止在微生物燃料电池中用到的各种反应底物,并对它们的应用效率和存在的不足进行了分析。     

生物质制氢技术研究进展

氢能以其清洁,来源广泛及用途广等优点成为最有希望的替代能源之一,用可再生能源制氢是氢能发展的必然趋势。由于生物质制氢具有一系列独特的优点,它已成为发展氢经济颇具前景的研究领域之一。生物质制氢技术可以分为两类,一类是以生物质为原料利用热物理化学方法制取氢气,如生物质气化制氢,超临界转化制氢,高温分解制氢等热化学发制氢,以及基于生物质的甲烷、甲醇、乙醇的化学重整转化制氢等;另一类是利用生物转化途径转换制氢,包括直接生物光解,间接生物光解,光发酵,光合异养细菌水气转移反应合成氢气,暗发酵和微生物燃料电池等技术。本文综述了目前主要的生物质制氢技术及其发展概况,并分析了各技术的发展趋势。     

生物降解木质纤维素类生物质固废物的研究进展

自然界中的细菌、真菌和放线菌以及某些病毒都是能够降解某种纤维素的重要微生物，现代科技的发展使这种降解功能得以被发现。自然界的各种微生物在生物质固废能源转换和利用上具有十分重要的作用，不仅能够变废为宝，还能对生物质固废进行资源化利用。文章对生物质固废的相关处理技术、生物降解木质纤维素类生物质固废物的成果进行分析，总结了将微生物应用于生物质固废处理中的相关技术，并以物质纤维素固废为单位探讨分析相应的技术，旨在为我国的资源利用和绿色发展提供帮助与参考。     

微生物降解木质纤维素类生物质固废的研究进展

自然界中的细菌、真菌、放线菌及某些病毒是降解木质纤维素的主要微生物,它们在生物质固废能源的转化和利用上起桥梁作用,能变废为宝,实现生物质固废的资源化利用。根据生物质固废相关处理技术及生物质固废资源化成果转化,总结微生物降解生物质固废的有关处理技术及应用。在综合国内外现有研究成果的基础上,以木质纤维素类生物质固废为例,从微生物种类和生物质固废资源化成果转化两个方面对微生物降解木质纤维素类生物质固废有关技术进行分析,提出每项技术存在的问题,并展望每项技术的发展前景。     

能源生物技术

对生物技术在能源领域的应用包括燃料酒精、生物柴油、生物制氢及微生物采油技术等的国内外现状进行了综述,对其研究的意义和前景进行了分析。     

微藻生物炼制技术

积极发展以生物质原料为基础的生物炼制产业,对于解决能源危机、改善能源结构具有重大意义。微藻作为一种重要的生物质资源,具有分布广、生物量大、光合效率高、环境适应性强、生长周期短和产量高等突出特点,是进行生物炼制的优良材料,它在生产微藻燃料、开发微藻生物制剂和提取生物活性物质等方面具有广阔的开发前景。综述了微藻的培养特点和功能,介绍了微藻生物炼制技术的内容和领域,并对其发展前景作出展望。     

运动发酵单胞菌在生物炼制中的研究进展

以木质纤维素生物质为原料的生物炼制技术已成为全球研发的热点和难点。欧盟国家和美国的中长期生物质能源发展路线图中均将木质纤维素生物炼制技术作为重要目标,但是目前整体水平尚处于中试阶段。我国的纤维素类生物质原料非常丰富,将其转化成燃料乙醇及生物基础化学品等具有较大的潜力,但当前要想实现商业化生产,还面临着很多瓶颈问题亟待解决。缺乏能够同时高效利用纤维素类水解物的发酵菌株,已成为纤维素生物质高效与高值转化的关键制约因素。运动发酵单胞菌是目前唯一一种通过ED途径兼性厌氧发酵葡萄糖的微生物,其独特的代谢途径使其成为构建产乙醇工程菌的优选宿主之一;同时由于该菌具有较高的糖利用效率等优点,也是其他生物基化学品生产的重要候选平台微生物,如山梨醇、葡萄糖酸、丁二酸和异丁醇等。本文从该菌的研究历程、分子生物学基础、菌种改良及该菌在生物能源及生物基化学品等生物炼制体系中的应用研究角度进行了综述,并提出该菌可作为纤维素生物质生物炼制系统的新的重要平台微生物。     

微生物在生物能源生产中的应用(英文)

生物可再生能源是最有前景的石油替代品之一.生物能源的生产原料包括:植物、有机废弃物和微生物.微生物在生物能源生产上有着广泛的应用,利用微生物制备的主要生物能源包括:生物柴油、生物乙醇、生物甲烷等.某些微生物如微藻和真菌可以生产大量油脂,这些油脂可以转化为生物柴油;有些微生物如酵母可以将糖类、淀粉以及纤维素转化为燃料乙醇,添加乙醇的汽油或柴油燃烧排放明显降低;还有些厌氧微生物可以将有机废弃物转化为甲烷,可用做家用燃气、车用燃气或发电.除此之外微生物还具有在生产能源的同时治理环境污染的优势.总之研究开发微生物在生物能源生产中的应用有利于世界可持续发展.     

能源植物甜高粱种质资源和分子生物学研究进展

世界能源危机和全球生态环境日益恶化迫使人们急需开发可再生能源。生物质能源作为一种清洁的可再生能源已受到世界各国的高度重视。发展生物质能源的瓶颈之一是生物质原料不足。甜高粱的生物学产量和含糖量极高, 同时兼有耐旱、耐涝、耐贫瘠和耐盐碱等诸多优良特性, 被认为是最具开发潜力的能源植物之一。该文从甜高粱的分类学、生物学特点、种质资源评价、功能基因以及基因组信息等方面综述了甜高粱的最新研究进展和存在的问题, 并展望了甜高粱作为能源植物的研发前景。     

碳一气体生物转化中的产乙酸菌改造与发酵工艺优化

当前的线性经济发展模式依赖化石能源且增加二氧化碳的排放,加剧全球变暖和环境污染。因此,亟需开发碳捕获和利用的技术,建立循环经济。利用产乙酸菌进行碳一气体(一氧化碳和二氧化碳)转化是一项前景广阔的技术,具有较高的碳源灵活性和产物选择性,能够合成多种化学品和燃料。本文聚焦产乙酸菌在碳一气体转化过程中的生理代谢机制、遗传和代谢工程改造、发酵工艺优化以及提升碳原子经济性等方面的研究进展,以期为产乙酸菌气体发酵的工业规模放大及“负碳”生产提供参考。     

An energy 'sources' and 'fractions' approach to the mechanical energy expenditure problem--V. The mechanical energy expenditure reduction during motion of the multi-link system

Mechanical energy economy during motion of the multi-link system is analyzed on the basis of the theory developed in the previous publications (parts I-IV of this series, J. Biomechanics 19, 287-309). The compensation coefficients for the F- and M-sources and also the absolute compensation coefficient reflecting the mechanical energy economy due to four possible resources are introduced. These resources are the antiphase fluctuations of (I) each link's total energy fractions involving energy transformations between (1) rotational and translational fractions by F-sources, (2) kinetic and potential fractions by mg-source; (II) the links' total energies involving energy transfers between (3) links by F-sources, (4) links by M-sources. The conditions of mechanical energy economy, particularly due to M-sources, are analyzed.     

生物电化学系统处理废气的研究进展

生物电化学系统(Bioelectrochemical systems,BESs)可将污染物的降解转化与电能紧密耦联,具有适用基质广泛、反应过程温和且效率高的特点,在环境污染治理中具有广阔的应用前景。近几年,BESs也逐渐被应用到废气处理。由于微生物和电化学过程的复合作用,BESs显示出较高的处理效率和良好的应用前景。本文在对废气类型、效果及反应器构型进行总结的基础上,还对BESs中的重要功能微生物和微生物电化学反应机理进行介绍和讨论,并对BESs在废气处理方面需要解决的问题和研究方向进行展望,以期为提高生物电化学系统的处理性能提供参考。     

微生物胞外电子传递效率的合成生物学强化

电活性微生物(产电微生物和亲电微生物)通过与外界环境进行双向电子和能量传递来实现多种微生物电催化过程(包括微生物燃料电池、微生物电解电池、微生物电催化等),从而实现在环境、能源领域的广泛应用,并为开发有效且可持续性生产新能源或大宗精细化学品的工艺提供了新机会。但是,电活性微生物的胞外电子传递效率比较低,这已经成为限制微生物电催化系统在工业应用中的主要瓶颈。以下综述了近年来利用合成生物学改造电活性微生物的相关研究成果,阐明了合成生物学如何用于打破电活性微生物胞外电子传递途径低效率的瓶颈,从而实现电活性微生物与环境的高效电子传递和能量交换,推动电活性微生物电催化系统的实用化进程。     

Energy use efficiency of soil microorganisms: Driven by carbon recycling and reduction

Carbon use efficiency (CUE) is being intensively applied to quantify carbon (C) cycling processes from microbial cell to global scales. Energy use efficiency (EUE) is at least as important as the CUE because (i) microorganisms use organic C mainly as an energy source and not as elemental C per se, and (ii) microbial growth and maintenance are limited by energy, but not by C as a structural element. We conceptualize and review the importance of EUE by soil microorganisms and focus on (i) the energy content in organic compounds depending on the nominal oxidation state of carbon (NOSC), (ii) approaches to assess EUE, (iii) similarities and differences between CUE and EUE, and (iv) discuss mechanisms responsible for lower EUE compared to CUE. The energy content per C atom (enthalpy of combustion, the total energy stored in a compound) in organic compounds is very closely (R² = 0.98) positively related to NOSC and increases by 108 kJ mol⁻¹ C per one NOSC unit. For the first time we assessed the NOSC of microbial biomass in soil (−0.52) and calculated the corresponding energy content of −510 kJ mol⁻¹ C. We linked CUE and EUE considering the NOSC of microbial biomass and element compositions of substrates utilized by microorganisms. The mean microbial EUE (0.32–0.35) is 18% lower than CUE (0.41) using glucose as a substrate. This definitely indicates that microbial growth is limited by energy relative to C. Based on the comparison of a broad range of processes of C and energy utilization for cell growth and maintenance, as well as database of experimental CUE from various compounds, we clearly explained five mechanisms and main factors why EUE is lower than CUE. The two main mechanisms behind lower EUE versus CUE are: (i) microbial recycling: C can be microbially recycled, whereas energy is always utilized only once, and (ii) chemical reduction of organic and inorganic compounds: Energy is used for reduction, which is ongoing without C utilization.     

微生物燃料电池在固体废物堆肥中的应用进展

微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)是一种近几年快速发展的废物处理与能源化技术,可以与污水处理、污染物降解、脱盐等环境技术结合。微生物燃料电池与堆肥技术结合可以在处理日益增长的固体废弃物的同时回收能量,具有很好的发展前景。文中分析了堆肥微生物燃料电池系统的微生物特征,探讨了堆肥过程中影响微生物燃料电池产电性能的因素,包括电极,隔膜,供氧和构型。最后归纳说明了堆肥微生物电池作为一种新的废弃物处理技术的特点:较高的微生物量并可产生较高的电流密度;对不同环境的适应性强;可以自身调节温度,能源利用效率高;质子从阳极向阴极的移动会受到不同堆肥原料的影响。     

农田合理投能区域与最优投能配比的研究

研究表明,农田代辅助能投入有一个合理的投区域,在该区域内增加水肥投能可增加产出能和产投比,总产出能的合理投能区域大于产投比的合理投能区域;低产农田的合理投区域大小高产农田,通过人工辅助能的增加,可能低产农田与高产农田一样达到作物的最高产量水。在合理投能区域内存在水分投 效线和肥料投入高效线,在两条线上相应的水分和肥料投入效益最高;也存在最优投能配比线和最优经济投入配比线,在两条线上的水肥投入,其能     

A thermodynamic theory of microbial growth

Our ability to model the growth of microbes only relies on empirical laws, fundamentally restricting our understanding and predictive capacity in many environmental systems. In particular, the link between energy balances and growth dynamics is still not understood. Here we demonstrate a microbial growth equation relying on an explicit theoretical ground sustained by Boltzmann statistics, thus establishing a relationship between microbial growth rate and available energy. The validity of our equation was then questioned by analyzing the microbial isotopic fractionation phenomenon, which can be viewed as a kinetic consequence of the differences in energy contents of isotopic isomers used for growth. We illustrate how the associated theoretical predictions are actually consistent with recent experimental evidences. Our work links microbial population dynamics to the thermodynamic driving forces of the ecosystem, which opens the door to many biotechnological and ecological developments.     

Revival of the biological sunlight‐to‐biogas energy conversion system

In the quest for renewable resources, algae are increasingly receiving attention. Their high growth rate, high CO₂ fixation and their lack of requirement for fertile soil surface represent several advantages as compared to conventional (energy) crops. Through their ability to store large amounts of oils, they qualify as a source for biodiesel. Algal biomass, however, can also be used as such, namely as a substrate for anaerobic digestion. In the present research, we investigated the use of algae for energy generation in a stand‐alone, closed‐loop system. The system encompasses an algal growth unit for biomass production, an anaerobic digestion unit to convert the biomass to biogas and a microbial fuel cell to polish the effluent of the digester. Nutrients set free during digestion can accordingly be returned to the algal growth unit for a sustained algal growth. Hence, a system is presented that continuously transforms solar energy into energy‐rich biogas and electricity. Algal productivities of 24–30 ton VS ha^?1 year^?1 were reached, while 0.5 N m³ biogas could be produced kg^?1 algal VS. The system described resulted in a power plant with a potential capacity of about 9 kW ha^?1 of solar algal panel, with prospects of 23 kW ha^?1. Biotechnol. Bioeng. 2009;103: 296–304. © 2009 Wiley Periodicals, Inc.     

Regulation of energy economy in raccoon dogs and blue foxes: a process of dynamic interactions

1. Seasonal regulation of energy economy was studied in farm-raised blue foxes (Alopex lagopus) and raccoon dogs (Nyctereutes procyonoides; Gray, 1834). 2. Both species exhibited marked seasonal changes in body weight, body energy content, food intake and locomotor activity. Seasonal changes in food efficiency were also evident. 3. The results emphasize the important role of both energy intake and energy expenditure in the regulation process. 4. It can be concluded that regulation of seasonal energy balance is a dynamic process with various interactions between different factors.