解淀粉芽孢杆菌MN-8对玉米秸秆木质纤维素的降解

微生物降解木质纤维素既是生物质资源化利用中的关键问题,也是亟需解决的难点问题.本文在前期获得木质素降解菌——解淀粉芽孢杆菌MN-8菌株的基础上,进一步研究该菌株对玉米秸秆木质纤维素的降解作用.研究利用玉米秸秆粉-MSM培养基对MN-8菌株进行固态发酵,监测发酵过程中木质纤维素酶活力和木质纤维素含量变化情况,并通过傅立叶红外光谱(FTIR)和气质联用色谱(GC/MS)对木质纤维素的降解情况及产物进行分析.结果表明:解淀粉芽孢杆菌MN-8菌株可产生木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶、纤维素酶和半纤维素酶等木质纤维素降解酶,在发酵10～16 d陆续达到酶活力峰值,最高酶活力分别为55.0、16.7、45.4和60.5 U·g-1.发酵24 d后,玉米秸秆中木质素、纤维素和半纤维素的降解率可分别达到42.9％、40.6％和27.1％.FTIR光谱数据表明,玉米秸秆发酵后木质素、纤维素和半纤维素的特征吸收峰强度均有一定程度的下降,表明木质纤维素被部分降解.GC/MS分析结果也证实,解淀粉芽孢杆菌MN-8能有效降解秸秆木质纤维素.MN-8菌株可断裂玉米秸秆木质素单体之间的连接键β-O-4,将秸秆木质素解聚为苯丙胺、苯丙酮和苯丙酸等保留木质素苯丙烷结构的单体化合物,并将部分单体化合物进一步氧化为Cα羰基化合物,如2-氨基-1-苯丙酮和紫丁香基苯乙酮等.在对纤维素和半纤维素降解产物的GC/MS分析中发现,降解产物包含葡萄糖、甘露糖和半乳糖等多种单糖化合物以及甲酸、乙酸、丙酸、1,1-乙二醇和3-羟基丁酸等代谢产物.表明解淀粉芽孢杆菌MN-8对秸秆木质纤维素表现出强降解作用,且该作用依赖于菌株产木质纤维素降解酶的能力.     

根霉菌利用木质纤维素发酵生产有机酸的研究进展*

木质纤维素是世界上储量最丰富、最廉价的可再生生物质资源,利用木质纤维素发酵生产有机酸具有重大的经济效益及社会效益。为发掘影响木质纤维素利用的关键因素,对根霉菌的木糖代谢途径以及利用木质纤维素发酵生产乳酸、富马酸等重要有机酸的生产方式、发酵策略等进行了阐述,指出针对木糖的转化率是制约木质纤维素高效利用的瓶颈。     

担子菌及其木质纤维素降解液在红豆杉细胞培养中的作用

研究了担子菌及其木质纤维素降解液在红豆杉细胞培养中的作用,结果表明,担子菌Ｂｄｓ及其木质纤维素降解液制备的诱导子对紫杉醇生物合成具有明显的促进作用,且以木质纤维素发酵致第７天的降解液对紫杉醇生物合成的诱导作用最明显。因此,可以用担子菌Ｂｄｓ发酵木质纤维素所得的降解液制备紫杉醇生物合成的诱导子。     

青霉生产木质纤维素降解酶系的研究进展

木质纤维素降解酶系的高效生产是实现植物生物质大规模生物炼制的重要支撑。就地生产木质纤维素降解酶,有助于降低其使用成本,提高技术经济效益。青霉是自然界常见的木质纤维素降解真菌,可以合成分泌种类多样、组分齐全的木质纤维素降解酶系,已被应用于纤维素酶制剂的工业生产。文中从就地生产降解酶,为木质纤维素生物炼制构建“糖平台”的角度,综述了青霉木质纤维素降解酶系的性质、菌株遗传改造及发酵工艺的研究进展。     

大肠杆菌对木质纤维素水解液抑制物的胁迫耐受性

木质纤维素类生物质是前景广阔的化石原料替代品，其生物炼制可生产生物能源、生物基化学品和生物材料等多种产品，可降低碳排放，有助于实现“双碳”目标，因此受到越来越多的关注。然而，木质纤维素生物炼制需要经过预处理、微生物发酵和产物纯化等多个步骤，其中，预处理过程产生的多种化合物抑制微生物的细胞生长和发酵性能，是制约生物转化效率的瓶颈之一。大肠杆菌是木质纤维素生物炼制常用的宿主，被广泛应用于多种化合物的生产，研究其对木质纤维素水解液中抑制物的耐受性，对于提高木质纤维素生物炼制效率具有重要意义。本文首先介绍了木质纤维素的主要成分和基本结构，对木质纤维素的预处理方法以及预处理后水解液中的主要抑制物种类进行了简单阐述；随后，总结了木质纤维素水解液中几类主要抑制物呋喃类、羧酸类和酚类对大肠杆菌细胞的毒性，以及大肠杆菌对上述抑制物的胁迫响应机制和基于机制的菌株改造靶点；最后，综述了提高大肠杆菌对上述抑制物的胁迫耐受性的菌株改造策略，包括随机突变、实验室适应性进化和组学辅助的理性设计等，为利用代谢工程构建用于木质纤维素生物炼制的高效大肠杆菌菌株提供参考。     

糖类衍生物催化制备含氧液体燃料和精细化学品

通过生物炼制获取液体燃料和化学品是缓解当前能源危机的有效途径。概述了木质纤维素和甲壳素综合利用方面的研究进展。重点介绍了笔者研究团队在平台化合物加氢制液体燃料、甲壳素类生物质制含氮杂环精细化学品方面的研究成果,并展望了该领域未来的发展方向。     

基于重组策略的一体化生物加工过程最新进展

木质纤维素材料具有储量丰富、原料成本低及可再生等优点,人们期望其能替代石油作为原料来生产多种燃料和化学品,如生物柴油、生物氢、生物乙醇等,而木质纤维素解聚过程的高成本成为实现这一过程的主要障碍。一体化生物加工过程 (Consolidated bioprocessing,CBP) 是指在不添加任何外源水解酶的情况下,直接将木质纤维素原料一步转化为生物化学品的生物加工过程。通过基因工程,将水解酶的生成、木质纤维素的降解和生物产品的生产等功能集成到一个生物体上。对于CBP,人们通常有两种策略可供选择,即本地策略和重组策略。文中重点介绍了基于重组策略的CBP的原理、两种不同的应对方式、合成生物学及代谢工程对其的贡献以及未来所面临的挑战与展望。     

一种木质纤维素类生物质水解重整制备生物汽油的方法

本发明公开了一种以木质纤维素类生物质为原料水解重整制备生物汽油的方法。该方法将木质纤维素类生物质的水解原料液直接进入水相催化重整系统,     

木质纤维素固态酶解过程强化研究进展

高糖浓度、高乙醇发酵浓度、低分离成本及低废水排放是木质纤维素乙醇工业化的必然要求,木质纤维素固态酶解能够满足这一要求。但木质纤维素固态酶解过程仍然存在一些问题,需要从关键技术上实现新突破。文章综述了固态酶解过程抑制物效应,体系流变学性质变化和物质传递效率等问题;探讨了过程强化技术,提出强化固态酶解效率的新策略;介绍了固态酶解新型反应器及中试技术平台,并展望了木质纤维素固态酶解技术发展趋势。     

培菌白蚁菌圃微生物降解木质纤维素的研究进展

白蚁及其共生微生物协同降解植物细胞壁的机理一直被世界各国科学家所关注。培菌白蚁作为高等白蚁,相比低等食木白蚁具有更多样化的食性,其利用外共生系统“菌圃”,对多种植物材料进行处理。本文综述了菌圃微生物降解木质纤维素的研究进展,以期为深入研究菌圃中木质纤维素降解过程及其机制,并挖掘利用菌圃降解木质纤维素的能力及仿生模拟菌圃开发新的生物质利用系统提供参考。培 菌白蚁在其巢内利用由植物材料修建的多孔海绵状结构——“菌圃”来培养共生真菌鸡枞菌Termitomyces spp.,形成了独特的木质纤维素食物降解和消化策略,使木质纤维素在培菌白蚁及其共生微生物协同作用下被逐步降解。幼年工蚁取食菌圃上的共生真菌菌丝组成的小白球和老年工蚁觅得食物并排出粪便堆积到菌圃上成为上层菌圃。这一过程中,被幼年工蚁取食的共生真菌释放木质素降解酶对包裹在植物多糖外部的木质素屏障进行解聚。菌圃微生物(包括共生真菌)对解聚的木质素基团进一步降解,将多糖长链或主链剪切成短链,使菌圃基质自下而上被逐步降解。最后下层的老熟菌圃被老年工蚁取食,其中肠的内源酶系及后肠微生物将这些短链进一步剪切和利用。因此,蚁巢菌圃及其微生物是培菌白蚁高效转化利用木质纤维素的基础。化学层面的研究表明,菌圃能够实现对植物次生物质解毒和植 物纤维化学结构解构。对共生真菌相关酶系的研究显示可能其在菌圃的植物纤维化学结构和植物次生物质的降解中发挥了作用,但不同属共生真菌间其效率和具体功能不尽相同。而菌圃中的细菌是否发挥了作用和哪些细菌类群发挥了作用等仍有待进一步的研究。相比于低等食木白蚁利用其后肠共生微生物降解木质纤维素,培菌白蚁利用菌圃降解木质纤维素具有非厌氧和能处理多种类型食物两大优势,仿生模拟菌圃降解木质纤维素的机制对林地表面枯枝落叶的资源化利用具有重要意义。     

解脂耶氏酵母基于木质纤维素原料生产化学品研究进展*

解脂耶氏酵母具有遗传背景清晰、分子操作体系较为成熟、抗逆性强、底物谱广、有机酸和蛋白质分泌能力强等优点,在微生物发酵生产化学品领域极具应用潜力。木质纤维素是丰富的可再生生物质资源,以木质纤维素原料替代化石原料生产化学品对于缓解全球能源危机、保障粮食安全等意义重大。解脂耶氏酵母可以天然代谢木质纤维素水解产生的葡萄糖,但对其他水解产物(如木糖)的利用效率极低。综述解脂耶氏酵母利用木质纤维素原料的代谢途径及改造策略,以木质纤维素原料生产化学品为例,重点讨论该过程中的主要瓶颈问题及解决办法,为后续研究提供参考。     

真菌降解木质纤维素的功能基因组学研究进展

木质纤维素利用的核心问题之一是生物质的降解,即如何将生物质由高聚大分子降解为可发酵的小分子糖,又称为糖化。自然界中向胞外大量分泌降解生物质酶类的微生物主要是真菌,研究真菌木质纤维素降解途径的分子机理对生物质的综合利用意义重大,是木质纤维素能否实现全面生物炼制的关键之一。以下将针对真菌降解木质纤维素的研究进展,特别是对利用功能基因组学所取得的进展进行评述。     

木质纤维素资源化主要途径及半纤维素优先资源化利用策略

木质纤维生物质是地球上最丰富的可再生资源,可转化为能源、化学品和材料,开发木质纤维生物质有利于废弃物的高值化利用和缓解目前面临的环境污染等问题。木质纤维素主要包括纤维素、半纤维素和木质素,将其主要组分进行高效分离,是实现多元化、高值化生物精炼的基础。基于此,笔者简要总结了目前主要的木质纤维素资源化途径,如基于纤维素资源化、基于半纤维素资源化、基于木质素资源化、基于碳水化合物资源化以及全组分资源化的研究策略。依据半纤维素在植物细胞壁中承担的角色,结合前期的研究基础,提出半纤维素优先原位催化转化的木质纤维素生物炼制新策略,实现半纤维素的高选择性溶出和高效转化,保留结构完整的纤维素和木质素分级转化为小分子化学品和材料,最终实现资源生物量全利用,多元化产品联产的目的。     

木质纤维素预处理抑制物产生及脱除方法的研究进展

利用纤维素酶将木质纤维素降解成可发酵性糖,然后发酵生产氢气、乙醇、丁醇等生物燃料及高附加值产品,是当今全球研究的热点。预处理是生物质转化过程中至关重要的步骤,而预处理过程中产生的抑制物对木质纤维素后续的酶解和发酵微生物有负面影响。因此了解预处理方法及其过程中产生的抑制物及脱除方法是能否高效转化生物质的基础。文中首先介绍了木质纤维素常用的两类预处理方法即化学法和物理化学法。随后阐述了不同抑制物的产生及其抑制机制,并重点介绍了多种脱毒方法。最后展望了脱除木质纤维素预处理抑制物的研究趋势:应用交联聚乙烯亚胺和金属有机骨架化合物等新型材料脱除抑制物或通过基因工程、代谢工程技术等构建抑制物耐受性菌株等。     

糠醛和5-羟甲基糠醛对大肠杆菌产丁二酸的影响

利用可再生生物质特别是木质纤维素水解液来生产平台化合物丁二酸,是目前研究的热点。虽然许多研究者相继报道了木质纤维素水解液对菌株生长和丁二酸生产存在一定抑制作用,但并没有水解液中各种抑制物对菌株影响的相关动力学研究及机理研究。我们选择了两种代表性木质纤维素水解液抑制物,即糠醛和5-羟甲基糠醛,系统研究了它们对大肠杆菌的生长和丁二酸生产的影响。结果表明：糠醛和5-羟甲基糠醛的初始抑制浓度均为0.8 g/L。当糠醛浓度大于6.4 g/L,5-羟甲基糠醛浓度大于12.8 g/L时,菌株生长完全受到抑制。在最高耐受浓度下,糠醛的存在使菌株生物量比对照菌株下降77.8%,丁二酸产量下降36.1%。5-羟甲基糠醛的存在使菌株生物量比对照菌株降低13.6%,丁二酸产量降低18.3%。糠醛和5-羟甲基糠醛具有明显的协同作用。体外酶活测定表明丁二酸生产途径中关键酶磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶、苹果酸脱氢酶、富马酸还原酶均受糠醛和5-羟甲基糠醛抑制。研究结果对丁二酸生产用纤维素水解液的预处理和脱毒工艺开发具有指导作用,有利于实现丁二酸发酵生产的工业化。     

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。     

生物质生物预处理研究进展与展望

木质纤维素生物质分布广、产量大、可再生,用于制备生物基能源、生物基材料和生物基化学品。木质纤维素生物质组成复杂,包含纤维素、半纤维素和木质素等,木质素与半纤维素通过共价键、氢键交联形成独特的“包裹结构”,纤维素含有复杂的分子内与分子间氢键,上述因素制约着其资源化利用。生物预处理以其独特优越性成为生物质研究的重要方面。系统阐述了生物预处理过程中木质素降解和基团修饰对纤维素酶解的影响,纤维素含量及结晶区变化,半纤维素五碳糖利用,微观物理结构的改变。进一步提出了以生物预处理为核心的组合预处理、基于不同功能的多酶协同催化体系、木质纤维素组分分级利用和新型高效细菌预处理工艺是生物预处理未来发展的重要趋势。     

工业酵母抗逆机理研究进展

工业酵母利用木质纤维素等生物质资源发酵生产醇、酮、醛、酸等各种化合物,是解决人类面临的不可再生资源和能源危机的重要途径,这激发了人们对木质纤维素水解液为原料和环保节能型浓醪发酵技术的极度关注。然而高浓度底物、产物、渗透压、木质纤维素水解液中抑制性物质、发酵过程温度的提高均会抑制微生物生长代谢及发酵性能,这是发酵行业"瓶颈"问题。本文简述了渗透压、温度及抑制性物质对酵母细胞生长的危害,并从胞内稳态平衡、分子水平等方面着重叙述工业酵母对渗透压、温度及抑制性物质的抗逆机制研究进展。     

微生物利用木质纤维素的研究进展

木质纤维素原料是世界上最为丰富的资源之一,可用作微生物发酵生产高附加值生物化学品的原料。与传统用于微生物发酵的可食用生物质原料相比,目前微生物利用木质纤维素还存在以下几个关键问题:开发经济有效的木质纤维素预处理工艺、提高微生物对木质纤维素水解液中第二大单糖木糖的有效利用水平、增强微生物对木质纤维素水解液中混糖的综合利用能力以及提高微生物对木质纤维素水解液中糠醛、乙酸等发酵抑制物的耐受能力。综述了近年来国内外针对这几个关键问题的最新研究成果。为今后微生物大规模利用木质纤维素进行商业生产提出了展望和建议。     

嗜热性木质纤维素酶在纤维素乙醇生产中的研究进展

聚焦于嗜热性木质纤维素酶在纤维素乙醇生产中的应用,归纳了限制纤维素乙醇商业化的技术瓶颈,简单介绍了嗜热性木质纤维素酶的特点,重点介绍了嗜热性木质纤维素酶在筛选、修饰、固定化、异源表达、代谢调控以及协同作用中的研究进展,讨论了嗜热性木质纤维素酶在纤维素乙醇生产中发挥的作用。最后,提出了嗜热性木质纤维素酶在纤维素乙醇生产中面临的问题并展望了其应用前景。