生物工程强化微生物电合成转化CO2的研究进展

微生物电合成(Microbial electrosynthesis,MES)可直接利用电能驱动微生物还原固定CO_2合成多碳化合物,为可再生新能源转化、精细化学品制备和生态环境保护提供新机遇。但是,微生物吸收胞外电极电子速率慢、产物合成效率低和产品品位不高,限制了MES实现工业化应用。在概述阴极电活性微生物吸收胞外电子的分子机制的基础上,重点综述近5年应用生物工程的理论和技术强化MES用于CO_2转化的策略与研究进展,包括改造和调控胞外电子传递通路和胞内代谢途径以及定向构建有限微生物混合培养菌群三方面,阐明了生物工程可有效突破MES中电子传递慢和可用代谢途径相对单一等瓶颈。针对目前生物工程在改进MES所面临的主要问题,从胞外电子传递机理研究、基因工具箱开发、组学技术与现代分析技术联用等角度展望了今后的研究方向。     

微生物利用CO2的研究进展

微生物利用CO₂,这不仅提高了自然界碳的利用率,而且能将CO₂转化为高附加值产品,可以实现资源的再利用。利用现代生物技术改造微生物以提高CO₂的利用效率对生物制造和实现碳中和有一定的促进作用。本文首先总结了微生物利用CO₂的6个主要天然途径,并分析这些途径的优缺点,这是对相关途径进行改造的基础;其次提供克服天然途径中碳原子利用率低、能耗高、产品得率低等问题的方法;再次阐述了面向CO₂高效利用的合成生物技术研究方向以及途径改造的主要策略和效果;最后展望了微生物利用CO₂的机遇及挑战,以期为改造微生物提高CO₂利用效率和高附加值产品的生产奠定基础。     

微藻固定燃烧烟气中CO2 的研究进展

空气中CO2浓度升高导致的气候变暖问题已经成为全球性的环境、科学、政治、经济问题。近年来,对可用于直接固定工业废气尤其是燃烧烟气中CO2的捕捉和封存 (CCS) 技术进行了广泛的研究。在这些技术中,微藻生物固定CO2是一种具有大规模应用前景和经济上可行的CCS技术。以下从藻种的筛选、烟气条件对微藻固定CO2的影响、高效光生物反应器的开发和微藻产物的利用等方面对微藻生物固定烟气中CO2的现状和发展以及作者所在实验室在这一领域的研究情况进行了分析和总结,最后对其技术前景进行了展望,以期对微藻固定燃烧烟气中CO     

微藻固定CO2研究进展

空气中CO₂ 浓度升高所导致的温室效应已成为重大的环境问题 ,受到人们普遍关注。概述了高效固定CO₂ 微藻藻种的筛选和培养方法 ,分析了微藻固定CO₂ 的无机碳利用形式和浓缩机制 ,讨论了高效光生物反应器设计和运行目标 ,简要介绍了微藻 (酶 ) 膜生物反应器集成新技术。并认为今后的研究方向主要是在进一步探索微藻固定CO₂ 有关机理的基础上 ,构建高效固定CO₂ 的转基因微藻 ,开发高效膜生物反应集成系统。     

有关微生物固定CO2技术及其应用探索

本文首先介绍了固定CO2的意义及方法,然后分析了微生物固定CO2技术流程,接下来阐述了微生物种群及生物反应器类型,最后重点讨论了微生物固定CO2的应用(以微型藻类在CO2吸收与资源化中的应用为例),以期为同行提供有益借鉴与参考。     

利用微藻固定CO2实现碳减排的研究进展

CO2减排是目前社会经济发展所面临的重大环境问题之一,如何高效、绿色地进行减排已成为各国科研工作者关注与研究的热点。利用微藻技术进行减排符合碳循环规律,显示出很好的应用前景。本文结合笔者近年在利用微藻技术进行碳减排方面的研究工作,从固定CO2的微藻选育、微藻的培养、微藻减排在光生物反应器方面的开发以及CO2减排与污水深度处理及高价值生物质生产的耦合等4个方面对近些年来国内外在利用微藻技术实现CO2减排方面的研究情况进行了归纳与评述,并对前景进行了展望。     

代谢工程改造异养微生物固定CO2研究进展

环境保护和能源供应是人类关心的两大问题。能源消耗释放出的温室气体对环境造成了严重影响。利用CO_2固定途径可将CO_2转化成燃料或化学品。天然固碳生物通常存在生长缓慢、固碳效率低等问题。通过在模式微生物中增强或重构CO_2固定途径,实现CO_2的再循环,可提高燃料或化学品的产量,减少温室气体排放。文中详细介绍了通过代谢工程手段改造CO_2固定途径改善化学品生产以及糖合成,阐述了相关代谢途径及其中的关键酶在CO_2固定中的作用,介绍了电生化合成系统的应用,显示出CO_2固定的巨大潜力,并展望了未来CO_2固定的研究方向。     

合成生物学在化工新材料领域的应用及展望

材料是一切经济活动的基础,每一次社会变革都伴随着材料的更新迭代。化工材料多以石油为原料制得,但是这种工艺路线碳排放量大。合成生物学的发展得益于学科交叉和技术创新,是新一轮的材料革命推动者,用生物合成的方式,改变传统的石油化工生产工艺,为材料科学的发展注入了新的动力。围绕合成生物学在化工新材料中的应用,重点介绍了合成生物学在高分子材料领域的发展和产业化情况,以期探究未来新材料在碳中和背景下的发展路径。     

微生物异源合成植物异喹啉生物碱的新进展

植物异喹啉生物碱(plant isoquinoline alkaloids,PIAs)包括吗啡、可待因、加兰他敏及小糵碱等药用活性产物和其他天然活性产物。从植物中提取异喹啉生物碱,受制于低含量、种植季节及提取方法。人们开始研究利用微生物异源合成和改造天然异喹啉生物碱,从而获得低成本的药用活性物质。异喹啉生物碱合成途径长,反应复杂,为实现微生物异源合成带来了诸多挑战。随着合成途径和酶的解析和鉴定,合成生物学技术为在微生物中合成异喹啉生物碱提供了可能。综述了PIAs合成途径解析的最新进展,以及微生物异源合成PIAs的代谢工程策略,讨论了目前存在的问题和未来的发展趋势。     

芳香类天然产物的合成生物学研究进展

植物芳香类天然产物具有重要的药用价值,可制成具有抗菌、抗炎、镇痛、抗氧化、杀虫驱虫、祛痰止咳、安神镇静和抗肿瘤等药效的医药保健用品.然而,由于植物中芳香类天然产物含量较低并且难以提取和纯化,严重限制了其工业化生产及应用.合成生物学和代谢工程技术的发展为天然产物的生产提供了新的思路,可以利用人工微生物细胞工厂来实现多种芳...     

岩溶区土壤微生物驱动的自养固碳过程与机制研究进展

自养微生物能够利用无机碳作为碳源合成自身营养物质,具有很强的环境适应能力,在富钙偏碱的岩溶区土壤的碳固定过程中扮演重要角色.本文综述了土壤微生物驱动的自养固碳过程、岩溶区土壤固碳功能微生物、自养固碳的分子机制及其产生的生态环境效应,并提出了亟待解决的关键科学问题.为深入研究和认识岩溶区土壤生态系统自养微生物驱动的固碳过...     

Non-phototrophic CO 2 fixation by soil microorganisms

Although soils are generally known to be a net source of CO₂ due to microbial respiration, CO₂ fixation may also be an important process. The non-phototrophic fixation of CO₂ was investigated in a tracer experiment with ¹⁴CO₂ in order to obtain information about the extent and the mechanisms of this process. Soils were incubated for up to 91 days in the dark. In three independent incubation experiments, a significant transfer of radioactivity from ¹⁴CO₂ to soil organic matter was observed. The process was related to microbial activity and could be enhanced by the addition of readily available substrates such as acetate. CO₂ fixation exhibited biphasic kinetics and was linearly related to respiration during the first phase of incubation (about 20–40 days). The fixation amounted to 3–5% of the net respiration. After this phase, the CO₂ fixation decreased to 1–2% of the respiration. The amount of carbon fixed by an agricultural soil corresponded to 0.05% of the organic carbon present in the soil at the beginning of the experiment, and virtually all of the fixed CO₂ was converted to organic compounds. Many autotrophic and heterotrophic biochemical processes result in the fixation of CO₂. However, the enhancement of the fixation by addition of readily available substrates and the linear correlation with respiration suggested that the process is mainly driven by aerobic heterotrophic microorganisms. We conclude that heterotrophic CO₂ fixation represents a significant factor of microbial activity in soils.     

Metabolism of homoacetogens

Homoacetogenic bacteria are strictly anaerobic microorganisms that catalyze the formation of acetate from C₁ units in their energy metabolism. Most of these organisms are able to grow at the expense of hydrogen plus CO₂ as the sole energy source. Hydrogen then serves as the electron donor for CO₂ reduction to acetate. The methyl group of acetate is formed from CO₂ via formate and reduced C₁ intermediates bound to tetrahydrofolate. The carboxyl group is derived from carbon monoxide, which is synthesized from CO₂ by carbon monoxide dehydrogenase. The latter enzyme also catalyzes the formation of acetyl-CoA from the methyl group plus CO. Acetyl-CoA is then converted either to acetate in the catabolism or to cell carbon in the anabolism of the bacteria. The homoacetogens are very versatile anaerobes, which convert a variety of different substrates to acetate as the major end product.     

四吡咯化合物生物合成研究进展

四吡咯化合物是存在于生物体中一类具有重要功能的化合物,已经广泛应用于农业、食品和医药等领域.由于化学合成法的烦琐流程和高昂成本以及动植物提取法存在品质不均一等缺点,大幅度限制了其工业化生产与相关应用.近年来,合成生物学的快速发展为微生物利用可再生生物质资源高效合成四吡咯化合物提供了新的技术手段.针对四吡咯化合物生物合成...     

燃料乙醇工程菌的代谢工程进展

能源问题是现今经济发展面临的主要问题之一,伴随着21世纪生物发展的步伐,基于微生物合成生物学、蛋白组学和代谢组学的研究进展,利用组合基因的无标记基因删除与重组DNA等技术,构建以廉价的可再生生物原料为碳源、高效合成生物乙醇的发酵工程菌已成为研究热点。我们简要总结了以大肠杆菌、啤酒酵母和运动发酵单胞菌为宿主的乙醇代谢工程改造的相关进展。     

地质封存二氧化碳与深地微生物相互作用研究进展

地质封存将工业和能源相关领域生产活动产生的二氧化碳（CO₂）进行捕集并注入到深部地下岩石构造中,以实现长期储存的目标,是降低温室气体排放、实现CO₂长期封存的重要可行性手段之一。向深部地下地质构造中注入大量CO₂会导致深地环境发生显著变化,进而引起原生微生物活性及群落结构发生明显改变。因此,地质封存CO₂能够直接或间接影响深地微生物驱动的生物地球化学过程。同时,微生物在短期和长期的超临界CO₂（scCO₂）胁迫作用下,也会通过不同的适应性进化方式影响CO₂在地下环境中的迁移、转化和赋存形态。本文介绍了国内外二氧化碳捕获与封存发展现状以及地质封存CO₂影响条件下的scCO₂-水-微生物-矿物的相互作用领域的最新科研进展,并展望了利用深地微生物强化CO₂固定以及将其转化为高附加值产物的潜力。     

Homeostatic regulation upon changes of enzyme activities in the Calvin cycle as an example for general mechanisms of flux control. What can we expect from transgenic plants?

In order to explain the mechanisms of Calvin-cycle regulation, the general properties of metabolic systems under homeostatic flux control are analyzed. It is shown that the main characteristic point for an enzyme in such a system can be the value of a sharp transition from some constant homeostatic flux to a limitation by this enzyme. A special method for the quantitative treatment of the experimental dependence of a metabolic flux such as photosynthesis on enzyme content is developed. It is pointed out that reactions close to a thermodynamic equilibrium under normal conditions can considerably limit the homeostatic fluxes with a decrease of the enzyme content. Calvin-cycle enzymes are classified as non-limiting, near-limiting and limiting. The deduced rules for the regulation of a homeostatic metabolic pathway are used to explain the data obtained for transgenic plants with reduced activities of Calvin-cycle enzymes. The role of compensating mechanisms that maintain the photosynthesis rate constant upon the changes of enzyme contents is analyzed for the Calvin cycle. The developed analysis explains the sharp transitions between limiting and non-limiting conditions that can be seen in transgenic plants with reduced content of some Calvin-cycle enzymes, and the limiting role of such reversible enzymes as aldolase, transketolase and others. The attempt is made to predict the properties of plants with increased enzyme contents in the Calvin cycle.