不同生境微生物转化H2/CO2产乙酸及其在合成气发酵中应用

【目的】合成气发酵对大力开发可再生资源和促进国家可持续发展具有重要意义,研究旨在探究不同生境微生物转化H2/CO2产乙酸及其合成气发酵的潜力。【方法】采集剩余污泥、牛粪、产甲烷污泥和河道底物样品在中温(37 °C)条件下生物转化H2/CO2气体,将来源于牛粪样品的H2/CO2转化富集物用于合成气发酵,通过454高通量技术和定量PCR技术分析复杂微生物群落的组成,GC气相色谱法检测气体转化产生的挥发性脂肪酸(VFAs)浓度。【结果】牛粪和剩余污泥微生物利用H2/CO2气体生成乙酸、乙醇和丁酸等,最高乙酸浓度分别为63 mmol/L和40 mmol/L,明显高于河道底物和产甲烷污泥样品的最高乙酸浓度3 mmol/L和16 mmol/L。牛粪和剩余污泥微生物中含有种类多样化的同型产乙酸菌,剩余污泥中同型产乙酸菌主要为Clostridium spp.、Sporomusa malonica和Acetoanaerobium noterae,牛粪中则为Clostridium spp.、Treponema azotonutricium和Oxobacter pfennigii。【结论】同型产乙酸菌的丰富度和数量两个因素都对复杂微生物群落转化H2/CO2产乙酸效率至关重要;转化H2/CO2得到的富集物可用于合成气发酵产乙酸和乙醇,这为基于混合培养技术的合成气发酵提供了依据。     

筛选生物转化H_2/CO_2气体产乙酸的同型产乙酸菌混培物

同型产乙酸菌是一类具有巨大工业应用潜力的微生物类群,可利用合成气生成乙醇和乙酸等燃料和化学品。本研究采集城市污泥样品利用Hungate滚管法进行同型产乙酸菌的筛选,并利用其进行H2/CO2气体的生物转化,研究了p H对其乙酸和乙醇生成情况的影响。结果表明,所获得的同型产乙酸菌混培物组成为永达尔梭菌,纺缍形赖氨酸芽胞杆菌和蜡样芽胞杆菌等。该混培物最适p H为5-7。p H为7时混培物利用H2/CO2气体得到乙酸浓度可达到31.69 mmol/L。本研究获得了一种可利用H2/CO2合成乙酸的同型产乙酸菌混培物,为合成气生物转化的工业应用提供了有效的微生物资源。     

初始pH值对产氢产乙酸/耗氢产乙酸两段耦合工艺定向生产乙酸的影响

以葡萄糖为底物,以经加热预处理并活化过的厌氧污泥为种泥,研究了初始pH值对产氢产乙酸/耗氢产乙酸两段耦合工艺厌氧发酵定向生产乙酸的影响。实验考察了7个初始pH值(5、6、7、8、9、10、11)条件下的底物降解、产物产生和发酵过程pH值的变化。结果表明:产氢产乙酸段初始pH值的变化不仅影响本阶段产酸,而且影响耗氢产乙酸段产酸。初始pH=5时主要进行乙醇型发酵;pH=6和7时主要进行丁酸型发酵;pH=8时混合酸型发酵类型逐渐占优势,pH=8~11时均以乙酸为主要产物,耦合系统生产乙酸最优初始pH值为10。在初始pH=8~11范围内,产氢产乙酸段初期的乙醇浓度一般较高,但到后期因乙醇被微生物进一步代谢转化成乙酸而使其含量下降。     

污泥厌氧消化产酸发酵过程中乙酸累积机制

[目的]研究污泥厌氧消化产挥发性脂肪酸(VFA)过程中的有机物碳流的转化机制,阐明乙酸累积机理。[方法]研究溴乙烷磺酸盐(BES)和氯仿(CHCl3)抑制模型下中间代谢产物和气体的累积,检测各产乙酸功能菌群数量,推断污泥产酸发酵过程中的有机物碳流方向和乙酸累积机理。[结果]BES模型乙酸浓度达27 mmol/L,fhs基因拷贝数比对照组高2-3倍,产氢产乙酸菌略有下降。CHCl3模型乙酸浓度达22 mmol/L,fhs基因拷贝数比BES组低一个数量级,产氢产乙酸菌下降明显。[结论]BES特异性较高,除产甲烷菌外对其他厌氧产酸细菌没有影响,乙酸浓度增加并且其主要来源于水解发酵产酸以及同型产乙酸过程。氯仿除抑制产甲烷菌外,对同型乙酸菌和产氢产乙酸菌也有强烈的抑制作用。     

产氢产乙酸菌ZR-1 的分离鉴定及产酸特性

采用改良的亨盖特厌氧操作技术, 从有机废水污泥中分离到一株耐低温高效产氢产乙酸菌ZR-1。经过对其形态学观察、生理生化特征研究及16S rRNA 序列比对, 初步鉴定为梭状芽胞杆菌属的乙二醇梭菌(Clostridium glycolicum)。通过单因子实验, 在厌氧条件下对该菌株的培养温度、pH、最适底物、金属离子的影响等产酸条件进行了优化。结果表明该菌株最适生长温度37 °C,最佳培养基初始pH 值8.5, 最适发酵底物丁酸盐, Mn²⁺对其产酸有一定的激活作用。最适培养条件下丁酸盐降解率达到12.7%, H₂ 含量达到了28.73%。     

酒色着色菌利用产酸克雷伯氏菌发酵废液产氢

研究了酒色着色菌(Chromatiumvinosum DSM185)利用产酸克雷伯氏菌(Klebsiellaoxytoca HP1)发酵产氢废液进行光发酵和暗发酵产氢的可行性,以达到对产氢底物的充分利用和对产氢废液的进一步处理。研究结果表明C.vinosum可以利用K.oxytoca的发酵废液进行光发酵产氢和暗发酵产氢。C.vinosum发酵产氢后废液中残余还原糖和主要有机酸(丁酸)的含量明显降低,发酵产氢的最佳pH为6.5,添加0.1%(W/W)NH4Cl能促进产氢。在光照条件下丁酸利用率可达54.38%,产氢量达36.97mL/mg;在黑暗条件下丁酸利用率可达36.01%,产氢量达37.50mL/mg。     

酒色着色菌利用产酸克雷伯氏菌发酵废液产氢

研究了酒色着色菌(Chromatium vinosum DSM185)利用产酸克雷伯氏菌（Klebsiella oxytoca HP1）发酵产氢废液进行光发酵和暗发酵产氢的可行性,以达到对产氢底物的充分利用和对产氢废液的进一步处理。研究结果表明C.vinosum可以利用K.oxytoca的发酵废液进行光发酵产氢和暗发酵产氢。C.vinosum发酵产氢后废液中残余还原糖和主要有机酸（丁酸）的含量明显降低,发酵产氢的最佳pH为6.5,添加0.1%(W/W)NH₄Cl能促进产氢。在光照条件下丁酸利用率可达54.38%,产氢量达36.97 mL/mg;在黑暗条件下丁酸利用率可达36.01%,产氢量达37.50mL/mg。     

一株产酸蜡样芽孢菌的筛选鉴定及发酵条件优化

从牛粪中分离得到一株产酸芽孢菌GF1,经鉴定为蜡样芽孢杆菌,该菌株发酵最低pH值可达到4.25,发酵最终芽孢率可达到90%以上,对该菌株液体发酵培养发现GF1具有良好的生长性能,通过优化培养条件和培养基中的C源、N源,最终确定GF1发酵条件为:发酵液初始pH值7.5,摇床转速220 r/min,培养温度35℃,培养时间48 h,配方为:酵母膏0.5%,蛋白胨0.6%,葡萄糖1.0%,K2HPO4 0.5%,MgSO4 0.02%,MnSO40.08%.     

古菌在红树林沉积物中的多样性及其碳代谢机制

红树林湿地生态系统具有维持生物多样性、净化环境及维持海岸带生态平衡等多种功能。古菌普遍存在于红树林沉积物中,在元素的生物地球化学循环中发挥着重要作用。古菌具有丰富的碳代谢多样性,能固定CO_2,参与甲烷循环,产乙酸,降解蛋白质、多聚碳水化合物等有机质,但目前对于红树林沉积物中古菌碳代谢的研究才刚刚起步。高通量测序技术的快速发展促进了大量新的古菌门类的发现,这些新的古菌门类具备多样的碳代谢潜力。本文简要概述古菌的主要类群与分布,综述国内外有关古菌碳代谢多样性的最新研究进展,并阐明这些古菌在红树林生态系统中的生态分布和功能特征,为进一步探究古菌代谢机制提供知识基础。     

丝状真菌形态控制及其在发酵过程优化中的应用

丝状真菌广泛用于发酵产业,在液体深层发酵过程中,其生长形态与产物种类及产量间存在重要关联,成为发酵过程调控的热点。采用数学模型解释丝状真菌的形态发育与调控机制,是近年来工程学界颇为关注的研究手段。本文结合自己的工作着重解释丝状真菌各种生长形态的生长机理及形态发育的数学描述方式,以及如何采用数学模型描述丝状真菌发酵过程中产物、形态及环境的关联,最终实现形态的控制,完成生物发酵过程优化。具体包括:1)丝状真菌的生长机制;2)形态发育数学模型在发酵过程优化中的应用;3)控制丝状真菌形态的策略。     

一碳气体利用微生物及其基因工程改造

一碳气体主要包括CO、CO_(2)和CH_(4)等,这些气体来源于陆地生物活动、工业废气以及气化合成气等,其中CO_(2)与CH_(4)是温室气体,对全球气候变化有着重要的影响。利用微生物进行一碳气体生物转化既可以解决废气排放的问题,又能生产燃料及多种化学品。近年来,运用CRISPR/Cas9等基因编辑技术对一碳气体利用微生物进行改造,是提高它们的产物得率、增加产物类型的重要途径。本文主要围绕甲烷营养菌、自养乙酸菌、一氧化碳营养菌等一碳气体利用微生物,综述了其生物学特性、好氧和厌氧代谢途径、代谢产物,以及常用的基因编辑技术(利用同源重组的基因中断技术、二类内含子ClosTron法、CRISPR/Cas基因编辑及以噬菌体重组酶介导的DNA大片段引入等)在它们中的应用,为后续相关研究提供参考。     

人工智能时代发酵优化与放大技术的机遇与挑战

人工智能(artificial intelligence, AI)技术正引发一场新的产业革命,其成功应用正从信息产业迅速渗透到各行各业。传统的发酵工程技术受到巨大挑战的同时更多地迎来了发展变革的机遇。首先,合成生物技术飞速发展使高性能菌株的可获得性及获取效率显著提升,对传统低效的发酵优化放大技术提出很大挑战,亟需对发酵优化放大技术进行升级,以满足高通量菌种性能验证及工艺开发能力的需求;其次,发酵装备技术的持续发展为高效发酵优化技术的进步奠定了良好基础,加之人工智能技术特别是数字孪生与知识图谱等技术的应用,将为传统发酵技术的颠覆性发展带来巨大推动力。本文分别从合成生物时代对发酵优化技术的挑战、发酵优化与放大的核心技术、高通量发酵装备技术、数据可视化技术、数字孪生及知识图谱等智能技术在发酵优化放大中的应用等几个方面进行综述,并对未来工业发酵优化技术的场景以及未来发酵技术对人才培养等提出的新要求进行了展望。     

Data and knowledge based experimental design for fermentation process optimization

A novel method for the sequential experimental design in order to optimize fed-batch fermentations was applied to a hyaluronidase fermentation by Streptococcus agalactiae. A Λ-optimal design was introduced to minimize the model parameter estimation error and to maximize the performance of the fermentation process. The method employs hybrid models that contain mechanistic, fuzzy and neural network components.     

苯胺降解菌的筛选、降解特性及其发酵优化

【背景】近年来,苯胺类化合物加重了生态环境的污染,而生物法处理苯胺类废水具有较大发展潜力与广阔的应用前景。【目的】从长期受苯胺类化合物污染的活性污泥中分离获得一株能高效降解苯胺的菌株,优化其培养基及降解条件,为苯胺生物修复提供菌株与基因资源。【方法】采用平板法从富集驯化的菌株中筛选出以苯胺为唯一碳氮源和能源的高效降解菌,通过16S rRNA基因测序鉴定菌种,利用单因素筛选实验对降解条件进行优化,通过正交试验优化培养条件。【结果】筛选到一株苯胺降解菌BA-6,经鉴定为微杆菌属(Microbacterium)。菌株BA-6对初始浓度为600mg/L苯胺的日降解率可达98%以上。其高效降解的温度范围是30–37℃,pH范围是6.5–7.5。底物利用实验表明,菌株BA-6具有降解多种苯胺类化合物的能力。发酵培养基优化实验获得一种发酵培养基,活菌量高达3.06×10¹⁰CFU/mL。【结论】苯胺降解菌BA-6对苯胺有较强的降解能力和环境调节能力,在修复苯胺类化合物的生态污染方面有一定的应用前景。     

谷氨酰胺转胺酶发酵条件的优化研究

通过优化种子培养条件和发酵培养基组分使谷氨酰胺转胺酵产酶水平有了很大的提高,确定种龄为20－24h,接种量8％左右。发酵培养基含淀粉15g/L、葡萄糖15g/L、蛋白胨25g/L、酵母膏3g/L、无水硫酸镁2g/L、磷酸氢二2g/L,无水磷酸二氢钾2g/L,24－28h添加质量浓度为0．5％的硫酸铵,在10L发酵罐实验中,验证了溶解氧对MTG合成至关重要,确定较适宜通气量1：1．25vvm,搅拌转速300mr/min,最高产酶单位最终稳定在3．2u/mL,放罐时间在44－46h左右较适宜。     

Kinetics of microbial product formation and its consequences for the optimization of fermentation processes

Different types of product formation kinetics are discussed with respect to their significance for fermentation process economics. Microbial products belonging to various classes are formed in a growth-coupled manner. It is often found that the specific rate of product formation increases with the specific growth rate, approaching a maximum at higher growth rates. It is illustrated that for such types of relationship between the product formation rate and the growth rate process conditions are optimal when the specific rate of product formation is about half-maximal.     

重组昆虫病原细菌Cip蛋白基因工程菌发酵条件的初步研究

昆虫病原细菌产生两种胞内晶体蛋白CipA和CipB,为新型的生物农药——昆虫病原线虫提供必需的营养。在已构建原核表达载体pET-15b-cipA和pET-15b-cipB的基础上,研究了这两种重组载体在不同宿主菌中的表达情况,重组菌的生长特性,摇瓶培养时表达重组Cip蛋白工程菌的发酵条件。结果显示:以E.coli BL21(DE3)为宿主菌,在LB培养基中培养至OD600为0.8～1.0时,1 mmol/L IPTG诱导8 h,CipA和CipB的表达量可达30.9%和32.6%,重组质粒具有良好的分离稳定性和结构稳定性。     

Role of ultrasound in assisted fermentation technologies for process enhancements

Abstract

Biological molecules are widely produced by fermentation technology using bacteria, fungi or yeast. Fermentation is a biochemical process wherein the rate of bioconversion is governed by the organisms involved. The growth of the organism is mainly limited by mass transfer rates of nutrients and gases that directly affect the product formation in fermentation. Attempts have been made to enhance the growth rate and yield using mutational, recombinant strain development approach at microbial level as well as fed batch and continuous processing approach at bioprocess level in the past. The growth rate of microbes can be accelerated by increased mass transfer rates and cell wall permeability with the use of controlled low frequency ultrasound irradiation. The present review provides insights into the application of acoustic cavitation in process intensification of fermentation approaches and the role of various factors involved are highlighted with typical examples.     

Process optimization of continuous gluconic acid fermentation by isolated yeast-like strains of Aureobasidium pullulans

This study was focused on the optimization of a new fermentation process for continuous gluconic acid production by the isolated yeast-like strain Aureobasidium pullulans DSM 7085 (isolate 70). Operational fermentation parameters were optimized in chemostat cultures, using a defined glucose medium. Different optima were found for growth and gluconic acid production for each set of operation parameters. Highest productivity was recorded at pH values between 6.5 and 7.0 and temperatures between 29 and 31 degrees C. A gluconic acid concentration higher than 230 g/L was continuously produced at residence times of 12 h. A steady state extracellular gluconic acid concentration of 234 g/L was measured at pH 6.5. 122% air saturation yielded the highest volumetric productivity and product concentration. The biomass-specific productivity increased steadily upon raising air saturation. An intracellular gluconic acid concentration of about 159 g/L (0.83 mol) was determined at 31 degrees C. This is to be compared with an extracellular concentration of 223 g/L (1.16 mol), which indicates the possible existence of an active transport system for gluconic acid secretion, or the presence of extracellular glucose oxidizing enzymes. The new process provides significant advantages over the traditional discontinuous fungi operations. The process control becomes easier, thus offering stable product quality and quantity.