纤维素乙醇生产重组酿酒酵母菌株的构建与优化研究进展

寻找化石能源的替代品以及开发和利用生物能源已引起国内外研究者的广泛关注。提高酿酒酵母利用来源广泛、贮存丰富的农林废弃物等木质纤维素原料生产燃料乙醇的效率是生物能源的重要研究内容,但是,重组酿酒酵母木糖发酵性能低是限制纤维素乙醇经济性的关键问题。本文总结了酿酒酵母中木糖代谢途径的构建和优化以及木糖转运对木糖利用的影响,分析了重组酵母利用纤维素水解液进行乙醇发酵的研究现状,并对进一步提高重组酿酒酵母纤维素乙醇生产效率的研究趋势进行了展望。目前国内外已经构建了可有效利用木糖产乙醇的重组酵母,但对其木糖代谢机制的研究还尚未深入,限制了重组菌株的定向改造。此外,目前缺少在纤维素生物质水解液发酵实际应用过程中对重组菌株的评价。因此,加强重组酵母菌株对木糖利用相关代谢调控机理的分析,注重多种抑制物对菌株发酵性能的影响,结合真实底物纤维素乙醇发酵过程进行重组菌株的构建和优化,从而进一步提高纤维素乙醇生产的经济性,是未来菌株构建的重要研究方向。     

木糖发酵菌种研究进展

综述了已发现的发酵木糖的天然微生物种类、木糖代谢途径及其机理以及近年来构建基因工程菌发酵木糖生产乙醇的研究进展.重点介绍了酿酒酵母、运动发酵单胞菌以及大肠杆菌的基因改造情况.     

一体化生物加工过程生产乙醇的研究进展

一体化生物加工过程（consolidated bioprocessing,CBP）指通过对理想底盘微生物的开发和利用来实现一步转化木质纤维素为生物产品的生物加工程序。本文回顾了一体化生物加工过程的研究背景,简述了其开发理念和技术路线,全面综述了近年来该技术在转化木质纤维素生产二代生物乙醇研究中的不同策略及最新的研究进展。分析了CBP系统中自然菌株、重组菌株和共培养菌株在转化木质纤维素生产生物乙醇时的优点和瓶颈因素。研究了基因工程、代谢工程等工程手段和技术在克服此技术中的阻碍性因素及提升乙醇得率等方面的应用价值和潜力。最后,论述了组学及合成生物学等新兴生物技术对CBP生物乙醇的贡献和二代生物乙醇的商业化发展现状及CBP乙醇未来所面临的机遇与挑战。     

木质纤维素微生物转化机理研究进展

木质纤维素是自然界中储量最大的可再生资源物质,由于木质素难以降解,阻碍了木质纤维素物质的生物转化利用,并且是相关工业生产中毒性污染物质的主要来源。自然界中存在的白腐真菌对芳香族化合物具有很强的降解能力,具有完整的木质纤维素降解体系,对这一体系的研究成为实现木质纤维素资源转化利用的关键,木腐微生物的存在,使人类通过廉价手段降解和利用木质纤维素成为可能。研究木腐微生物降解木质纤维素的机制,研究木质素降解酶类不同组分以及和小分子活性物质之间协同作用机理,筛选培育高效降解木质纤维素的菌种和木质素降解酶,为实现工业化转化利用木质纤维素奠定基础。     

提高酵母乙酸胁迫耐性的方法概述

利用木质纤维素制备燃料乙醇新能源有利于人类社会的可持续发展,具有深远的社会效益和经济效益。预处理是利用木质纤维素类生物质的首要环节,在此过程中会产生一些抑制剂,其中乙酸是最主要的抑制剂之一,对酵母的生长和发酵产乙醇产生抑制作用。目前,可通过紫外诱变、驯化、代谢工程等菌种选育方法以及发酵过程中的控制等方式提高酵母在发酵过程中对乙酸的胁迫耐受性。     

木糖发酵微生物的研究进展

木糖广泛存在于林业及农业废弃物中,木糖发酵生产乙醇是再生资源的有效利用。简述了木糖发酵微生物和木糖代谢工程菌的种类及研究进展。     

山东大学微生物技术国家重点实验室

山东大学微生物技术国家重点实验室是由世界银行贷款120万美元、国内配套362万元人民币投资建设的,1995年11月通过国家验收,并开始正式运行和对外开放。 该实验室的主要研究方向:(1)生物资源转化技术研究 包括木质纤维素微生物降解机理基础研究、筛选和改造木质纤维素降解菌及其酶类、相关酶制剂的生产和应用技术、利用微生物技术降解转化农作物秸杆等木质纤维素类资源及其它工农业废弃物,发酵生产酒精、有机溶剂等化工原料及饲料、沼气等有用产品,利用光和细菌生产饲料、添加剂和氢气等;(2)资源和环境微生物     

利用木质纤维素生产燃料酒精研究进展

木质纤维素的生物化学转化生产燃料酒精是采用较广泛的一种途径,主要包括预处理、糖化、发酵等工艺,预处理是生物转化的关键步骤,影响整个纤维素酒精生产过程.综述了木质纤维素经过生物化学转化和热化学转化生产燃料酒精的研究进展,并对木质纤维紊酒精研究面临的问题及今后的研究方向进行了展望.指出在木质纤维素糖化和发酵工艺方面,需通过多学科的整合,提高糖转化率和酒精的得率,降低生产成本、加速木质纤维素燃料酒精的商业化应用.     

LSM蛋白增强木糖发酵重组酵母抗逆性能的研究

木质纤维素原料预处理过程中产生的弱酸、呋喃醛类和酚类化合物等对酿酒酵母的乙醇发酵有抑制作用,提高基因重组酵母对抑制物的耐受性,是利用植物秸秆水解液生产燃料乙醇的关键技术之一。研究从前期构建的戊糖、己糖共发酵重组酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae ZU-E8基因组DNA中克隆出RNA结合蛋白LSM6,将其连入含有PADH启动子的质粒构成表达载体pR-LSM,进而转入ZU-E8宿主细胞中。通过高浓度醋酸根平板筛选,得到高抗逆性木糖发酵重组酵母ZU-910。在醋酸浓度为2 g·L-1的木糖培养基中发酵96 h后,ZU-910的木糖利用率和乙醇浓度为90.2%和26.9 g·L-1,分别是出发菌株ZU-E8的8.5和10倍,并且ZU-910对糠醛和硫酸根的耐受能力也较ZU-E8大大增强。在玉米秸秆酶解液发酵中,ZU-910的木糖利用率和乙醇产量在ZU-E8基础上增加了10.5%和7.7%.证明LSM6蛋白确实能够增强木糖发酵重组酵母的抗逆能力,提高其发酵性能。该研究成果在木质纤维素替代粮食生产乙醇的产业化进程中具有良好的应用前景。     

木糖还原酶基因的克隆及其在酿酒酵母中的定向整合

酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)是重要的乙醇生产菌株,但因缺少戊糖代谢途径而不能利用木糖,为了改良工业酿酒酵母利用半纤维素发酵生产乙醇的性能,利用分子生物学技术构建能够利用木糖的基因工程酵母。选取酿酒酵母染色体的rDNA重复序列作为外源基因整合位点,依此构建多拷贝染色体整合型载体pUG-LR。采用融合表达策略扩增得到含有酿酒酵母乙醇脱氢酶启动子PADH和树干毕赤酵母木糖还原酶基因xyl1的融合序列,并将其插入pUG-LR载体中,构建成含遗传霉素G418抗性标记的同源重组质粒pUG-LR-XYL1。以工业酿酒酵母ZU-01为宿主,通过优化后的电穿孔法将重组质粒导入经缓冲液处理的酵母细胞,30℃培养。通过提高YEPX复筛培养基G418浓度,得到10株生长较快的优良性状转化子。在不含G418的YEPX培养基上传代8次以上,以转化子基因组DNA为模板,进行PCR检测,均可获得目的基因片段。研究结果表明:木糖还原酶基因xyl1已定向整合于ZU-01染色体DNA上并稳定遗传,为后续构建工业酿酒酵母的木糖代谢通路、利用木糖产酒精的重组菌株奠定了基础。     

Xylose Fermentation by Saccharomyces cerevisiae: Challenges and Prospects

Many years have passed since the first genetically modified Saccharomyces cerevisiae strains capable of fermenting xylose were obtained with the promise of an environmentally sustainable solution for the conversion of the abundant lignocellulosic biomass to ethanol. Several challenges emerged from these first experiences, most of them related to solving redox imbalances, discovering new pathways for xylose utilization, modulation of the expression of genes of the non-oxidative pentose phosphate pathway, and reduction of xylitol formation. Strategies on evolutionary engineering were used to improve fermentation kinetics, but the resulting strains were still far from industrial application. Lignocellulosic hydrolysates proved to have different inhibitors derived from lignin and sugar degradation, along with significant amounts of acetic acid, intrinsically related with biomass deconstruction. This, associated with pH, temperature, high ethanol, and other stress fluctuations presented on large scale fermentations led the search for yeasts with more robust backgrounds, like industrial strains, as engineering targets. Some promising yeasts were obtained both from studies of stress tolerance genes and adaptation on hydrolysates. Since fermentation times on mixed-substrate hydrolysates were still not cost-effective, the more selective search for new or engineered sugar transporters for xylose are still the focus of many recent studies. These challenges, as well as under-appreciated process strategies, will be discussed in this review.     

酿酒酵母采用木糖发酵产乙醇的研究现状

酿酒酵母具有安全性好,高产量和高的抑制剂耐受性等优点,故一直在生物乙醇工业中有重要作用。然而该酵母不能使木糖发酵,而木糖是木质纤维素水解产物中重要的戊糖。为了得到利用木糖高效产乙醇的工程茵,我们通过引入初始木糖的新陈代谢和木糖的运输体来改变细胞内的氧化还原平衡．木酮糖激酶的过表达和磷酸戊糖途径来提高乙醇产率。     

Increased tolerance and conversion of inhibitors in lignocellulosic hydrolysates by Saccharomyces cerevisiae

During hydrolysis of lignocellulosic biomass, monomeric sugars and a broad range of inhibitory compounds are formed and released. These inhibitors, which can be organized around three main groups, furans, weak acids and phenolics, reduce ethanol yield and productivity by affecting the microorganism performance during the fermentation step. Among the microorganisms that have been evaluated for lignocellulosic hydrolysate ethanol fermentation, the yeast Saccharomyces cerevisiae appears to be the least sensitive. In order to overcome the effect of inhibitors, strategies that include improvement of natural tolerance of microorganism and use of fermentation control strategies have been developed. An overview of the origin, effects and mechanisms of action of known inhibitors on S. cerevisiae is given. Fermentation control strategies as well as metabolic, genetic and evolutionary engineering strategies to obtain S. cerevisiae strains with improved tolerance are discussed. Copyright © 2007 Society of Chemical Industry     

苯乳酸的微生物合成及分离研究进展

苯乳酸是一种高值有机酸和新型的天然防腐剂,可由乳酸菌等多种微生物代谢产生。苯乳酸有着较为宽广的抑菌谱,对大多数革兰氏阳性、阴性菌和真菌都有明显的抑菌作用,不仅作为天然抑菌剂可替代化学合成的防腐剂,而且可经聚合反应合成聚苯乳酸新型高分子材料,作为聚乳酸高分子的替代物。因此,苯乳酸在化工、制药、生物、材料和食品等领域有广阔的应用前景。本文从苯乳酸抑菌特性、微生物菌株、转化合成、代谢途径及下游分离纯化等方面,简述了其生物转化合成和分离的研究现状。微生物菌株是苯乳酸合成的关键,基因工程菌的转化能力虽然高效,但构建工程菌较复杂;从自然环境中筛选安全优良的菌株,可以简化转化合成过程,提高转化率和料液中苯乳酸的浓度;苯乳酸的分离纯化还处于实验室的规模,有待进一步探索以达到工业化的要求。     

木质纤维素类生物质制取燃料及化学品的研究进展

木质纤维素类生物质含有丰富的纤维素和半纤维素多糖,通过微生物发酵将它们转化为能源及高附加值的化学品,对于缓解全球能源危机带来的压力和解决环境污染问题具有重要意义。介绍了木质纤维素类生物质的结构特征;评述了预处理方法,包括稀酸、高温液态水蒸气爆破、CO2爆破、氨爆、碱法、有机溶剂法、生物处理法;重点介绍由生物质生产乙醇、丁醇及生物柴油的研究现状。指出开发高效环保的预处理方法、构建耐毒高产菌株和应用连续发酵或补料批式发酵方式等是加快木质纤维素类生物质发酵利用工业化进程的关键所在。     

微生物共利用木糖和葡萄糖生产化学品研究进展

木质纤维素生物质是储量丰富的可再生资源，在能源、化工及医药领域具有广阔的应用前景。木质纤维素各组分因氢键和共价键的存在而结合紧密，需经酸、碱、高温、有机溶剂等预处理后才能高效酶解利用，其水解产物的主要成分为己糖（60%～70%，葡萄糖为主）和戊糖（30%～40%，木糖为主）的混合物。本文主要针对水解液中木糖和葡萄糖的共利用效率相关问题，以基因工程改造微生物利用木糖和葡萄糖共发酵生产醇类、生物油脂、γ-聚谷氨酸及有机酸等生物基化学品为主线，从代谢途径重构、基因水平调控及发酵技术优化等方面综述了近年来的研究进展。最后，从菌株筛选、基因与代谢工程调控、细胞固定化、产物处理及发酵工艺等层面总结了该领域目前的研究特点、技术瓶颈和未来的研究方向与思路。     

纤维素燃料乙醇生产技术研究进展

纤维素燃料乙醇已成为下一代燃料乙醇的必然发展方向。文章综述了近年来以木质纤维素为原料生产燃料乙醇的关键技术,重点对物理法、化学法、蒸汽爆破法、生物法等木质纤维素原料预处理技术,酸水解、酶水解等水解(糖化)技术,以及直接发酵法、水解发酵两步法、同步水解发酵法等发酵工艺进行了总结,并指出了未来纤维素乙醇的产业化过程中必须解决的关键问题和发展趋势。