能利用五碳糖和六碳糖生产乙醇的基因工程菌菌株的构建

燃料乙醇是一种极具前景的燃油代用品,近年来发展尤为迅速,为了推广这种能源和满足日益增长的需求,我们有必要开发更为高效的生产工艺和寻找更为廉价的原料。解决此问题的关键在于获得高效的工程菌,使其能利用木质纤维素水解液中的五碳糖和六碳糖发酵生产乙醇。通过代谢工程的研究和基因重组技术,几种重组细菌显示出良好的开发前景,它们是运动发酵单胞菌、大肠杆菌、产酸克雷伯氏菌和菊欧文氏菌。本文就这四种细菌的研究进展以及基因重组过程进行了介绍和评价。     

产D-乳酸重组大肠杆菌ptsG基因的敲除及其混合糖同步发酵

为构建能够同时高效利用五碳糖和六碳糖发酵产D-乳酸的重组大肠杆菌工程菌,以能高效利用五碳糖发酵产D-乳酸的大肠杆菌工程菌E.coli JH13为出发菌株,通过Red同源重组技术敲除葡萄糖跨膜转运基因pts G。实验结果表明,pts G缺陷菌株E.coli JH15在10%混合糖(5%葡萄糖和5%木糖)培养基中发酵,可同时利用五碳糖和六碳糖以完成发酵;而对照菌葡萄糖消耗完才利用木糖,发酵结束还有18 g/L木糖残留;JH15乳酸产量为83.04 g/L,相比于对照菌株提高了25.86%;在稻草秸秆水解液中发酵,JH15同时利用葡萄糖、木糖和L-阿拉伯糖,乳酸产量为25.15 g/L,转化率为86.42%。JH15作为能利用混合糖同步发酵产D-乳酸的大肠杆菌工程菌,它的成功构建为利用廉价的木质纤维素水解物为原料发酵生产D-乳酸提供参考依据。     

酿酒酵母L610利用菊糖生产乙醇发酵条件的研究

以1株能够直接利用菊糖产乙醇的酿酒酵母L610为出发菌株,对其利用菊糖生产乙醇的发酵条件进行了一系列研究。结果表明,L610最适乙醇发酵温度为37℃,且40℃高温发酵对其产乙醇能力无显著影响;L610对酸性发酵环境有良好的耐受性,当发酵液p H值降至3.5时,其糖醇转化率及乙醇产量仍保持较高水平;以0.025~0.10 vvm的通气量通气12 h有利于L610发酵菊糖产乙醇;L610对350 g/L的高浓度菊糖有良好的转化率,乙醇浓度和生产强度分别达到129 g/L和1.35 g/(L·h);当直接以300 g/L菊芋粗粉为唯一底物进行发酵时,L610发酵产乙醇浓度达到89.6 g/L,为理论产量的78.1%。本研究所取得的成果为酿酒酵母一步法发酵菊芋生产乙醇的工业化发展提供参考。     

木质纤维素稀酸水解糖液乙醇发酵研究进展

以木质纤维素为原料生产燃料乙醇,首先要对原料进行预处理得到可发酵糖,在稀酸水解木质纤维素得到的糖液中,除含有葡萄糖、木糖等六碳糖和五碳糖外,根据水解温度、酸浓度和时间的不同,还含有不同浓度的发酵抑制剂。因此,在研究木质纤维素稀酸水解糖液的乙醇发酵中,对代谢木糖成乙醇的菌种的研究、对耐/代谢发酵抑制剂微生物的研究、对稀酸水解糖液的脱毒方法的研究以及对稀酸水解糖液不同发酵方式的乙醇发酵研究等非常重要。重点介绍了以上几个方面近几年研究的进展。     

一株葡萄糖和木糖共发酵高效产乙醇重组运动发酵单胞菌的性能评价

木糖是木质纤维素原料水解液中的第二大组分,木糖和葡萄糖的充分利用是有经济性地生产纤维素乙醇的关键。通过基因克隆手段构建了一株可以高效利用木糖产乙醇的重组运动发酵单胞菌Zymomonas mobilis TSH01,并进行了利用单糖溶液、混合糖溶液及玉米秸秆水解液发酵产乙醇效率的研究。结果表明,利用单一葡萄糖或单一木糖溶液发酵时,当糖浓度为8%、发酵72 h后,糖利用率分别为100%和98.9%,乙醇代谢收率分别为87.8%和78.3%;利用8%葡萄糖和8%木糖的混合溶液发酵时,72 h后,葡萄糖和木糖的利用率分别为98.5%和97.4%,乙醇代谢收率为94.9%。利用含3.2%葡萄糖和3.5%木糖的玉米秸秆水解液发酵72 h后,葡萄糖和木糖的利用率分别为100%和92.3%,乙醇代谢收率为91.5%。此外,磷酸二氢钾对发酵过程中木糖利用率以及乙醇收率的提高有明显促进作用。     

利用五碳糖产高纯度L-乳酸的大肠杆菌基因工程菌的构建

[目的]本研究以已敲除多个产杂酸酶基因的大肠杆菌(Escherichia coli)乙醇工程菌SZ470(△frdBC △ldhA △ackA △focA-pflB △pdhR::pflBp6-pflBrbs-aceEF-lpd)为起始菌株,进一步敲除其乙醇脱氢酶(alcohol dehydrogenase,ADH)基因,同时插入带有自身启动子的乳酸片球菌(Pediococcus acidilactici)的L-乳酸脱氢酶(L-lactate dehydrogenase,LLDH)基因,构建可利用五碳糖同型发酵L-乳酸重组大肠杆菌.[方法]利用λ噬菌体Red重组系统构建乙醇脱氢酶基因(adhE)缺失菌株Escherichia coli JH01,并克隆P.acidilactici的ldhL基因,利用染色体插入技术将其整合到JH01基因组,构建产L-乳酸大肠杆菌基因工程菌Escherichia coli JH12,利用无氧发酵15 L发酵罐测定重组菌株L-乳酸产量.[结果]工程菌JH12在15 L发酵罐中以6％的葡萄糖为碳源进行发酵,发酵到36 h的过程中葡萄糖的消耗速率为1.46 g/(L·h),乳酸生产强度为1.14 g/(L·h),乳酸的产量达到41.13 g/L.发酵产物中未检测到琥珀酸、甲酸的生成,仅有少量乙酸生成,L-乳酸纯度达95.69％(L-乳酸在总发酵产物的比率).工程菌JH12以6％的木糖为碳源进行发酵,发酵到36 h的过程中葡萄糖的消耗速率为0.88 g/(L·h),乳酸生产强度为0.60 g/(L·h),乳酸的产量达到34.73 g/L.发酵产物中杂酸少,乳酸的纯度高达98％.[结论]本研究通过基因敲除、染色体插入及无氧进化筛选获得一株产L-乳酸的大肠杆菌工程菌JH12,该菌株不需利用外源质粒,稳定性好,可利用五碳糖进行发酵,发酵产物中杂酸少,L-乳酸的纯度高.本研究为L-乳酸大肠杆菌工程菌的构建提供一定的技术支持,同时也为大肠杆菌L-乳酸的工业化生产提供了参考依据.     

一株中型假丝酵母发酵木糖产乙醇的特性研究

本研究对自然界中筛选得到的1株可以发酵木糖产乙醇的中型假丝酵母(Candida intermedia)的特性进行了研究.该菌株在28℃、120 r/min、72 h条件下,发酵3%木糖的乙醇产率最高,达到理论值的43.70%,发酵7%木糖得到的乙醇产量最高,为6.480 g/L.发酵时间延长到156 h,可以利用8%木糖产乙醇21.225 g/L,产率为理论值的72.87%.该菌株还可以在同样条件下,发酵13%葡萄糖得到乙醇50.965 g/L,达到理论值的76.90%.以3% 2% 3%分批补加糖,比一次性发酵8%木糖的乙醇产量提高9.91%.在葡萄糖和木糖的混合培养基中,优先利用葡萄糖,同时还表现出葡萄糖对木糖发酵的促进作用,当2%的木糖与6%葡萄糖混合时,乙醇产量比两者单独发酵的加和提高了25%.     

酿酒酵母异源表达纤维二糖转运蛋白LacY与纤维二糖利用菌株的构建北大核心

【目的】在酿酒酵母体内设计代谢通路,使酿酒酵母能利用纤维素水解产物纤维二糖生产乙醇。【方法】首先,用大肠杆菌DH5α总DNA为模板克隆编码大肠杆菌乳糖透过酶的LacY基因。为过表达LacY基因,以质粒YEplac181作为载体,将酿酒酵母PGK1p强启动子加到LacY基因之前,CYC1t终止子加到LacY基因之后,构建质粒YEplac181-PGK1p-LacY-CYC1t。之后,将纤维二糖转运蛋白LacY表达质粒和β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase,BGL)表达质粒pRS316-PGK1p-gh1-1-CYC1t依次转入野生型酿酒酵母W303-1A中,使野生型酿酒酵母W303-1A异源表达可转运纤维二糖的LacY蛋白和β-葡萄糖苷酶GH1-1,构建可利用纤维二糖的酿酒酵母工程菌W303-1A GL。最后,通过发酵测定酿酒酵母工程菌W303-1A GL的纤维二糖利用情况和乙醇产量,并对纤维二糖代谢通路中纤维二糖酶活力进行测定。【结果】本研究构建了纤维二糖转运蛋白LacY和β-葡萄糖苷酶GH1-1协同表达的酿酒酵母工程菌W303-1AGL。W303-1AGL可以有效利用纤维二糖发酵生产乙醇,W303-1A GL发酵24 h时乙醇产量达到3.25 g/L,得率为0.325 g乙醇/g纤维二糖,利用葡萄糖产乙醇理论得率为0.511 g乙醇/g纤维二糖,达到葡萄糖产乙醇理论得率的64%,细胞密度最高在第54 h达到OD600=10.84,胞内β-葡萄糖苷酶的酶活在72 h最高,可达到0.51 U/mg。【结论】本研究成功构建了能有效利用纤维二糖的重组酿酒酵母工程菌W303-1A GL,为提高纤维素乙醇生产效率、降低纤维素乙醇生产成本提供了新思路。     

Kluyveromyces marxianus发酵己糖和戊糖生产乙醇

对利用底物广泛的乙醇发酵菌株马克斯克鲁维(Kluyveromyces marxianus)DL1菌株与工业用乙醇发酵菌株酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)6525利用己糖(葡萄糖、甘露糖、半乳糖)和戊糖(木糖、阿拉伯糖)的情况进行对比研究。结果发现:以己糖为底物时,K.marxianus DL1均表现出细胞生长快、乙醇得率高的特点;在不通气、糖20 g/L条件下,K.marxianus DL1的最大乙醇质量浓度均比S.cerevisiae 6525高出10%左右,细胞量及乙醇生产强度分别是S.cerevisiae 6525的近2和1.7倍。当以戊糖为底物时,K.marxianus DL1可以利用木糖和阿拉伯糖;在不通气、糖20g/L条件下,K.marxianus DL1利用木糖产木糖醇和乙醇,乙醇终质量浓度可达7.68 g/L,木糖醇质量浓度为9.12 g/L;以阿拉伯糖为发酵底物时,阿拉伯糖醇的产量可达6 g/L左右;而S.cerevisiae 6525不能利用戊糖。马克斯克鲁维酵母比酿酒酵母更适合纤维乙醇生产。     

固体发酵物料可溶性糖和乙醇检测方法研究进展

发酵料中可溶性糖与乙醇含量是判断发酵进程的重要指标,开发糖和乙醇快速检测方法对发酵过程优化与控制非常重要。对于固体物料的检测,通常需要在检测前将固体物料中的糖和乙醇转移到液相。综述了固体物料中可溶性糖和乙醇的提取和定量检测方法,以及用于酒精固体发酵过程监控的近红外光谱定性与定量模型建立情况。最后,对固体物料可溶性糖和乙醇含量的检测技术与固体发酵过程监控技术提出建议。     

白蚁肠道微生物

对近年来白蚁肠道微生物方面的研究成果作一综述,主要强调白蚁肠道中存在的原生动物、发酵性细菌、固氮菌、螺旋体、同型产乙酸细菌、产甲烷细菌和硫酸盐还原菌对白蚁消化木质纤维素类食物有着重要的作用。     

油菜秸秆混合发酵降解菌的筛选

油菜秸秆含有大量木质纤维素,该类物质结构稳定,不易降解,限制了其工业化应用.通过对10株包括细菌、酵母菌和白腐真菌的菌株产酶能力和特性进行比较,并进行共同培养试验,筛选出5株可共同生长的木质纤维素降解菌BS09、BL、PC、TS和KS.通过对这5个菌株单独发酵降解油菜秸秆的能力考察,结果表明:PC对木质纤维素的降解能力...     

瘤胃木质纤维素降解菌及降解酶基因的研究进展

反刍动物瘤胃是公认的木质纤维素高效降解的天然反应器,对瘤胃微生物的研究已成为开发生物能源的热点领域之一。目前的研究手段已经从传统的依赖分离培养从瘤胃中获得木质纤维素降解菌,并对降解菌中的木质纤维素降解酶逐一分析,发展到通过基因组/元基因组学技术,直接从瘤胃中发现并获得大量新的木质纤维素降解酶基因/基因簇,进而探讨其降解的分子机理。已有的研究结果表明,瘤胃微生物降解木质纤维素的过程非常复杂,涉及大量不同种类的微生物及基因/基因簇,随着新分析技术的建立和完善,对这些微生物和基因的研究已取得了诸多进展。本论文综述了近期有关该方向的研究进展。     

嗜热厌氧菌乙醇耐受机制的研究进展

生物能源因其原料具有来源丰富、价格低廉和可再生的优点,作为可替代化石能源的潜在能源受到世界各国的高度重视。有些嗜热厌氧菌因为具有木质纤维素降解能力和高温发酵的成本优势,被视为生物质转化乙醇等能源物质的理想微生物而成为近年来研究的热点,但乙醇耐受性较低是限制嗜热厌氧菌在工业化生产中应用的主要因素之一。本文从以下三个方面介绍嗜热厌氧菌乙醇耐受机制的研究进展：（1）嗜热厌氧菌生产乙醇的代谢途径;（2）嗜热厌氧菌的乙醇耐受机制;（3）提高嗜热厌氧菌乙醇耐受性的方法。     

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。     

Recovery of lignocelluloses from pre-hydrolysis liquor in the lime kiln of kraft-based dissolving pulp production process by adsorption to lime mud

Dissolved lignocelluloses from the pre-hydrolysis liquor (PHL) of kraft-based dissolving pulp production process were recovered by adsorption to lime mud produced in the causticizing plant of the kraft process. The adsorption of lignocelluloses was a fast process, and could be completed within one hour. The addition of polydiallyldimethylammonium chloride (PDADMAC) significantly increased the amounts of adsorbed lignin and hemicelluloses, which more than doubled at the PDADMAC dosage of 0.1% (based on the weight of PHL). The measured heating values of the adsorbed lignocelluloses indicate that adsorption of lignocelluloses to lime mud may result in the energy saving of the lime kiln. The process proposed in this study could also be adapted to decrease inhibitor concentrations (lignin and acetic acid) if the dissolved hemicelluloses in the PHL were used to produce value-added products, e.g., ethanol, xylitol, based on the fermentation process.     

Preparation, characterization, and microbial degradation of specifically radiolabeled [C]lignocelluloses from marine and freshwater macrophytes

Specifically radiolabeled [C-lignin]lignocelluloses were prepared from the aquatic macrophytes Spartina alterniflora, Juncus roemerianus, Rhizophora mangle, and Carex walteriana by using [C]phenylalanine, [C]tyrosine, and [C]cinnamic acid as precursors. Specifically radiolabeled [C-polysaccharide]lignocelluloses were prepared by using [C]glucose as precursor. The rates of microbial degradation varied among [C-lignin]lignocelluloses labeled with different lignin precursors within the same plant species. To determine the causes of these differential rates, [C-lignin]lignocelluloses were thoroughly characterized for the distribution of radioactivity in nonlignin contaminants and within the lignin macromolecule. In herbaceous plants, significant amounts (8 to 24%) of radioactivity from [C]phenylalanine and [C]tyrosine were found associated with protein, although very little (3%) radioactivity from [C]cinnamic acid was associated with protein. Microbial degradation of radiolabeled protein resulted in overestimation of lignin degradation rates in lignocelluloses derived from herbaceous aquatic plants. Other differences in degradation rates among [C-lignin]lignocelluloses from the same plant species were attributable to differences in the amount of label being associated with ester-linked subunits of peripheral lignin. After acid hydrolysis of [C-polysaccharide]lignocelluloses, radioactivity was detected in several sugars, although most of the radioactivity was distributed between glucose and xylose. After 576 h of incubation with salt marsh sediments, 38% of the polysaccharide component and between 6 and 16% of the lignin component (depending on the precursor) of J. roemerianus lignocellulose was mineralized to CO(2); during the same incubation period, 30% of the polysaccharide component and between 12 and 18% of the lignin component of S. alterniflora lignocellulose was mineralized.     

Preparation of specifically labeled C-(lignin)- and C-(cellulose)-lignocelluloses and their decomposition by the microflora of soil

Microbial decomposition of lignocellulose in soil was studied using radioisotope techniques. Natural lignocelluloses containing C in either their lignin or cellulose (glucan) components were prepared by feeding plants l-[U-C]phenylalanine or d-[U-C]glucose, respectively, through their cut stems. Detailed chemical and chromatographic characterization of labeled lignocelluloses from three hardwood and three softwood species showed that those labeled by the [C]glucose incorporation method contained specifically labeled cellulosic components, whereas those labeled by the [C]phenylalanine incorporation method contained specifically labeled lignin components. Microbial degradation of these differentially labeled lignocelluloses was followed by monitoring CO(2) evolution from selected soil samples incubated with known amounts of radiolabeled lignocelluloses. The lignin components of the six woods were shown to be decomposed in soil 4 to 10 times more slowly than their cellulosic components. These rates of mineralization were comparable to the generalized patterns previously reported in the literature. The present technique, however, was thought to be simpler, more sensitive, and less prone to interference than methods previously available.     

Production of xylanases byChaetomium cellulolyticum during growth on lignocelluloses

Summary Chaetomium cellulolyticum was able to produce xylanases on all the three lignocelluloses: wheat straw, corn stover and aspen wood. Wheat straw was the best. Solid state fermentation of lignocelluloses gave higher yields of xylanases than liquid state fermentation, but it took longer time of incubation.     

贝叶多孔菌营养生理生化特性的研究

本文对贝叶多孔菌(Polyporus frondosus)在柞树木屑——麦麸基物上生长期间基物的降解特性和培养物中胞外纤维素酶、半纤维素酶和淀粉酶在培养过程中的活性变化规律及其它一些生物化学性质进行了研究。认为贝叶多孔菌是白腐型木腐真菌。在培养初期主要利用基物中可溶性糖类为碳源,在子实体发育期,碳源基本由降解基物中木质纤维素所提供。