《纖維素廢棄物熱解液乙醇轉化的工程菌構建》是依託中國科學院大學，由余志晟擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：纖維素廢棄物熱解液乙醇轉化的工程菌構建
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：余志晟
- 依託單位：中國科學院大學
項目摘要,結題摘要,
纖維素類廢棄物經快速熱解技術可獲得含主要成分為內醚糖(Levoglucosan,1,6-脫水-β-D-吡喃葡萄糖)的熱解液，但自然界仍未發現直接轉化內醚糖為乙醇的微生物菌株，從而限制了從纖維素生物質經熱解，然後直接生物轉化為乙醇的規模化工業生產。本研究擬將自行分離獲得的內醚糖激酶基因lgk轉入產酒量高、抗逆性強的運動發酵單胞菌Zymomonas mobilis中，構建基因工程菌株，以及採用低能離子束注入介導轉基因技術構建酵母工程菌株，從而實現纖維素生物質熱解液到清潔能源乙醇的有效轉化。內容包括lgk基因高表達穿梭載體構建，低能離子束注入介導的斯達油脂酵母基因組DNA在釀酒酵母的轉化，轉化子篩選，以及重組體工程菌對純內醚糖和熱解產物的乙醇轉化。本研究將先進的基因工程技術和方法運用於能源科學和環境科學問題研究中，屬交叉學科研究，科學意義大，同時也為基於熱解技術的纖維素廢棄物生物轉化奠定了基礎。
基於能源的可持續發展和環境污染的考慮，可再生能源（如生物乙醇）獲得了越來越多的關注。纖維素物質儲量巨大，熱解技術可以快速的將它分解成以內醚糖為主的熱解液。內醚糖不能直接被轉化成乙醇，但可以通過酸催化水解成葡萄糖，從而被微生物發酵，也可以通過基因工程改造獲得乙醇發酵菌株直接發酵內醚糖生產乙醇。主要成果包括：（1）熱解液經過硫酸水解、Ba(OH)2 中和和 2:1體積的乙酸乙酯分三次萃取進行脫毒後，改造的大腸桿菌Escherichia coli 11177能有效發酵水解液為乙醇，所得乙醇產率為0.40 g乙醇/g葡萄糖。但在相同的條件下，Z. mobilis 11020卻不能。發酵罐擴大發酵，縮短了發酵時間。E. coli 的乙醇生產效率可達到約0.71 g/L h，高於大部分文獻報導的效率值。構建的數學動力學模型符合Logistic模型，可準確描述菌體的生長，而分別描述基質消耗和底物生成的動力學模型 和 能很好的模擬實測值，將來有望指導中試生產。（2）對運動發酵單胞菌進行甲酸、乙酸、糠醛、5-羥甲基糠醛和苯酚的細胞毒性測試，確定這5個化合物對運動發酵單胞菌生長的抑制濃度分別為0.7、5.3、1.9、9.0和1.7 g/L。而單個化合物10%的抑制濃度的混合物，即0.07 g/L甲酸、0.53 g/L乙酸、0.19 g/L糠醛、0.9 g/L 5-羥甲基糠醛和0.17 g/L苯酚的混合物，便可抑制細胞生長。（3）利用低能離子注入介導轉基因技術對Saccharomyces cerevisiae 2.399進行低能N+ 離子刻蝕發現，在注入能量為15 keV、注入劑量為10×1015 ions/ cm2的條件下，S. cerevisiae 2.399的細胞自我修復作用最強，存活率達到25%，乙醇產率約為0.42 g乙醇/g葡萄糖（達到理論產率的84%），與乙醇發酵相關的丙酮酸脫羧酶和乙醇脫氫酶酶活值分別約為0.53和2.47（μmol/mL min）。（4）通過三種不同方法嘗試構建工程菌，以反轉錄得到的內醚糖激酶基因為目的基因構建的工程菌利用內醚糖的效率最低；其次為進一步插入了釀酒酵母信號肽基因的工程菌；利用內醚糖和轉化乙醇效率最好的是以最佳化過密碼子的內醚糖激酶基因為目的基因構建的工程菌。本研究為大規模利用纖維素生產生物乙醇提供了一條重要途徑和技術支撐。
