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农业部沼气科学研究所

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科研成果

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项目简介

我国目前尚有30%左右秸秆被弃置或焚烧,造成巨大资源浪费和环境污染。利用秸秆生产燃料乙醇对减轻农业环境污染和缓解能源危机等具有重要意义。但在秸秆乙醇生产过程中,化学预处理阶段产生的毒性物质及发酵终产物对微生物抑制作用是制约其高效转化的限制因素和亟待解决难题之一。现有乙醇转化系统发酵效率低、转化效率不稳定,秸秆水解液需要通过深度脱毒处理才能获得较好的发酵效果,极大降低了纤维素乙醇生产效率,严重影响了秸秆乙醇推广和应用。运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)具有特殊ED代谢途径、较高乙醇发酵效率及代谢副产物少等优点,是较具潜力的纤维素乙醇转化系统。项目组立足“纤维素乙醇发酵过程抗逆高效生物转化系统构建及应用”,从胁迫应答机制、代谢工程改造和生物质乙醇转化等开展系统研究。主要创新点如下:

(1)揭示了秸秆生物质转化过程中环境胁迫对运动发酵单胞菌的影响机理

首次从代谢和基因转录等方面揭示运动发酵单胞菌通过保持细胞膜完整性来应对纤维素水解物抑制物及乙醇等环境胁迫的分子机制,为抗逆高效生物质乙醇转化系统构建提供了科学依据。

(2)获得了具有高效和抗逆等优点的生物质乙醇转化系统

在遗传平台优化完善及胁迫应答机制研究基础上,通过适应性进化、全局转录代谢调控工程及转座突变等手段,获得呋喃甲醛、乙酸、乙醇及盐的耐受能力分别达到3 g/L、7 g/L、78.9 g/L和20 g/L的生物质乙醇转化系统,并从基因组学、基因转录及酶学等方面系统解析了抗逆分子机制,突破了3项运动发酵单胞菌代谢工程改造关键技术。在3 g/L呋喃甲醛胁迫条件下,菌株ZMF3-3乙醇产率达理论值的94.84%,是野生型菌株的近10倍,这是首次报道具有高呋喃甲醛耐受能力的运动发酵单胞菌菌株,处于国际领先水平;在盐耐受性方面,耐受能力达到20 g/L,为该菌世界最高水平;在乙酸耐受性方面,乙醇发酵效率达0.5g/g 葡萄糖,与美国能源部可再生能源实验室处于同等水平;在乙醇耐受性方面,与大肠杆菌及酿酒酵母相比,在9%-10%乙醇浓度胁迫下,具有更高乙醇发酵效率。

(3)搭建了基于抗逆高效生物质乙醇转化系统的秸秆燃料乙醇转化平台

集成秸秆预处理、酶解糖化及发酵等单元技术,搭建了100 L纤维素乙醇中试平台,形成了以抗逆高效转化系统为核心的秸秆资源、竹子、右旋糖苷工业废水、食物垃圾等低值生物质资源为代表的生物乙醇转化关键技术,具有水解液不需脱毒处理、开放式发酵过程不染菌、糖醇转化效率高等优点,应用前景广泛。

在Biotechnology for Biofuels、Bioresource Technology和《应用与环境生物学报》等国内外期刊发表论文55篇,其中SCI收录论文39篇(IF大于3的论文16篇,最高影响因子6.444),累计IF 112.509。论文被Metabolic Engineering、Biotechnology for Biofuel等引用300余次,SCI他引118次;申报国家发明专利9项(授权2项)。获四川省青年科技奖1项、“中国农业科学院优秀硕士学位论文”1篇;入选四川省学术与技术带头人后备人选和中国农业科学院“科研英才培育工程计划”。以“Zymomonas mobilis”为主题词检索ISI Web of ScienceTM核心合集数据库,成果位列全球第19位,中国第1位,处于国际领先水平。

完成人

何明雄,吴波,祝其丽,阮志勇,王彦伟,谭芙蓉,代立春,秦晗,潘科,胡国全,胡启春,汤晓玉,王文国,吴进