近日，农业农村部沼气科学研究所2018级硕士研究生代勇华以第一作者在《GCB Bioenergy》（IF=4.745，JCR二区期刊）发表研究论文“Lowering whole cost for sugarcane-based ethanol production by engineered Zymomonas mobilis”，报道了利用甘蔗汁生产乙醇的菌株改造和发展低成本工艺等工作。该研究利用基因编辑技术干扰了副产物代谢途径，同时优化了培养基，采用补料分批发酵工艺，进一步提高乙醇转化率和产量（图1）。该研究可显著降低糖基乙醇生产的加工成本，为今后经济性燃料乙醇生产提供了可行性。秸秆资源化利用创新团队吴波副研究员为该论文并列第一作者，胡国全和何明雄研究员为共同通讯作者。

图1研究内容概况

以非粮糖基原料生产燃料乙醇的工艺过程简单，更有望实现高效转化，也不存在“与人争粮、与粮争地”问题。因此，发展高效的非粮糖基燃料乙醇工艺技术，对保障我国能源和粮食安全、实现碳减排具有重大意义。运动发酵单胞菌是目前已知最高效的产乙醇物种，但在以甘蔗汁等作为碳源时，会产生多种副产物，降低乙醇产量。同时，甘蔗汁发酵体系中氮源的缺乏也会导致乙醇产量明显降低，而氮源通常是工业微生物发酵成本中重要组成部分，因此对氮源条件的优化既可节约生产成本又能改善发酵性能。基于此，代勇华等人围绕发酵菌株改造和生产工艺优化开展一系列研究。

作者首先以高效抗逆突变株为初始发酵菌株，比较了不同氮源的发酵性能和副产物，证实了单独使用无机氮源进行发酵时，山梨醇、果聚糖、丙酸等副产物积累量较高，导致乙醇产量低；而当无机氮源与有机氮源结合时，菌株生物量可提高34.01%，乙醇发酵效率可提高20.57%，副产物积累量显著降低（图2）。另外作者对发酵pH，初始糖浓度最适条件也进行了探索。

图2 氮源条件优化

为进一步降低副产物含量，作者利用内源性Type I-F型CRISPR-Cas系统对运动发酵单胞菌主要的果聚糖合成酶sacB进行敲除，获得了工程菌株ZMS912/ΔSacB₀₃₇₄。批次发酵结果表明，该工程菌株的乙醇发酵效率提高了13.98% (87.50% vs.76.77%)，乙醇生产率、得率也相应增加了14.04%和12.50%；同时不再有果聚糖产生，山梨醇积累量也降低了43.93%。该研究进一步在5 L反应器中进行Fed-batch发酵，经过连续补料，发酵33小时后乙醇产量达到81.59 g/L，乙醇生产率达5.83 g/L/h（图3）。物料平衡评估和经济技术分析证明，该发酵工艺经济可行（图4）。

图3菌株的工程改造及发酵分析

图4物料平衡评估

该研究得到了国家自然科学基金（Grant No. 32070036）、四川省科技计划（Grant No. 18ZDYF0252）和中国农业科学院基础研究和精英计划项目的资助。

作者简介：

代勇华为农业农村部沼气科学研究所2018级硕士研究生，硕士期间在中国农业科学院资源利用与植物保护专业进行学习，从事可再生能源和生物发酵研究。硕士期间，以第一作者在《GCB Bioenergy》和《应用与环境生物学报》发表论文2篇。以共同作者在《Renewable and Sustainable Energy Reviews》（、《Biotechnology for Biofuels》发表论文2篇。研究生在读期间曾担任中国农业科学院研究生院研会办公室部长，并获得优秀学生干部、课程学习优秀奖、一等学业奖学金等奖项。

个人研究生期间照片若干

发表文章列表：

1.DOI：10.1111/gcbb.12891

2.DOI: 10.1016/j.rser.2021.111079

3.DOI: 10.1186/s13068-019-1463-

4.DOI: 10.19675/j.cnki.1006-687x.2021.02051