化能驱动的产乙酸菌转化利用CO_(2)研究进展

利用微生物发酵一碳气体生产燃料和高值化学品,是实现碳资源回收利用和绿色生物制造的重要途径之一。产乙酸菌可利用CO或H_(2)为能量来源,通过伍德-永达尔(Wood-Ljungdahl)途径固定CO_(2),维持自身代谢,并生产乙酸、乙醇等高附加值产品。相较于化学催化而言,该生物催化过程对原料气体比例要求不高、反应条件温和、产物选择性高。在气体发酵中,CO和H_(2)均可作为菌株生长和代谢的能量来源,二者具有不同的能量代谢模式。同时,不同的产乙酸菌代谢产物也不相同。发酵过程中气体溶解度低限制了能量供给,导致微生物生长速率慢、原料利用率低以及目标产物产量低等问题。提高气体利用效率和扩大产乙酸菌的产物谱,是面向产业化应用的必然要求。本文简述了产乙酸菌的伍德-永达尔途径、产乙酸途径和产乙醇途径等天然代谢途径,从分子改造的角度总结了产乙酸菌利用一碳气体发酵生产高附加值产品如乙醇、2,3-丁二醇、丙酮、异丙醇等的相关研究进展,并从提高能量供给和产物选择性的角度进行了总结。最后,本文以能量代谢为切入点对产乙酸菌转化一碳气体进行了展望,以期为未来的生物制造提供参考。

一种产氢产乙酸菌互营共培养体的筛选及其群落结构解析

厌氧消化系统中的产氢产乙酸菌在营养生态位上位于产酸发酵菌群和产甲烷菌群之间,在功能上起着承上启下的重要作用。该菌群具有与耗氢菌互营共生的特性,其分离纯化非常困难。为了深入了解其生理生态特性,为开发高效的厌氧生物处理技术提供理论基础,采用丙酸和丁酸混合培养基,以具有甲烷发酵功能的厌氧活性污泥为出发菌群,进行了产氢产乙酸菌互营共培养体的选育,并借助于PCR-DGGE技术对其菌群结构进行了解析。经过选择培养基的不断传代培养,最终筛选到2个产氢产乙酸互营共培养体7-m-2a和11-O-1。这2个共培养体不仅对丙酸和丁酸具有很强的降解和产乙酸能力,而且不产甲烷和硫化氢。在这种非产甲烷菌和非硫酸盐还原菌与产氢产乙酸菌组成的互营共培养体中,含有专性的互营产乙酸菌Desulfotomaculum sp.Iso-W2及其伴生菌,其中的伴生菌是能利用甲酸盐和H2/CO2的Uncultured bacterium 054E12_B_DI_P58和Sedimenti bactersp.JN18_A14_H。对这一新的产氢产乙酸菌互营共培养体的发现和选育成功,为更全面地研究产氢产乙酸菌的生理生态特性提供了样本。

工业化UASB厌氧颗粒污泥产氢产乙酸菌群分析

合成特异性探针,应用荧光原位杂交(FISH)技术分析阿维菌素废水处理工业化升流式厌氧污泥床(UASB)反应器颗粒污泥产氢产乙酸菌群分布和相对丰度,并测定菌群活性.结果表明:不同形成阶段颗粒污泥表面和内部剖面,产氢产乙酸菌、食丙酸盐产氢产乙酸菌和食丁酸盐产氢产乙酸菌的分布形态相同;产氢产乙酸菌平均相对丰度范围为(10.08±0.81)%～(28.06±2.12)%.成熟期颗粒污泥中产氢产乙酸菌相对丰度最大;颗粒污泥表面产氢产乙酸菌相对丰度大于内部剖面;食丙酸盐产氢产乙酸菌相对丰度大于食丁酸盐产氢产乙酸菌.阿维菌素残留对产氢产乙酸菌群具有抑制作用.不同形成阶段颗粒污泥最大比产乙酸速率范围为0.912～1.145g/(g.d),且与产氢产乙酸菌群相对丰度变化趋势一致.

一株产氢产乙酸菌的生长条件及产乙酸特性

在参与有机废水厌氧生物处理的各类微生物菌群中,产氢产乙酸菌群在功能生态位上起着承上启下的作用,对产氢产乙酸过程的强化,将有助于提高厌氧生物处理系统的效能。在前期研究中,通过丙酸和丁酸混合培养基,从厌氧活性污泥中筛选到一株双歧杆菌属(Bifidobacterim)的产氢产乙酸菌AX3。间歇培养试验结果表明,菌株AX3可在pH7.0、30℃条件下获得最佳增殖,不仅对丁酸和丙酸具有很高的乙酸转化率,同时也可发酵多种双糖和淀粉,并产生一定数量的乙酸。作为氮源,氯化铵比尿素更能有效地促进菌株AX3的增殖。

一个产氢产乙酸菌互营共培养体的培养基优化

营养生态位位于产酸发酵菌和产甲烷菌之间的产氢产乙酸菌,其分离培养困难,种子资源匮乏,限制了基于强化产氢产乙酸功能作用的高效厌氧生物处理技术的开发.在前期获得对丙酸具有较强降解能力的产氢产乙酸菌互营共培养体7-m-2a的基础上,探讨了丙酸质量浓度、氮源、Ca2+、Fe2+、Mg2+和泛酸等对其生长代谢的影响.结果表明,培养基中适宜的丙酸钠和Fe2+、Mg2+、泛酸质量浓度分别为10 g/L和88、38、30 mg/L,最佳氮源是由质量浓度为0.33 g/L的酵母膏、胰蛋白胨和NH4Cl组成的复合氮源.在优化条件下38℃培养30 d,7-m-2a对丙酸的降解速率和乙酸产量分别可达998 mg/(L.d)和3 947 mg/L.

同型产乙酸菌研究进展及其环境生物技术应用

同型产乙酸菌(homoacetogen)是一类既能利用多种有机底物异养生长,又能利用CO2/H2或者CO自养生存的厌氧微生物类群.其对各类生态环境适应能力强,可以通过厌氧乙酰辅酶A途径将不同底物转化为乙酸、乙醇等有机物.随着化石能源的枯竭与对同型产乙酸作用理解的加深,同型产乙酸菌逐步应用于有机物或者合成气厌氧发酵、环烃类有机污染物降解等环境生物技术中,成为近年来的研究热点.选择了一些研究较为广泛的同型产乙酸菌类型,介绍了相关生理生态特性,以及近年来针对同型产乙酸菌的环境应用研究进展.

生物制氢反应器产氢产乙酸菌群对挥发酸的转化

采用间歇培养的方式,利用取自生物制氢反应器的厌氧活性污泥考察了活性污泥中产氢产乙酸菌群对乙醇、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和乳酸的转化和产氢。结果表明,培养时间为44h时,厌氧活性污泥发酵葡萄糖的累计产气量为356mL,累计产氢量为209mL,氢气含量为58.7%。发酵产物的组成成分乙醇为427.1mg/L、乙酸为716.5mg/L、丙酸为172.5mg/L、丁酸为689.4mg/L、戊酸为123.6mg/L。发酵生物制氢反应器厌氧活性污泥中产氢产乙酸菌群能够对乙醇和乳酸进行产氢产乙酸转化,厌氧污泥转化乙醇形成的乙酸含量约为270mg/L,累计产氢量为15mL;转化乳酸形成的乙酸含量约为190mg/L,累计产氢量为7mL。厌氧污泥不能对乙酸、丙酸、丁酸和戊酸进行产氢产乙酸转化,培养过程中也没有气体生成,分析认为产氢产乙酸菌群对挥发酸的转化不是发酵生物制氢反应器产氢的主要途径。

产氢产乙酸菌株AX2的生长条件及产乙酸特性

产氢产乙酸菌群在参与厌氧消化过程的各类微生物菌群中起着承上启下的作用,然而,目前产氢产乙酸菌的纯培养物很少,对其生理生态习性的了解也十分有限.为增加产氢产乙酸菌资源,了解其生理生化特性,通过丙酸和丁酸混合培养基,从厌氧活性污泥中筛选到一株具有产氢产乙酸特性的葡萄球菌(Staphylococcus)AX2,对其生长条件及转化丙酸和丁酸为乙酸的能力进行研究.结果表明,菌株AX2在丁酸培养基(2.4 g/L)和丙酸培养基(2.31 g/L)中的乙酸产量可分别达到278 mg/L和222 mg/L,并在以氯化铵为无机氮源、pH为7.0、35℃等条件下具有最佳的增殖能力.菌株AX2对丙酸、丁酸有较强的乙酸转化能力.

通过强化产乙酸菌途径实现瘤胃甲烷减排

产乙酸菌是一类形态、营养和生理特征极其多样化的厌氧微生物。以二氧化碳为终端电子受体的氢依赖性乙酸生成过程与甲烷生成过程相比,热力学上处于劣势。产乙酸菌的代谢多样性使其广泛存在于自然界和动物肠道内。白蚁、鸵鸟和袋鼠等物种胃肠道内的产乙酸菌利用氢生成的乙酸可以满足动物自身7%～33%的能量需要。瘤胃内也有产乙酸菌定植,是否可以通过强化瘤胃内产乙酸菌的代谢途径,减少反刍动物甲烷排放。为了回答这一问题,本文就瘤胃中产乙酸菌的菌群结构、产乙酸菌与产甲烷菌的竞争关系、产乙酸菌的利用战略进行了探讨。

产乙酸菌合成气发酵的研究进展

合成气发酵已经成为当今研究热点之一。本文从菌种、代谢途径、发酵条件三个方面对合成气发酵进行了综述,并对今后的发展方向进行了展望。

碳一气体生物转化中的产乙酸菌改造与发酵工艺优化

当前的线性经济发展模式依赖化石能源且增加二氧化碳的排放,加剧全球变暖和环境污染。因此,亟需开发碳捕获和利用的技术,建立循环经济。利用产乙酸菌进行碳一气体(一氧化碳和二氧化碳)转化是一项前景广阔的技术,具有较高的碳源灵活性和产物选择性,能够合成多种化学品和燃料。本文聚焦产乙酸菌在碳一气体转化过程中的生理代谢机制、遗传和代谢工程改造、发酵工艺优化以及提升碳原子经济性等方面的研究进展,以期为产乙酸菌气体发酵的工业规模放大及“负碳”生产提供参考。

产氢产乙酸菌ZR-1的分离鉴定及产酸特性

采用改良的亨盖特厌氧操作技术,从有机废水污泥中分离到一株耐低温高效产氢产乙酸菌ZR-1。经过对其形态学观察、生理生化特征研究及16S rRNA序列比对,初步鉴定为梭状芽胞杆菌属的乙二醇梭菌(Clostridium glycolicum)。通过单因子实验,在厌氧条件下对该菌株的培养温度、pH、最适底物、金属离子的影响等产酸条件进行了优化。结果表明该菌株最适生长温度37°C,最佳培养基初始pH值8.5,最适发酵底物丁酸盐,Mn2+对其产酸有一定的激活作用。最适培养条件下丁酸盐降解率达到12.7%,H2含量达到了28.73%。

富集同型产乙酸菌污泥厌氧产酸

在污泥厌氧发酵产酸过程中,以富集同型产乙酸菌的污泥为研究对象,通过pH值、种泥浓度和底物浓度的变化,对发酵过程中有机酸分布和乙酸累计情况进行实验研究。实验结果表明,碱性条件有利于产乙酸菌的生长,但影响产氢产乙酸菌,尤其是丁酸降解菌的作用。产氢产乙酸菌和同型产乙酸菌的互营作用在发酵6 d后广泛存在;底物浓度过大,产氢产乙酸与同型产乙酸的互营机制受到抑制。

厌氧降解丁酸共培养物中产氢产乙酸细菌与产甲烷细菌的分离与再组合

由处理啤酒厂废水的厌氧消化器颗粒污泥中分离和纯化了一个能厌氧降解丁酸产生甲烷的共培养物BF2。共培养物BF2可降解包括异丁酸在内的含4～18个碳原子的脂肪酸,最适生长温度37℃,最适pH7.7。以巴豆酸为底物,成功地将共培养物BF2分离为专性质子还原产乙酸细菌沃尔夫互营单胞菌嗜脂肪亚种菌株CF2和产甲烷细菌甲酸甲烷杆菌菌株MF2两个纯培养,将它们再组合后仍可降解丁酸。菌株CF2与亨氏甲烷螺菌、布氏甲烷短杆菌菌株1125、甲酸甲烷杆菌菌株1535和普通脱硫弧菌G11组合成人工共培养物,可以厌氧降解丁酸。

同型产乙酸菌株CA3及其发酵葡萄糖产乙酸条件优化

同型产乙酸菌纯培养物的获得,可为研究其在厌氧生物处理系统中的生理生态功能以及生产化工溶剂乙酸提供种质资源.以CO2为碳源,采用改良Hungate厌氧技术,从厌氧活性污泥中分离得到一株同型产乙酸菌CA3.该菌株为严格厌氧,卵形,G＋,可利用H2/CO2产乙酸,也能发酵葡萄糖、果糖等产生乙酸.16SrRNA基因序列比对及系统发育树构建结果表明,CA3隶属Blautia sp..菌株CA3能在20～45℃的温度范围内生长,最适生长温度为35℃,最适初始pH值为8.0.在最适条件下,菌株CA3利用H2/CO2产乙酸速率可达8.92mg/（L·h）;以酵母粉作为氮源发酵葡萄糖时,发酵体系的乙酸浓度可达1370mg/L.

同型产乙酸菌富集物的群落解析及转化合成气产乙酸

合成气生物转化是一项具有巨大应用前景的技术,对大力开发可再生资源和促进国家可持续发展具有重要意义.本研究采集牛粪样品进行同型产乙酸菌富集培养,利用富集物分别在中温(37℃)和高温(55℃)条件下生物转化H2/CO2气体,通过克隆文库技术分析中温和高温富集物的微生物群落组成,GC气相色谱法检测气体转化产生的挥发性脂肪酸(VFAs)浓度.结果表明,牛粪样品中温富集物和高温富集物同型产乙酸菌数量分别增长了77倍和189倍,富集物中同型产乙酸菌分布于Clostridium、Oxobacter、Caloramator、Thermoanaerobacter及Moorella属,其中Clostridium属最多.同型产乙酸菌富集物在中温和高温条件下利用H2/CO2气体生成的最高乙酸浓度分别为43和38 mmol/L.该富集物可稳定、持续、有效地生物转化H2/CO2气体产乙酸,并且偏碱性、中温条件有利于提高转化效率.本文研究表明这种区别于传统纯培养法的混合培养技术能够达到产乙酸的目的,可为合成气生物转化提供新思路.

筛选生物转化H_2/CO_2气体产乙酸的同型产乙酸菌混培物

同型产乙酸菌是一类具有巨大工业应用潜力的微生物类群,可利用合成气生成乙醇和乙酸等燃料和化学品。本研究采集城市污泥样品利用Hungate滚管法进行同型产乙酸菌的筛选,并利用其进行H2/CO2气体的生物转化,研究了p H对其乙酸和乙醇生成情况的影响。结果表明,所获得的同型产乙酸菌混培物组成为永达尔梭菌,纺缍形赖氨酸芽胞杆菌和蜡样芽胞杆菌等。该混培物最适p H为5-7。p H为7时混培物利用H2/CO2气体得到乙酸浓度可达到31.69 mmol/L。本研究获得了一种可利用H2/CO2合成乙酸的同型产乙酸菌混培物,为合成气生物转化的工业应用提供了有效的微生物资源。

产乙酸复合菌系Th3培养及其在沼气厌氧发酵中的应用

为有效提高厌氧发酵过程中乙酸转化率和甲烷产量,将CD-2(Clostridium sordellii)、ZY-3(Clostridium bifermentans)和ZQ-1(Clostridium butyricum)3株利用不同底物的产乙酸菌混合培养,人工构建一个高效产乙酸复合菌系Th3,通过试验确定其最佳发酵条件为:初始pH值为7.0-8.0,按ZQ-1、ZY-3、CD-2顺序接种,CD-2:ZY-3:ZQ-1接种比例(体积比)为1:2:1,总接种量6%,30°C静置培养,乙酸产率达0.65g/(L·d)。经过代谢稳定性测定,Th3连续培养10代,乙酸产量维持稳定。复合菌系Th3应用于室内沼气发酵,(26±1)°C,在发酵初期和中期加入复合菌系Th3均能显著提高沼气日均产气量和产气率,初期添加可缩短发酵启动时间2～3d。在发酵末期加入复合菌剂对整个发酵产气过程没有显著影响。该研究不仅为构建高效微生物菌剂、提高厌氧发酵效率和发酵过程优化提供基础参数,而且表明该复合菌在沼气生产中有一定的应用价值。

一株新型同型产乙酸菌Clostridium sp.的自养和异养生长特性

【背景】同型产乙酸菌是一类利用乙酰辅酶A途径固定CO_2合成自身细胞物质并生成乙酸、乙醇等代谢产物的厌氧菌群,其分布广泛、种类繁多且代谢多样。深入研究同型产乙酸菌菌株的代谢能力及特性,对探索该种群的生理生化特性及其环境作用至关重要。【目的】研究一株同型产乙酸菌Clostridium sp. BXX的最适培养条件及其自养与异养生长特性。【方法】设置BXX菌株培养温度10-55°C、初始pH 6.0-9.0、NaCl浓度0-2.0%、不同氮源,测定菌体细胞含量和产物生成浓度,确定菌株最适培养条件。研究BXX菌株分别以H_2/CO_2、合成气、CO、葡萄糖、1,2-丙二醇、甲酸钠、乙二醇甲醚、甘油、丙酮酸和乳酸为底物时的底物消耗、产物生成、菌体细胞含量和pH等,探究其自养和异养生长特性。【结果】BXX菌株的最适培养温度为30°C,初始pH为7.0,NaCl浓度为1.0%,氮源为酵母粉。BXX菌株能以H2/CO2、合成气、葡萄糖、1,2-丙二醇、甲酸钠、乙二醇甲醚和甘油为底物生长,不能以CO、丙酮酸或乳酸为底物生长。【结论】BXX菌株既能自养生长产乙酸,又能异养生长产乙醇。BXX菌株是乙酸发酵的优良菌种资源,有较好的工业应用潜力。

外源添加产乙酸菌和酿酒酵母发酵物对瘤胃发酵特性及产乙酸菌菌群结构的影响（英文）

目的:酵母可以促进产乙酸菌利用氢生成乙酸。为了解产乙酸菌在瘤胃发酵中的作用,本试验研究了产乙酸菌单独添加及其与酿酒酵母发酵物联合添加对瘤胃发酵特性及产乙酸菌菌群结构的影响。创新点:通过瘤胃甲烷生成量与产乙酸菌菌群结构关联,揭示降低瘤胃甲烷生成的新途径。方法:试验采用2×2双因素试验设计,产乙酸菌TWA4的添加量为0和2×107 cells/ml,酿酒酵母发酵物XP的添加量为0和2 g/L。结论:瘤胃体外发酵研究发现,单独添加XP以及TWA4和XP联合添加可增加挥发性脂肪酸产量(P<0.05),TWA4和XP联合添加显著增加了甲烷生成量(P<0.05)。单独添加TWA4、XP以及两者联合添加均增加了含有甲酰四氢叶酸合成酶的微生物的数量,尤其是产乙酸菌的数量,这类微生物的增长幅度高于产甲烷菌。各处理产乙酸菌均以Lachnospiraceae为主,但与已培养的微生物的相似性较低。与Acetitomaculum ruminis低相似性的一类未知的产乙酸菌在各处理中均占优势,但XP的添加增加了与Eubacterium limosum低相似未知产乙酸菌的数量。与XP不同,TWA4及其与XP的联合添加使与A.ruminis低相似性的一类未知的产乙酸菌的数量增加,与E.limosum低相似未知产乙酸菌的数量降低。因此,添加与E.limosum低相似的未知产乙酸菌和(或)酵母可能是降低瘤胃甲烷生成的一种有效途径。