热纤梭菌在生物质能源开发中的合成生物学研究进展

农林废弃物、能源植物、微藻等生物质是唯一同时具备“能源”和“物质”双重属性的可再生资源,在替代不可再生的化石能源方面具有巨大的潜力。木质纤维素生物转化的核心之一在于高效生物催化剂的构建。热纤梭菌是高效降解木质纤维素的嗜热厌氧菌,是多种木质纤维素生物转化策略的理想底盘菌株,在生物质能源开发中具有重要价值。经过近二十年的研究和开发,针对热纤梭菌已经建立了多种遗传改造技术,并构建了可以生产多种能源分子及化学品的热纤梭菌细胞工厂。本文首先介绍了热纤梭菌及其纤维素降解与利用特性,简述了热纤梭菌的系统生物学研究和遗传改造工具开发的现状,随后重点回顾和总结了热纤梭菌在生产乙醇、丁醇、异丁醇、氢气、乳酸、中/短链脂肪酸酯和可发酵糖等生物能源开发中的合成生物学研究进展。最后对热纤梭菌的合成生物学发展方向进行了展望,并强调了合成生物学技术在未来生物质能源开发中的重要作用。

面向高效光驱固碳产醇的蓝细菌合成生物技术研究进展

蓝细菌能够直接利用二氧化碳和太阳能通过光合作用生产乙醇,为提供绿色生物燃料提供了一条有前途的可持续路线。光驱固碳合成乙醇是最具代表性的蓝细菌光合生物制造技术。乙醇并不属于典型的蓝细菌天然代谢物,蓝细菌产醇细胞工厂的构建需要通过向基因组中导入异源的丙酮酸脱羧酶并结合异源/内源醇脱氢酶的过量表达来实现;在过去二十多年间,通过蛋白、途径、底盘、工艺层面的系统优化,蓝细菌产醇细胞工厂的效能得到有效提高,乙醇成为目前产量最高、产率最高、碳流分配率最高的蓝细菌代谢工程产物。本文总结并比较了“蓝细菌生物质炼制产醇”“蓝细菌固碳产糖-产醇”“蓝细菌固碳直接产醇”等三种光驱固碳产醇技术路线,并以构建光合细胞工厂驱动二氧化碳一站式转化为乙醇的技术路线为主,从乙醇合成途径优化与强化、蓝细菌光合碳代谢网络的调节与重塑、代谢网络模型与计算机辅助设计引导细胞工厂构建和优化三个方面对蓝细菌高效光驱固碳合成乙醇的技术发展历程和基本现状进行了介绍,特别是强调了计算生物学、系统代谢工程、生物材料嵌合等研究手段在本领域的应用进展;在此基础上,也从新型底盘开发、高通量筛选技术应用、细胞工厂的稳定性与鲁棒性优化等角度对蓝细菌固碳产醇的未来发展方向进行了展望。

原位电离质谱技术在微生物菌株筛选中的应用进展

质谱是一种强大的分析工具,可提供分子量和化学结构信息。它具有高特异性、高灵敏度、快速、普适性、微量和非标记等优点。在合成生物学的“设计-构建-测试-学习”工程化策略中,质谱具有重要的应用潜力。随着质谱仪器及其方法体系的不断发展,质谱,特别是原位电离质谱技术,已经成为检测和筛选微生物菌株的重要工具。它能够获取完整的细胞代谢表型,用于合成生物学中的“测试”环节高通量筛选和成像。本文重点介绍了经典的基质辅助激光解吸/电离质谱技术和基于电喷雾、激光和等离子体的原位电离质谱技术的工作机制。此外,还综述了这些质谱技术可以在无需样品预处理的情况下直接检测完整的微生物细胞,以及在微生物突变文库的高通量筛选和活微生物菌落的质谱成像方面的研究进展。最后,总结了原位电离质谱技术在合成生物学中的应用。原位电离质谱技术具有微量、无标记、高通量、普适性、高灵敏度等特点,将在合成生物学“测试”环节的高通量筛选装备中发挥重要作用。

LiBr辅助球磨预处理提升玉米芯木糖渣酶解转化葡萄糖效率的研究

本研究以玉米芯木糖渣(CCR)为原料,研究了LiBr辅助球磨预处理促进CCR酶解转化葡萄糖的效果。经单因素分析,LiBr辅助球磨预处理CCR较优的工艺条件为:球磨时间6.0 h、LiBr添加量50%和CCR固体含量80%;此预处理条件下的CCR无需水洗分离LiBr,在保留木质素的情况下实现了CCR的高效酶解;在纤维素酶用量为5 FPU/gCCR的情况下,酶解葡萄糖产率可高达95%。分析表征结果显示,LiBr辅助球磨预处理可高效破坏CCR中纤维素的结晶结构,降低了结晶度,使其具有无定形结构,提高了CCR的孔隙率,从而显著促进了CCR的酶水解。

利用多层薄层贴壁光生物反应器室外培养螺旋藻的研究

设计开发一套新型多层薄层贴壁光生物反应器装置,利用其在室外进行螺旋藻(Spirulina sp.)的高密度培养,对适合螺旋藻的工业贴壁介质材料及光稀释倍数进行初步考察和评价。实验结果表明:附着在超细纤维毛巾上的螺旋藻生物量产率(30~60 g/(m^2·d))要高于附着在植绒材料上的螺旋藻生物量产率(10~40 g/(m^2·d));在实验期间,当光稀释倍数达到10×时,螺旋藻的生物量产率可达到45~60 g/(m^2·d),明显高于2.5×及5×光稀释倍数下的生物量产率;连续培养8 d的螺旋藻平均生物量产率达到30.3 g/(m^2·d),且其营养成分与传统液体培养的螺旋藻营养成分一致。上述结果为该反应器的规模化应用提供支持。

利用响应面法优化海洋微生物发酵产角鲨烯的研究

采用响应面法对海洋微生物Pseudozymasp.SD301发酵产角鲨烯培养条件进行优化。在单因素实验结果的基础上,通过Design-Expert软件对葡萄糖浓度、接种量、培养温度、装液量进行4因素响应面实验设计,以角鲨烯产量为响应值,优化菌株Pseudozymasp.SD301的培养条件,并验证响应面预测值与实测值的一致性。结果表明,在葡萄糖浓度为67.2g·L-1、接种量为1.5%、培养温度为26℃、装液量在41mL/250mL的最优培养条件下,角鲨烯产量为1.152g·L-1,比出发条件提高了3.62倍,实测值与响应面预测值吻合良好。

制浆造纸厂实行生物炼制的可行性

生物炼制是解决石化资源紧缺的新途径,而制浆造纸厂是生物炼制技术最容易实现产业化的平台。文章综述了制浆造纸厂中半纤维素、木质素、松节油、妥尔油等废弃生物质进行生物炼制的可行性及存在的问题,并对发展前景作了展望。

基于开放池培养的微藻生物柴油经济成本分析

通过广泛的文献调研和专家咨询，构建微藻生物柴油经济成本估算模型，依据中国市场行情对基于开放池培养的微藻生物柴油经济成本进行估算分析。结果表明：目前中国基于开放池培养的微藻生物柴油理论成本可达4．2-5．9万￥／t，其中土地、营养盐、碳源以及设备折旧占较高比例，分别为25．50％、19．29％～27．04％、14．01％。19．65％和9．96％-14．13％。从技术环节看，79．44％～85．16％的经济成本集中于养殖环节。提高微藻生长率、油脂含量和碳吸收率，增强其对环境的适应能力以及寻找低成本的碳源和营养盐源是降低微藻生物柴油经济成本的主要途径。

纤维小体在合成生物学中的应用研究进展

纤维小体是一种高效降解木质纤维素的多酶复合体,主要由自然界中一些梭菌纲厌氧细菌合成及分泌。纤维小体具有模块化、多样化、自组装、协同高效、底物自适应等特征,与合成生物学的工程化策略非常吻合,近年来在生物技术特别是合成生物技术中得到了大量的应用。本文简要介绍了纤维小体的基本架构和高效作用机制,从不同的方面综述了纤维小体在合成生物学研究中的应用研究进展,包括人工纤维小体、底物通道与合成代谢通路构建、细胞表面展示与酶固定化、仿纤维小体设计与构建等。并对纤维小体当前研究的热点问题及其在合成生物学中的应用方向进行了展望,可以预见,基于纤维小体研究所获得的多种蛋白质元件以及建立的工程化策略将在合成生物学中发挥重要作用。

微藻合成生物技术发展总结与展望:从底盘细胞到光合生物制造

光合生物制造技术是一种全新的生物制造模式,其以光合微藻为底盘,将太阳能和二氧化碳在单一过程、单一平台直接转化为生物燃料和生物基化学品,可以同时起到固碳减排和绿色生产的效果。光合生物制造技术走向工程化、规模化、产业化推广和应用,技术核心是开发生长速度快、合成效率高、工业属性强的高效能光合细胞工厂以及与之适配的过程工程技术体系,而技术取得突破的基础和关键则是优质微藻底盘细胞的开发。从微藻底盘细胞的基因组编辑和调控、微藻代谢网络的优化重塑与定向扩展、微藻光合细胞工厂工业应用属性的优化这3个层面,介绍如何应用合成生物学工具和策略开发"可编辑、可控制、可应用"的微藻底盘细胞和光合细胞工厂,进而推动光合生物制造技术在工业环境下的成功应用。

一种经济高效温和的生物质预处理新方法——动态挤压法

目前阻碍木质纤维原料生化转化为能源、材料或高附加值化学品的关键瓶颈问题是缺乏经济高效的生物质预处理及组分分离技术.本研究利用自行设计的动态挤压设备协同廉价化学药剂共作用处理玉米秸秆,通过挤压机对秸秆纤维的剪切、撕裂作用及化学脱木质素行为,解决传统单一物理或化学预处理方法能耗高、效率低及组分分离困难等问题,提高了纤维质生物转化的活性,降低预处理及组分分离过程的成本.与传统预处理工艺相比,整个过程用水量少、条件温和、能耗低,对后续生物转化过程有抑制作用的副产物生成量少,设备简单、易维护、易放大,具有良好的工业化前景.

富油微藻——尖状栅藻生物质生产与奶牛场废水处理相结合的效果研究

尖状栅藻（Scenedesmus acuminatus）是一株新近分离的富含油脂淡水绿藻，分别选用4种不同NaNO3初始浓度的BG－11培养基和4种不同浓度的奶牛场废水，在φ3．0 cm柱状光生物反应器中对其进行培养。试验结果显示，在BG-11培养纰中，NaNO，初始浓度为6．0mmol／L时尖状栅藻的生物量最大，达到9．5 g／L；3．6mmol／L时总脂含量最高，为藻体干重的62．6％。在废水培养组中，100％废水培养时藻生物量最大，达到12．2g/L；25％的废水培养时总脂含量最高，为藻体干重的62．4％；尖状栅藻的脂肪酸碳链长度为14～18 C，与石化柴油的平均碳链长度十分相近；在培养过程中该藻能有效地去除废水中的氮和磷．去除效率分别达到93．2％和99．4％。利用奶牛场废水培养富含油脂的尖状栅藻（S．acuminatus）不仅能够有效去除废水中的氮和磷等营养成分，还能为生物柴油生产提供有价格竞争优势的原料。

微乳化生物柴油的制备及其性能研究

微乳化生物柴油是一种比生物柴油更节能环保的绿色能源,其工业化应用有重大经济意义。现有技术中微乳化生物柴油研究存在稳定性差、保存周期短等缺点,本研究的目的是提供一种透明、稳定、燃烧热值高的微乳化生物柴油。通过对非离子型表面活性剂EL12、两性离子表面活性剂卵磷脂和阳离子表面活性剂氯化十六烷基吡啶的复配,发现:1.3%EL12,0.7%卵磷脂和0.5%氯化十六烷基吡啶复配的微乳化生物柴油具有较好的稳定性,其燃烧热值高于纯生物柴油,且其粘度、pH值、氧化安定值等物理特性符合国家柴油机燃料调和用生物柴油标准。

丙酮丁酸梭菌ATCC 55025与醇溶剂的生物相容性与毒性机理研究

为了评价醇溶剂与丙酮丁酸梭菌ATCC 55025生物相容性,通过膜临界浓度模型计算出ATCC 55025膜临界浓度,可以用来指导溶剂筛选。实验中选择了14种醇溶剂,用溶剂的亲水疏水相互作用参数log Poct关联代谢活性来评价14种醇溶剂的对ATCC 55025生物相容性;通过对5种生物不相容醇溶剂稀释的方法,采用膜临界浓度模型计算出了丙酮丁酸梭菌ATCC 55025的膜临界浓度。结果表明:当醇溶剂的log Poct大于7的时候,该溶剂于ATCC 55025是相容的;ATCC 55025耐受的临界液相溶剂浓度是52.23 m M;这将为促进发酵和丁醇原位发酵萃取溶剂筛选提供了理论支持。

工业丝状真菌土曲霉合成生物技术研究进展及展望

丝状真菌作为一类重要的微生物,在食品、医药、化工等国计民生领域发挥了重要作用,其合成生物技术的发展已经展示了更大的工业应用潜力。土曲霉是一种非常具有工业生产价值的丝状真菌,是生物基化学品衣康酸和降血脂药物洛伐他汀的工业生产菌,展现出了强大的天然产物合成能力和突出的工业发酵性能,具有成为典型性丝状真菌底盘细胞应用于合成生物技术开发的价值。近年来,在土曲霉工业菌株改造与发酵工艺优化、生物合成机制解析等方面都开展了系列的研究,显著推动了其合成生物技术研究的发展。本文综述了土曲霉合成生物技术工具开发、衣康酸和洛伐他汀工业生产菌株改造优化、次级代谢产物生物合成机制解析等方面的最新研究进展,并对土曲霉的合成生物技术应用前景和发展方向进行了展望。挖掘土曲霉底盘细胞在合成生物学研究中的优势,可以更好地拓展合成生物技术的应用。

纤维素基湿度响应形状记忆材料的研究进展

纤维素制备的湿度响应形状记忆智能材料在湿度传感器、智能穿戴组件、医用植入材料、柔性电子设备等领域具有重要的应用前景。本文综述了纤维素基湿度响应形状记忆材料的形变机理及研究现状,并提出了目前研究面临的问题及材料性能的优化策略。最后,展望了纤维素形状记忆材料未来的发展方向,为后续针对性地精准构筑高湿度敏感性、快速响应、形变稳定的全生物降解型纤维素基形状记忆材料提供借鉴。

纤维素纳米纤丝复合材料在药物缓释中的应用

纳米纤维素具有可再生、环境友好、可生物降解、比表面积大、弹性模量高、生物相容性好等优异特性。利用纤维素纳米纤丝开发药物载体材料,有助于促进农林生物质资源的高值化应用。本文系统地综述纤维素纳米纤丝复合水凝胶材料、复合气凝胶材料、复合膜材料在药物缓释领域中的研究现状,阐述其药物缓释机理,并展望纳米纤维素在药物缓释领域的发展方向。

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。

废旧锂电池有价金属的有机酸浸出动力学研究

废旧锂电池中正极材料的湿法浸出是其有价金属回收的关键步骤之一。将废旧镍钴锰酸锂电池放电、手动拆解、煅烧得到正极粉末,研究了柠檬酸、酒石酸、抗坏血酸三种混合有机酸浸出正极材料有价金属的最佳条件:柠檬酸浓度0.8 mol/L、酒石酸浓度0.2 mol/L、抗坏血酸浓度0.3 mol/L,固液比20 g/L、搅拌速率600 r/min、反应温度70℃、反应时间120 min。在此条件下,有价金属的浸出率分别为Li:97.7%、Co:95.6%、Ni:94.6%、Mn:92.6%。用未反应收缩核模型对有机酸浸出反应进行了动力学分析,锂、钴、镍、锰的浸出反应活化能分别为30.55、46.92、42.67、49.98 kJ/mol。

溶解浆生产技术现状及研究进展

概述了目前国内外溶解浆的生产技术现状及研究进展,介绍了由纸浆直接制备溶解浆的生产技术,从而提高相关产业的竞争力,实现传统工业的发展和变革。