转基因技术在能源植物育种中的应用

由于能源危机与环境污染问题日益严重,能源植物以其安全、环保、可再生和低成本等特性,成为能源开发的一个热点。随着转基因技术的不断进步,利用转基因技术培育高产、优质、高效新型能源植物新品种也取得了相应的成果。本文简要介绍了能源植物的概念和分类,概述了转基因技术在提高植物总生物量、降低植物木质素的含量、在植物中过表达纤维素降解酶、以及提高油料植物含油量等方面的应用现状,并探讨了该技术在能源植物遗传改良中的应用前景,以期为后续的能源植物新品种培育等研究和应用提供参考。

乳酸菌Lactobacillussp.strain2-3厌氧发酵蜂花粉的工艺优化

为提高蜂花粉的营养价值，将从蜂粮中分离获得的乳酸菌Lactobacillus sp．strain 2-3用于蜂花粉厌氧发酵，以活菌数、感官评分作为主要考察指标，在单因素基础上对蜂花粉厌氧发酵工艺进行优化，通过对正交实验的9个实验组的乳酸菌活菌数、感官评分、总黄酮、总酚、DPPH自由基清除率、甲酸、乳酸、乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸、异戊酸、还原糖等指标进行检测，对实验结果进行显著性分析和相关性分析，选取代表性指标活菌数、感官评分、异丁酸进行正交优化分析，确定乳酸菌厌氧发酵蜂花粉的最优工艺。结果表明，蜂花粉厌氧发酵的最优发酵工艺为：水分添加量50％、发酵温度37℃、乳酸菌接种量10％、发酵时间48h，发酵蜂花粉活菌数可达54．90×10^7 cfu／g，感官评分为13.33，异丁酸含量3．60mg／g。此外，总黄酮、总酚和DPPH自由基清除率相较于对照组分别提高了94．17％、83．75％、106．45％；挥发酸的种类更加丰富，产生了丁酸和异丁酸，总挥发酸含量也增加到167．80mg／g；还原糖含量增至48．70％。结果表明蜂粮源乳酸菌可以应用于蜂花粉发酵，提高了蜂花粉营养价值。

复合菌系预处理和强化对玉米秸秆沼气发酵效率的影响

为探讨复合菌系预处理和强化对提升玉米秸秆沼气发酵效率的影响,文章分别从纤维素酶活、纤维素降解率、表面结构特征、沼气发酵效率等方面系统分析了人工构建的好氧复合菌系AMC对玉米秸秆的预处理效果;同时研究了基于厌氧复合菌系ANMC的生物强化对玉米秸秆沼气发酵效率的影响。研究结果表明:AMC处理组和ANMC处理组的累积甲烷产量为233.09 mL·g^-1 VS和242.56 mL·g^-1 VS,相比对照分别提高了6.89%和11.23%;其中,ANMC处理对秸秆厌氧发酵过程中甲烷含量具有明显的提升作用。

酶添加对酿酒废糟干式厌氧消化产沼气效果的影响

酿酒废糟是白酒生产过程的主要副产物,其处理及资源化利用是亟待解决的问题。该研究拟采用干式厌氧消化技术处理日益增加的酿酒废糟,同时生产生物能源沼气。为了提高沼气产量,探讨了酶添加对酿酒废糟高温干式厌氧消化效果的影响,并监测了厌氧消化过程中污泥pH值,有机酸(volatile fatty acids,VFAs),可溶性有机碳(soluble total organic carbon,TOC)等系统参数的变化情况。结果表明,直接利用酿酒废糟进行干式厌氧消化,系统启动初期有有机酸积累,稳定发酵条件下的沼气产量约为270.7 m L·g^(-1)VS。向酿酒废糟厌氧消化过程中添加淀粉酶、糖化酶和纤维素酶能够显著促进沼气产量,沼气产率提高到337.6 m L·g^(-1)VS,有机酸浓度保持在较低的水平。分别对两体系中细菌和古菌16S rRNA基因进行定量PCR,结果表明,酶添加体系同对照相比参与厌氧消化过程的微生物数量显著增加。

运动发酵单胞菌在生物炼制中的研究进展

以木质纤维素生物质为原料的生物炼制技术已成为全球研发的热点和难点。欧盟国家和美国的中长期生物质能源发展路线图中均将木质纤维素生物炼制技术作为重要目标,但是目前整体水平尚处于中试阶段。我国的纤维素类生物质原料非常丰富,将其转化成燃料乙醇及生物基础化学品等具有较大的潜力,但当前要想实现商业化生产,还面临着很多瓶颈问题亟待解决。缺乏能够同时高效利用纤维素类水解物的发酵菌株,已成为纤维素生物质高效与高值转化的关键制约因素。运动发酵单胞菌是目前唯一一种通过ED途径兼性厌氧发酵葡萄糖的微生物,其独特的代谢途径使其成为构建产乙醇工程菌的优选宿主之一;同时由于该菌具有较高的糖利用效率等优点,也是其他生物基化学品生产的重要候选平台微生物,如山梨醇、葡萄糖酸、丁二酸和异丁醇等。本文从该菌的研究历程、分子生物学基础、菌种改良及该菌在生物能源及生物基化学品等生物炼制体系中的应用研究角度进行了综述,并提出该菌可作为纤维素生物质生物炼制系统的新的重要平台微生物。

厌氧分解纤维素细菌P4-3的产酶特性及其纤维小体组分的定位

中温厌氧纤维素分解菌P4-3可产生活性较高、热稳定性较强的纤维素酶。通过检测CMC酶活性,研究了培养时间、温度、培养基初始pH值、碳源和氮源对其产酶的影响。通过破壁处理,检测不同部位粗酶液中的CMC酶、滤纸酶及β-葡萄糖苷酶活性,分析了其纤维小体中三种酶组分的分布和比例。结果显示,利用滤纸和纤维二糖作为底物达到最大酶活的时间分别为144 h和72 h;产酶最佳温度为40℃,pH值为7.5,纤维二糖为最佳碳源,酵母粉为最佳氮源。培养144 h,CMC酶、滤纸酶及β-葡萄糖苷酶在上清液、未破壁菌体悬浮液与破壁菌体悬浮液中的活性比分别为9∶1∶1,14∶4∶3和6∶3∶4。

我国果酒发展及研究现状

果酒是以水果为原料,经发酵、调配等工艺制得的低酒精度饮料酒,其保留水果原有的风味及营养成分,因符合当前人们的消费需求而深受喜爱。该文简述了果酒的营养价值、种类和工艺流程,从果酒菌株选育、复合果酒开发、多菌株混合发酵、降酸技术、澄清技术以及香气成分等方面介绍了我国果酒的研究现状,阐述了我国果酒行业发展现状及存在的问题,并对果酒行业的未来进行了展望,为果酒产业品质的深入研究提供参考。

奶牛粪压榨液厌氧消化过程中氨和硫化氢抑制原位解除工艺研究

厌氧消化是实现畜禽粪污资源化利用的重要手段,但传统厌氧消化过程运行效率较低,处理过程中氨(NH_3)和/或硫化氢(H_2S)抑制是造成系统不稳定甚至崩溃的主要原因。该研究利用自主研发的厌氧消化耦合氨和/或硫化氢抑制原位解除系统,以奶牛粪压榨液为原料,探讨实现其稳定、高效处理的可行性。监测了厌氧消化过程中不同有机物负荷下产气效果和消化液理化性质,包括pH值,NH_4^+,SO_4^(2-),有机酸(volatile fatty acids,VFAs),可溶性有机碳(soluble total organic carbon,TOC)等的变化情况。结果表明,奶牛粪压榨液高温厌氧消化最大负荷达10 g VTS·L-1d-1,沼气生产效率和甲烷含量分别为920.5 m L·L-1d-1和63.7%。通过沼气内循环并向反应器通入微量空气(通入量为沼气产生量的3%),可以使反应器内NH_4^+浓度维持在1000 mg·L-1以下,沼气中H2S的含量维持在50 ppm以下,沼气质量明显改善。

纤维素类草本能源植物的研究现状

纤维素类草本能源植物具有很高的生物质产量、纤维素和半纤维素含量,对环境友好,是目前最有发展前途的生物质资源之一,欧洲和美国将其作为首选的生物质能源植物.本文介绍了柳枝稷(Panicum virgatum)、芒草(Miscanthus spp.)、芦竹(Arundo donax Linn)等几种主要纤维素类草本能源植物具有产量高、适应性强、用途广泛等特点;综述了纤维素类草本能源植物在国内外的研究概况,以及基因工程技术在降低植物木质素含量及在植物中过表达纤维素降解酶类方面的应用;进一步指出在我国存在纤维素类草本能源植物资源评估、选育滞后,相关技术还不完善等问题,进行充分开发利用将在缓解能源紧张、解决环境问题、促进农业和经济发展等方面有着良好的前景.

牛粪生物质资源综合利用研究进展

畜禽粪便是一种重要的廉价生物质资源，含有丰富的木质纤维素和矿质营养，但随意堆弃必然会对环境形成污染，同时造成资源浪费. 为促进实现畜禽粪便的循环再生利用，从牛粪肥料化利用、能源化利用和化学品生产原料3个方面综述牛粪生物质资源的研究进展，分析不同处理方式对牛粪利用效率的影响. 肥料化利用在一定程度上能消解环境中的牛粪，但因生产成本高、资源利用率低等问题限制了其大规模推广. 而牛粪厌氧发酵能产生清洁能源沼气，结合厌氧共发酵方式可以提高甲烷产率，并且发酵后的沼液可用于浸种和生物农药利用；同时牛粪可以作为制取乙醇的新型原料，通过分子生物学手段构建重组运动发酵单胞菌，扩大菌株的底物利用范围. 此外，牛粪作为乳酸、富马酸、纤维素等生物基产品的生产原料，丰富了牛粪利用方式. 最后提出在牛粪利用过程中加强对重金属和抗生素的脱除，着力研究沼气工程建设技术，稳定发酵温度，提高产率，同时构建糖利用范围广、乙醇得率高的菌株，发展多重牛粪利用方式，以实现牛粪生物质资源的高值高效利用. （图1 表1 参74）

利用Golden Gate “One-POT”技术组装运动发酵单胞菌转录单元

为研究运动发酵单胞菌合成生物学及代谢工程,评估运动发酵单胞菌内源启动子及终止子,需要建立一种方便有效的多基因代谢途径组装方法.通过Golden Gate方法构建了一个含有运动发酵单胞菌乙醇脱氢酶2编码基因启动子区(P_(adh2))、丙酮酸脱羧酶编码基因终止子区(T_(pdc))和绿色荧光蛋白开放阅读框(gfp)的人工转录单元.将含有IIS型限制内切酶Bbs I识别和酶切序列的特异性接头添加到P_(adh2)、T_(pdc)和gfp序列两侧,从而保证在一个反应体系中完成上述3个生物元件的酶切和连接,因此该技术被称作"One-POT".插入上述人工转录单元的穿梭质粒导入大肠杆菌和运动发酵单胞菌后可检测到发出绿色荧光的细胞.结果显示通过Golden Gate方法可有效组装转录单元所需DNA生物元件.本研究不仅可为运动发酵单胞菌合成生物学和代谢工程研究,尤其是设计多基因代谢途径组装方面提供技术工具,也可为评估运动发酵单胞菌内源启动子和终止子提供一种有效方法.

运动发酵单胞菌限制-修饰系统缺失突变株的构建及其性质分析(英文)

低遗传转化率阻碍了产乙醇模式菌——运动发酵单胞菌的遗传或分子生物学操作.本研究将运动发酵单胞菌菌株ZM4的5个限制-修饰系统相关基因失活,构建了5个限制-修饰系统突变菌株.研究结果表明:在突变株Zmmrr和Zm1933中,甲基化穿梭表达质粒pBBR1MCS-tet的电转化率分别提高了17倍和2倍,而限制修饰基因ZMO0575的失活则明显降低了甲基化修饰质粒和非甲基化质粒的转化率.较之其它3个突变株,突变株Zmmrr和Zm1933具有更高的遗传稳定性.发酵实验结果进一步表明这些限制-修饰系统突变株并未显著改变运动发酵单胞菌的主要性质,例如细胞生长、葡萄糖利用率和乙醇产量等.研究运动发酵单胞菌的限制-修饰系统将有助于构建适合于分子遗传操作的基因工程菌株.

从原料到产品:生物基丁二酸研究进展

丁二酸作为一种重要的有机化工原料及中间体,广泛用于生物高分子、食品与医药等行业,市场潜在需求量巨大;同时作为一种优秀的C4平台化合物,被认为是未来12种最具发展前景的生物炼制产品之一.近年来随着石化资源的日益枯竭及环境污染问题的日益严峻,以生物质为原料生产丁二酸等生物基产品的研究备受国内外研究者的关注.本文从产丁二酸菌种的种类及常见菌株产丁二酸的代谢途径、产丁二酸工程菌的改造、丁二酸发酵过程控制与优化、丁二酸的分离提取工艺等4个方面综述近年来国内外生物基丁二酸研究进展,其中以产丁二酸工程菌的改造为重点展开详细阐述.为提高菌株产丁二酸的能力,研究者们常采用代谢工程技术改造菌株,皆取得显著效果.近来也出现了利用ARTP法和基因组重排技术选育高产丁二酸的菌株.此外,高效的丁二酸发酵与其发酵原料,发酵过程中相关控制因素如p H、CO2和H2浓度以及发酵方式密切相关;相比其他的丁二酸分离法,原位分离法回收丁二酸具备优势.最后对产丁二酸菌种的改造进行展望,认为利用适应性进化和最小基因组等技术筛选优良丁二酸生产菌是未来的趋势.

产丁二酸运动发酵单胞菌的构建和发酵性能

丁二酸是一种重要的有机化工原料及中间体,微生物发酵法产丁二酸具有十分显著的经济和环境优势,但目前研究中的产丁二酸野生菌或工程菌发酵副产物较多,且大多数发酵过程中需严格厌氧,限制了在丁二酸工业化生产中的应用.本研究以运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis ZM4)为出发菌株,利用同源重组原理分别敲除其ED代谢途径2个关键酶基因——丙酮酸脱羧酶基因(pdc,ZMO1360)和乙醇脱氢酶基因(adh B,ZMO1596),以期获得能产丁二酸的重组工程菌株.通过同源重组成功获得敲除丙酮酸脱羧酶基因及乙醇脱氢酶基因的2株突变菌株,分别命名为ZM1360和ZM1596.发酵试验结果显示:在23 g/L葡萄糖的培养基发酵30 h,ZM1360和ZM1596丁二酸产量分别达2.8 g/L和0.67 g/L,乙醇产量分别下降16.7%和2.33%;而出发菌株Z.mobilis ZM4发酵液中则未能检测到丁二酸.与出发菌株Z.mobilis ZM4相比,ZM1360和ZM1596中丙酮酸脱羧酶(PDC)和乙醇脱氢酶(ADH)酶活也分别下降35.85%和69.51%;相应地,pdc基因表达下降了82%,基本无adh B基因表达.本研究表明,通过阻断Z.mobilis乙醇合成代谢途径,有利于丁二酸的积累,为构建新型高效的产丁二酸基因工程菌株奠定了一定基础.