High-efficient production of biobutanol by a novel Clostridium sp. strain WST with uncontrolled pH strategy
- 作者
- Sabarathinam Shanmugam, Chongran Sun, Xiaoming Zeng, Yi-Rui Wu
- 单位
- Department of Biology, Shantou University, Shantou, Guangdong, China 515063; STU-UNIVPM Joint Algal Research Center, Shantou University, Shantou, Guangdong, China 515063
- 杂志
- Bioresource Technology（2018）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2018.02.077
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
生物丁醇生产中产量低、依赖pH控制、副产物多等问题阻碍工业化，需要开发高产、低成本的新菌株和发酵策略。
研究策略
从红树林沉积物中分离鉴定新菌株Clostridium sp. WST，利用30 g/L葡萄糖或半乳糖作为底物进行批式发酵，考察在不控制pH条件下的丁醇产量、产率及自我调控能力。
核心内容
从红树林沉积物中分离获得一株新型梭菌Clostridium sp. WST，并系统评估其在不控制pH条件下利用葡萄糖和半乳糖生产生物丁醇的能力。以30 g/L葡萄糖为底物时，丁醇产量达16.62 g/L，产率0.54 g/g，同时产生12.08 L/L生物氢；以30 g/L半乳糖为底物时，丁醇产量12.11 g/L，产率0.55 g/g，该半乳糖产率显著高于已有报道。研究发现该菌株具备固有的强pH自我调控能力，完全无需外部pH控制，其丁醇产量与恒定pH 5.0条件（葡萄糖16.40 g/L、半乳糖11.86 g/L）相当，而pH升至7.0则抑制生长和产物合成。发酵过程中乙酸和丁酸最终降至可忽略水平，乙醇生成极少，副产物大幅削减。结果表明，WST菌株在低浓度底物下即实现目前梭菌批式发酵中的最高丁醇产率，且免除了pH控制步骤，具备显著降低生产成本、简化工艺的工业化潜力，为可持续生物丁醇生产提供了经济可行的新方案。
创新点
发现新菌株WST具有极高的丁醇产率（葡萄糖0.54 g/g、半乳糖0.55 g/g），其中半乳糖产率显著高于已有报道；菌株固有强pH调控系统使其完全无需外部pH控制；副产物（乙醇和有机酸）生成量可忽略不计。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium sp. WST | ABE途径（丙酮-丁醇-乙醇） | — | — | 催化 | 利用葡萄糖和半乳糖通过ABE途径合成丁醇，产量和产率为已报道最高。 |
| Clostridium sp. WST | — | — | — | 调控 | 菌株固有的强pH自调控系统，使发酵无需外部pH控制即可高效产丁醇。 |
关键发现
- 利用30 g/L葡萄糖时，丁醇产量达16.62 g/L，产率0.54 g/g，生物氢12.08 L/L，最大OD600为8.95
- 利用30 g/L半乳糖时，丁醇产量达12.11 g/L，产率0.55 g/g，生物氢4.22 L/L，最大OD600为5.20。在pH控制为5.0时，葡萄糖和半乳糖的丁醇产量分别为16.40和11.86 g/L，与不控制pH的16.62和12.11 g/L相近
- pH升高至7.0则抑制生长并降低丁醇产量。发酵过程中乙酸和丁酸最终降至可忽略水平，乙醇生成量极少。
研究结论
新分离的Clostridium sp. WST能在低浓度底物（30 g/L）下高效生产丁醇，其产率为已报道Clostridial菌株批式发酵中的最高值；该菌株具有强自我pH调控系统，无需外部pH控制，且副产物极少，具备经济可行的工业规模可持续生物丁醇生产潜力。