Effects of end products on fermentation profiles in Clostridium carboxidivorans P7 for syngas fermentation
- 作者
- Jie Zhang, Steven Taylor, Yi Wang
- 单位
- Department of Biosystems Engineering, Auburn University, Auburn, AL 36849, USA; Center for Bioenergy and Bioproducts, Auburn University, Auburn, AL 36849, USA
- 杂志
- Bioresource Technology（2017）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2016.07.071
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
Clostridium carboxidivorans P7能够将合成气转化为生物燃料，但其发酵谱（产物分布）受终产物影响尚不清楚，难以实现定向调控。
研究策略
在25°C和37°C两个温度下，分别向培养基中添加不同浓度的乙酸、丁酸、己酸、乙醇和丁醇，考察其对细胞生长、pH及终产物生成的影响，并采用细胞生物量比产量（BSY）评估发酵谱的变化。
核心内容
本研究系统考察了终产物（C2–C6酸和醇）及温度对Clostridium carboxidivorans P7合成气发酵谱的影响。通过在25°C和37°C下添加不同浓度乙酸、丁酸、己酸、乙醇和丁醇，结合细胞生物量比产量（BSY）评估，揭示了温度依赖的碳流调控规律：低温（25°C）促进碳链延伸，高温（37°C）利于酸再同化为醇。关键结果包括：添加8 g/L乙酸时，37°C下乙醇/丁酸比高达9.59，而25°C下仅为0.78；添加6 g/L乙酸在25°C获得最高丁酸产量2.03 g/L，添加2 g/L乙酸在37°C获得最高乙醇产量6.76 g/L；添加8 g/L丁酸使25°C下己酸产量达2.32 g/L，约为对照的3倍。这些数值均为该菌株报道的最高水平。此外，己酸毒性最强，超过4 g/L即抑制生长。研究表明，通过添加特定终产物并调控温度可有效将碳流重定向至目标产物，为合成气发酵的定向优化提供了重要依据。
创新点
系统研究了多种终产物（C2-C6酸和醇）及温度对P7发酵谱的联合影响；首次揭示了低温（25°C）促进碳链延伸、高温（37°C）有利于酸再同化为醇的规律；通过添加终产物成功实现了碳流重定向，获得创记录的丁酸和己酸产量。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium carboxidivorans P7 (DSM 15243) | Wood-Ljungdahl通路 | — | — | 能量供给 | 利用合成气（CO/H2/CO2）合成乙酰-CoA，并保存能量。 |
| Clostridium carboxidivorans P7 (DSM 15243) | 乙酸/乙醇合成途径 | — | — | 催化 | 外源添加乙酸或乙醇抑制相应途径，导致乙酸/乙醇相互转化及碳流改道。 |
| Clostridium carboxidivorans P7 (DSM 15243) | 丁酸/丁醇合成途径 | — | — | 催化 | 添加丁酸或丁醇影响丁酸/丁醇生成，低温下更利于碳链延伸生成己酸。 |
| Clostridium carboxidivorans P7 (DSM 15243) | 己酸/己醇合成途径 | — | — | 催化 | 己酸毒性高，低浓度添加可刺激乙酸和丁酸生成，高浓度（≥4 g/L）完全抑制生长；25°C下添加8 g/L丁酸促进己酸积累。 |
关键发现
- 在无添加对照中，25°C下最大OD600为3.12，约为37°C（1.66）的两倍。添加8 g/L乙酸时，25°C下乙醇和丁酸的BSY分别为7.44 g/g和9.50 g/g，乙醇/丁酸比为0.78
- 37°C下分别为44.52 g/g和4.64 g/g，乙醇/丁酸比高达9.59。添加6 g/L乙酸在25°C下获得最高丁酸浓度2.03 g/L
- 添加2 g/L乙酸在37°C下获得最高乙醇浓度6.76 g/L，二者均为P7菌株报道的最高值。添加8 g/L丁酸在25°C下己酸产量达2.32 g/L，约为对照的3倍，是目前P7菌株报道的最高己酸产量
- 此时乙酸、己酸和丁醇的BSY分别为8.74、12.77和1.03 g/g（25°C），37°C下分别为20.38、6.53和10.72 g/g。添加16 g/L乙醇时，25°C下乙酸和丁醇的BSY最大为5.86和1.56 g/g，乙酸/丁醇比为3.76
- 37°C下为15.19和2.92 g/g，比值为5.20。添加丁醇时，25°C下乙酸、丁酸和乙醇的最大BSY分别为4.72、5.19和1.66 g/g。己酸毒性最强，超过4 g/L时无细胞生长
- 37°C下丁醇浓度≥12 g/L时无生长。
研究结论
C. carboxidivorans P7的发酵谱可通过添加终产物和改变培养温度进行调控。高温（37°C）有利于酸再同化为对应醇，低温（25°C）促进碳链延伸生成更长链的酸和醇。通过控制培养条件可将碳流重定向至目标产物，为进一步优化合成气发酵提供了依据。