Acetone, butanol, and ethanol production from cane molasses using Clostridium beijerinckii mutant obtained by combined low-energy ion beam implantation and N-methyl-N-nitro-N-nitrosoguanidine induction
- 作者
- Han-guang Li, Wei Luo, Qiu-ya Gu, Qiang Wang, Wen-jun Hu, Xiao-bin Yu
- 单位
- The Key Laboratory of Industrial Biotechnology, Ministry of Education, School of Biotechnology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China; College of Bioscience and Engineering, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China
- 杂志
- Bioresource Technology（2013）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2013.03.084
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
解决丁醇发酵中丁醇毒性导致产量低的问题，获得高溶剂耐受和高产丁醇的菌株，并利用廉价底物甘蔗糖蜜降低生产成本。
研究策略
采用低能N+离子束注入与NTG化学诱变相结合的复合诱变方法，通过含刃天青和丁醇的琼脂平板进行理性筛选获得高耐受突变株MUT3；然后优化甘蔗糖蜜发酵的氮源、初始糖浓度和脂肪酸条件，并在生物反应器中放大验证。
核心内容
针对丁醇发酵中产物毒性导致产量低下的问题，该研究以拜氏梭菌L175为出发菌株，将低能N+离子束注入与NTG化学诱变相结合，并利用含刃天青和丁醇的琼脂平板进行理性筛选，获得高耐受突变株MUT3。在P2培养基中，MUT3丁醇产量达15.8±0.7 g/L，较野生型提高46%。随后以廉价甘蔗糖蜜为底物优化发酵条件，发现添加0.75 g/L硬脂酸可显著促进丁醇合成，使丁醇和总溶剂产量分别达14.9±0.5和21.3±0.6 g/L。在7 L生物反应器放大验证中，MUT3丁醇产量15.1±0.8 g/L，总溶剂22.1±0.9 g/L，糖利用率约95%，产率0.26 g/(L·h)，均显著优于野生型。该突变株还能利用多种糖类，最适初始糖浓度为60 g/L。结果表明，复合诱变结合理性筛选能有效提升菌株溶剂耐受性与产物合成能力，MUT3在利用糖蜜进行经济化生物丁醇生产方面具有良好应用潜力。
创新点
（1）将低能离子束注入与NTG诱变结合应用于C. beijerinckii诱变育种；（2）建立了以刃天青和丁醇为选择剂的快速筛选方法；（3）获得突变株MUT3，丁醇产量和溶剂耐受性显著提高，并能高效利用甘蔗糖蜜；（4）发现硬脂酸可显著促进丁醇合成。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium beijerinckii L175 | ABE发酵（丙酮-丁醇-乙醇） | — | — | 催化 | 野生型出发菌株，用于诱变选育 |
| Clostridium beijerinckii MUT3 | ABE发酵（丙酮-丁醇-乙醇） | — | — | 催化 | 通过复合诱变获得的丁醇高产突变株，可耐受3%丁醇 |
关键发现
- 野生型C. beijerinckii L175丁醇产量为10.8±0.6 g/L
- 突变株IB26丁醇产量12.5±0.6 g/L（提高16%），总溶剂16.9±0.3 g/L（提高17%）
- 进一步NTG诱变获得MUT3，在P2培养基中丁醇产量15.8±0.7 g/L，比野生型高46%
- MUT3在甘蔗糖蜜中优化后最高丁醇14.9±0.5 g/L（硬脂酸0.75 g/L时，丁醇和总溶剂分别为14.9±0.5和21.3±0.6 g/L，较对照提高12%和13%）
- 在7 L生物反应器中，丁醇15.1±0.8 g/L，总溶剂22.1±0.9 g/L，糖利用率约95%，ABE产率0.26 g/(L·h)，而野生型丁醇11.2±0.8 g/L，总溶剂14.9±0.7 g/L，产率0.18 g/(L·h)
- MUT3能利用葡萄糖、果糖、乳糖、木糖、纤维二糖、蔗糖，葡萄糖产丁醇最高（15.7±0.6 g/L，产率0.26 g/g）
- 最适酵母提取物浓度3 g/L，最适初始糖浓度60 g/L。
研究结论
通过低能离子束注入与NTG联合诱变成功获得高溶剂耐受和高产丁醇的突变株MUT3，优化发酵条件后能高效利用甘蔗糖蜜生产ABE，最高丁醇产量达15.1±0.8 g/L，显示其在经济化生物丁醇生产中的应用潜力。