Enhanced \(\mathsf{H}_2\) gas production from bagasse using adhE inactivated Klebsiella oxytoca HP1 by sequential dark-photo fermentations
- 作者
- Xiaobing Wu, Qianyi Li, Mutangana Dieudonne, Yibo Cong, Juan Zhou, Minnan Long
- 单位
- School of Life Sciences, School of Energy Research, Xiamen University
- 杂志
- Bioresource Technology（2010）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2010.07.095
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
在暗发酵-光发酵串联（SDPF）系统中，暗发酵产生的乙醇不能被光合细菌利用，导致光发酵阶段氢产量受限于有机酸底物不足。通过失活adhE基因减少乙醇生成，提高光发酵可利用的有机酸含量，从而提升总氢产量。
研究策略
构建adhE基因失活的Klebsiella oxytoca HP1突变株（ΔadhE HP1），用于甘蔗渣暗发酵，减少乙醇生成并增加乙酸和乳酸积累；将暗发酵 effluent 用于Rhodopseudomonas palustris CN的光发酵，优化暗发酵和光发酵条件（温度、初始pH、纤维素酶用量、光强），实现两步串联产氢。
研究路线图
核心内容
该研究构建了乙醛脱氢酶基因（adhE）失活的克雷伯氏菌（Klebsiella oxytoca HP1）突变株ΔadhE，用于甘蔗渣暗发酵，并通过与沼泽红假单胞菌（Rhodopseudomonas palustris CN）光发酵串联（SDPF）提升总氢产量。与野生型相比，ΔadhE暗发酵液中乙醇浓度降低69.4%，乙酸和乳酸分别提高38.7%和108.7%。在优化条件下（暗发酵温度37.5°C、初始pH 7.0、纤维素酶20 FPA/g；光发酵初始pH 6.5、温度30°C、光强5000 lux），ΔadhE与野生型的暗发酵氢产量分别为107.8和96.2 mL H2/g-甘蔗渣，光发酵产量分别为54.3和35.1 mL H2/g-甘蔗渣，总氢产量达162.1和131.3 mL H2/g-甘蔗渣，较单独暗发酵分别提高50.4%和36.5%。结果表明，失活adhE减少乙醇生成、增加有机酸积累，可显著提高串联系统中光发酵底物利用效率与总氢产量，为肠杆菌科菌株用于生物质暗光耦合产氢提供了有效策略。
创新点
['采用adhE基因失活突变株降低暗发酵乙醇含量，增强光发酵产氢', '利用甘蔗渣经酸热处理与同步糖化发酵（SSF）进行暗发酵，再耦合光发酵', '系统优化了暗发酵和光发酵的关键参数']
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Klebsiella oxytoca HP1 | 混合酸发酵/暗发酵产氢 | adhE | 乙醛脱氢酶 | 催化 | adhE基因失活突变株ΔadhE HP1，减少乙醇生成，增加有机酸积累 |
| Rhodopseudomonas palustris CN | 光发酵产氢 | — | — | 催化 | 光合细菌，利用暗发酵液中的乙酸和乳酸产氢 |
| Aspergillus glaucus XC9 | 纤维素水解 | — | 纤维素酶 | 催化 | 用于同步糖化发酵（SSF），水解甘蔗渣纤维素 |
关键发现
- 与野生型相比，ΔadhE HP1暗发酵液中乙醇浓度降低69.4%，乙酸和乳酸分别提高38.7%和108.7%；光发酵阶段氢产量提高54.7%，两步总氢产量提高23.5%。在最适条件下（暗发酵：温度37.5°C、初始pH
- 0、纤维素酶20 FPA/g；光发酵：初始pH
- 5、温度30°C、光强5000 lux），ΔadhE HP1和野生型在暗发酵的氢产量分别为107.8±5.3和96.2±4.4 mL H2/g-bagasse，光发酵分别为54.3±2.2和35.1±2.0 mL H2/g-bagasse；总氢产量分别为162.1±7.5和131.3±6.4 mL H2/g-bagasse，分别比单独暗发酵提高50.4%和36.5%。
研究结论
通过失活adhE基因减少暗发酵中的乙醇生成，可显著提高SDPF系统的总氢产量；SDPF是提高甘蔗渣生物产氢的有效途径，对利用肠杆菌科菌株进行串联暗光发酵产氢具有参考价值。