Improvement of the butanol production selectivity and butanol to acetone ratio (B:A) by addition of electron carriers in the batch culture of a new local isolate of Clostridium acetobutylicum YM1
- 作者
- Najeeb Kaid Nasser Al-Shorgani, Mohd Sahaid Kalil, Wan Mohtar Wan Yusoff, Chowdhury Mohammad Monirul Hasan, Aidil Abdul Hamid
- 单位
- School of Bioscience and Biotechnology, Faculty of Science and Technology, Universiti Kebangsaan Malaysia; Department of Chemical and Process Engineering, Faculty of Engineering, Universiti Kebangsaan Malaysia; Department of Applied Microbiology, Faculty of Applied Sciences, Taiz University
- 杂志
- Anaerobe（2015）
- DOI
- 10.1016/j.anaerobe.2015.09.008
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
在丙酮-丁醇-乙醇（ABE）发酵中，丁醇产量选择性和丁醇/丙酮比（B:A）通常较低（传统为2:1），丙酮作为副产物增加回收成本且不利燃料性能，如何提高丁醇产量和B:A比是提高ABE发酵经济性的关键问题。
研究策略
在新型本地分离菌株Clostridium acetobutylicum YM1的批式发酵培养基中添加多种人工电子载体（如苄基紫精、甲基紫精、甲基红、中性红、Tiron等），并联合丁酸添加，以调控电子和碳代谢流，降低丙酮产生、提高丁醇产量和B:A比。同时考察苄基紫精添加时间对发酵的影响。
核心内容
本研究以新型本地分离菌株Clostridium acetobutylicum YM1为对象，通过在ABE批式发酵中添加苄基紫精、甲基紫精、甲基红、中性红等人工电子载体，旨在提高丁醇产量选择性和丁醇/丙酮比（B:A）。结果表明，所有供试电子载体均能提升丁醇产量和得率。单独添加0.1 mM苄基紫精时，丁醇浓度达15.57 g/L，产率0.504 C-mol/C-mol，较对照提高48.23%，B:A比提升至8.95:1。将苄基紫精与丁酸联用时，B:A比达到16.11:1，较传统2:1提高约800%。进一步考察添加时间发现，在发酵后4小时补加苄基紫精可获得18.05 g/L丁醇，较对照提高34.4%。该策略通过抑制氢化酶活性、增加NADH积累，有效调控电子与碳代谢流，促进醇类生成并减少丙酮积累，为提高ABE发酵的丁醇选择性和经济性提供了可行方案。
创新点
系统筛选多种人工电子载体对YM1菌株ABE发酵的影响；首次报道苄基紫精与丁酸联用可使B:A比达到16.11:1，较传统2:1提高约800%；发现苄基紫精添加时间（0h vs 4h）可分别优化B:A比或丁醇产量。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium acetobutylicum YM1 | ABE发酵（丙酮-丁醇-乙醇代谢） | — | 氢化酶 | 催化 | 人工电子载体（如甲基紫精、苄基紫精）通过抑制氢化酶活性，阻断FdH2氧化，迫使铁氧还蛋白氧化还原酶途径再生NADH，增加NADH/NAD比例，促进丁醇合成并降低丙酮生成。 |
| Clostridium acetobutylicum YM1 | ABE发酵（丙酮-丁醇-乙醇代谢） | — | 铁氧还蛋白氧化还原酶 | 催化 | 在氢化酶受抑时催化FdH2氧化并生成NADH，为丁醇脱氢酶提供还原力。 |
| Clostridium acetobutylicum YM1 | 丁酸激酶途径 | — | 丁酸激酶 | 催化 | 外源添加丁酸作为前体时，菌株通过丁酸激酶途径将丁酸转化为丁醇，提高丁醇产量而不增加丙酮产量。 |
关键发现
- 所有供试电子载体均提高了丁醇产量和得率；添加0.1 mM苄基紫精时最高丁醇产率0.504 C-mol/C-mol（较对照提高48.23%），丁醇浓度15.57 g/L，B:A比8.95:1；添加0.01 mM甲基红和8.7 g/L丁酸时获得最高丁醇产量18.20±1.38 g/L，ABE
- 42 g/L，但B:A比仅3.62:1；苄基紫精与丁酸联用时B:A比达16.11:1，丁醇16.3 g/L、丙酮1.11 g/L、乙醇0.54 g/L，丁醇产率0.54 C-mol/C-mol；在发酵后4 h添加0.1 mM苄基紫精获得18.05 g/L丁醇（较对照提高34.4%），B:A比12.3:1，ABE
- 17 g/L；对照（无电子载体）丁醇10.61 g/L，B:A比3.22:1。
研究结论
添加电子载体（尤其是苄基紫精）可有效改变Clostridium acetobutylicum YM1的电子与碳代谢流，抑制氢化酶、增加NADH积累，促进醇类生成、减少丙酮产生，从而显著提高丁醇产量和B:A比。联合丁酸作为共底物可进一步提高丁醇浓度。该策略可作为提高ABE发酵丁醇选择性和经济性的有效替代方案。