Enhanced Butanol Production Through Adding Organic Acids and Neutral Red by Newly Isolated Butanol-Tolerant Bacteria
- 作者
- Cheng Jiang, Guangli Cao, Zhenyu Wang, Ying Li, Jinzhu Song, Hua Cong, Junzheng Zhang, Qian Yang
- 单位
- School of Life Science and Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China; State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China; School of Chemical Engineering and Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China
- 杂志
- Applied Biochemistry and Biotechnology（2017）
- DOI
- 10.1007/s12010-016-2176-7
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
缺乏高丁醇耐受性和高产丁醇的优良菌株，且丁醇产量及丁醇在总溶剂中的比例较低，制约了生物丁醇的经济可行性。
研究策略
从玉米地深处土壤中分离筛选高丁醇耐受菌株并鉴定为Clostridium acetobutylicum S10；在发酵稳定期（16 h）添加有机酸（乙酸钠、丁酸钠）和电子载体（中性红），通过Box-Behnken响应面法优化三者组合浓度，协同驱动碳流和电子流向丁醇合成。
核心内容
从玉米地土壤中分离到一株高丁醇耐受菌株，经鉴定为Clostridium acetobutylicum S10，其基础丁醇产量为5.040 g/L，高于对照菌株ATCC824。为提升丁醇产量及丁醇在总溶剂中的比例，研究在发酵稳定期（16 h）联合添加乙酸钠、丁酸钠和中性红，并通过Box-Behnken响应面法优化三者浓度。结果表明，单独添加三种物质时丁醇产量分别提高3.15%、9.37%和10.04%；而最优组合（乙酸钠1.61 g/L、丁酸钠1.88 g/L、中性红0.79 g/L）下丁醇产量达6.093 g/L，较对照提高20.89%，丁醇占总溶剂比例高达90.05%，总ABE产量为6.766 g/L，模型预测值与实验值吻合良好（R²=0.960）。该策略通过有机酸与人工电子载体协同驱动碳流和电子流偏向丁醇合成，显著提升了发酵效率，表明菌株S10与联合添加策略在工业生物丁醇生产中具有良好应用潜力。
创新点
['分离得到一株高丁醇耐受（16 g/L）的丁醇生产菌株C. acetobutylicum S10', '首次将有机酸（乙酸、丁酸）与人工电子载体（中性红）联合添加，利用协同效应促进丁醇生产', '通过响应面优化确定了三种添加剂的最优组合浓度，使丁醇占总溶剂比例达到90%以上']
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium acetobutylicum S10 | 丁醇合成途径（ABE发酵） | — | — | 催化 | 新分离的高丁醇耐受菌株，丁醇耐受达16 g/L，基础丁醇产量5.040 g/L |
| Clostridium acetobutylicum ATCC824 | 丁醇合成途径（ABE发酵） | — | — | 催化 | 对照菌株，基础丁醇产量4.917 g/L |
关键发现
- 菌株S10鉴定为Clostridium acetobutylicum，基础丁醇产量为5.040 g/L，高于对照菌株ATCC824（4.917 g/L）
- 单独添加乙酸钠、丁酸钠和中性红时丁醇产量分别提高3.15%、9.37%和10.04%
- 联合添加时最高达5.96 g/L，比对照提高18.3%。经Box-Behnken响应面优化，最优浓度为乙酸钠1.61 g/L、丁酸钠1.88 g/L、中性红0.79 g/L，模型预测最大丁醇产量为6.161 g/L（R²=0.960）。验证实验在最优条件下丁醇产量达6.093 g/L，比对照提高20.89%，丁醇占总溶剂比例达90.05%，总ABE产量为6.766 g/L。
研究结论
新分离的高丁醇耐受菌株C. acetobutylicum S10在添加适量有机酸和中性红的组合条件下，可显著提高丁醇产量和丁醇在总溶剂中的比例；最优条件下丁醇产量达6.093 g/L，较对照提高20.89%，表明有机酸与中性红联合添加是一种有效的丁醇生产强化策略，菌株S10具有优良的工业应用潜力。