高级醇 · 代谢工程文献库

← 返回列表

Simultaneous Biosynthesis of Polyhydroxyalkanoates and Extracellular Polymeric Substance (EPS) from Crude Glycerol from Biodiesel Production by Different Bacterial Strains

作者
Denilson de Jesus Assis, Gleice Valéria Pacheco Gomes, Diego Roberto da Cunha Pascoal, Lorena Silva Pinho, Lilian Brandão Oliveira Chaves, Janice Izabel Druzian
杂志
Applied Biochemistry and Biotechnology（2016）
DOI
10.1007/s12010-016-2155-z
所属领域
发酵工程
关键词
Crude glycerolPolyglutamic acidPolyhydroxyalkanoatesPropertiesSimultaneous synthesis
阅读原文
查看 PDF 原文

解决的核心问题

利用生物柴油副产物粗甘油作为廉价碳源，实现不同细菌菌株同时合成聚羟基脂肪酸酯（PHA）和胞外多聚物聚谷氨酸（PGA），并评估所得聚合物的性质，以降低生产成本并拓展工业应用。

研究策略

以Cupriavidus necator IPT 026、IPT 027、IPT 029和Bacillus megaterium INCQS 425为底盘菌株，在含2.0%蔗糖（对照）或粗甘油的培养基中进行摇瓶培养（35°C，180 rpm，72 h），同时生产PHA和PGA，并通过HPLC、FTIR、DSC、TGA和GC-MS对聚合物进行提取和表征。

研究路线图

100%
研究问题：利用粗甘油廉价碳源，实现不同菌株同时合成PHA与PGA
策略：4株菌株（C. necator IPT 026/027/029、B. megaterium INCQS 425）在粗甘油或蔗糖培养基中摇瓶培养，同时生产PHA和PGA
关键改造：首次系统比较不同菌株利用粗甘油同时合成PHA和PGA的可行性
结果：粗甘油使PHA产量提高2~3.1倍，PGA提高2.4~28倍；B. megaterium INCQS 425产量最高（PHA 0.78 g/L，PGA 1.90 g/L）
结论：粗甘油可作为廉价碳源实现PHA与PGA同时合成，B. megaterium INCQS 425产出的PHA具高热稳定性（307.53°C）和低结晶度（20.2%），适用于高温加工
C. necator IPT 026：最高分子量PHA（835.56 kDa）和PGA（1128.54 kDa）
C. necator IPT 029：粗甘油使PGA产量提高28倍
B. megaterium INCQS 425：最佳PHA/PGA生产者；PHA最大分解温度307.53°C，结晶度20.2%
聚合物表征：HPLC、FTIR、DSC、TGA、GC-MS；PHA含长链单体（11-羟基十六酸酯等）
C. necator IPT 027：蔗糖培养基不产PGA；粗甘油PGA产量0.05 g/L
培养条件：35°C，180 rpm，72 h；碳源：2.0%蔗糖（对照）或粗甘油
Text is not SVG - cannot display

下载 .drawio 源文件

核心内容

本研究利用生物柴油副产物粗甘油替代蔗糖作为廉价碳源，考察了四株细菌在摇瓶培养条件下同时合成聚羟基脂肪酸酯（PHA）和胞外多聚物聚谷氨酸（PGA）的可行性。结果显示，粗甘油可显著促进所有测试菌株的双产物合成：与蔗糖对照组相比，Cupriavidus属菌株的PHA产量提升约2倍，而Bacillus megaterium INCQS 425的PHA产量提升3.1倍（0.78 g/L对0.25 g/L）；PGA产量方面，C. necator IPT 026提升4.1倍（1.93 g/L）、IPT 029提升28倍（1.69 g/L）、INCQS 425提升2.4倍（1.90 g/L）。其中B. megaterium INCQS 425表现最优，其PHA兼具高热稳定性（最大分解温度307.53°C）和低结晶度（20.2%），适合高温加工场景；C. necator IPT 026则获得最高分子量的PHA（835.56 kDa）和PGA（1128.54 kDa）。聚合物的单体组成以长链羟基脂肪酸酯为主。上述结果表明，利用粗甘油这一废弃碳源可经济地实现两种生物聚合物的联产，且特定菌株产物的热力学性质契合包装与挤出等工业需求，为降低生物基材料生产成本提供了可行路径，但后续仍需针对工艺参数进行系统优化以进一步提升双产物产量。

创新点

首次系统比较了不同菌株以粗甘油为碳源同时合成PHA和PGA的可行性，发现B. megaterium INCQS 425产生的PHA具有高热稳定性（最大分解温度307.53°C）和低结晶度（20.2%），适合高温加工，并显著提高了PGA产量。

研究对象（4）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Cupriavidus necator IPT 026 PHA与PGA生物合成 — PHA合酶; PGA合成酶 催化 获得最高分子量PHA（835.56 kDa）和PGA（1128.54 kDa）
Cupriavidus necator IPT 027 PHA与PGA生物合成 — PHA合酶; PGA合成酶 催化 在蔗糖培养基中不产生PGA；粗甘油条件下PGA产量为0.05 g/L
Cupriavidus necator IPT 029 PHA与PGA生物合成 — PHA合酶; PGA合成酶 催化 粗甘油使PGA产量提高28倍，PHA产量为0.16 g/L
Bacillus megaterium INCQS 425 PHA与PGA生物合成 — PHA合酶; PGA合成酶 催化 最佳PHA（0.78 g/L）和PGA（1.90 g/L）生产者；PHA热稳定性最好，最大分解温度307.53°C，结晶度20.2%

关键发现

  1. 粗甘油作为碳源可促进所有测试菌株同时产生PHA和PGA。与蔗糖培养基相比，粗甘油使Cupriavidus菌株PHA产量提高约2倍，使B. megaterium INCQS 425的PHA产量提高3.1倍（0.78 g/L vs
  2. 25 g/L）；PGA产量方面，C. necator IPT 026提高4.1倍（1.93 g/L vs
  3. 47 g/L）、IPT 029提高28倍（1.69 g/L vs
  4. 06 g/L）、INCQS 425提高2.4倍（1.90 g/L vs
  5. 56 g/L）。B. megaterium INCQS 425在粗甘油中获得最高PHA（0.78 g/L）和PGA（1.90 g/L）产量，其PHA结晶熔融温度约170°C、最大分解温度307.53°C、结晶度仅20.2%；PGA结晶熔融温度84.04°C、初始分解温度247.10°C。C. necator IPT 026获得最高分子量PHA（835.56 kDa）和PGA（1128.54 kDa）。PHA主要由长链单体组成，如11-羟基十六酸酯（53.54–59.57%）、12-羟基-9-十八碳烯酸酯和3-羟基十八酸酯。

研究结论

本研究证实，粗甘油可作为碳源使C. necator和B. megaterium同时合成PHA和PGA，其中B. megaterium INCQS 425产量最高，其PHA具有高热稳定性和低结晶度，适用于高温加工（如挤出）和包装行业。利用廉价废料可降低生物聚合物生产成本，但还需优化工艺参数以实现两种产物的最大化。