Novel clostridial fusants in comparison with co-cultured counterpart species for enhanced production of biobutanol using green renewable and sustainable feedstock
- 作者
- Kashif Syed, Yaser Dahman
- 单位
- Ryerson University
- 杂志
- Bioprocess and Biosystems Engineering（2015）
- DOI
- 10.1007/s00449-015-1462-z
- 所属领域
- 代谢工程 / 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
利用小麦秸秆等绿色可再生原料通过同步糖化发酵（SSF）生产生物丁醇，解决传统丁醇发酵中底物成本高、丁醇毒性抑制、酶成本高以及发酵温度与糖化温度不匹配等问题。
研究策略
通过原生质体融合技术将嗜温梭菌（Clostridium beijerinckii 和 Clostridium acetobutylicum）与嗜热梭菌（Clostridium thermocellum）融合，获得具有耐热性和增强丁醇耐受性的新型融合菌株，并在45°C下进行SSF，与传统共培养（35°C）进行比较。
研究路线图
核心内容
针对传统丁醇发酵中底物成本高、产物抑制严重及糖化与发酵温度不匹配等问题，本研究采用原生质体融合技术，将嗜温丁醇生产菌（Clostridium beijerinckii、Clostridium acetobutylicum）与嗜热纤维素降解菌（Clostridium thermocellum）融合，获得兼具耐热性、产丁醇能力及自产纤维素酶特性的新型融合菌株。融合菌株在45°C下以小麦秸秆为底物进行同步糖化发酵，与传统35°C共培养体系对比。结果显示，CbCt融合菌株（C. beijerinckii与C. thermocellum融合）获得最高丁醇产量13.82 g/L，总ABE溶剂达23 g/L，糖消耗率84%，ABE产率为0.57，丁醇产率为0.34；CaCt融合菌株丁醇产量为12.08 g/L。融合菌株的纤维素酶活可达58.73–68.52 FPU/ml，无需外加酶制剂。与对应的共培养菌株（丁醇产量分别为5.79和4.53 g/L）相比，CbCt和CaCt融合菌株的丁醇产量分别提高了138%和174%。此外，融合菌株最高酸浓度为48.9 mmol/L，未发生酸崩溃。结果表明，原生质体融合策略有效解决了温度不匹配和产物抑制问题，显著提升了以绿色可再生原料生产生物丁醇的效率，为低成本生物燃料生产提供了可行方案。
创新点
1. 利用原生质体融合获得兼具产丁醇能力和耐热性的梭菌融合菌株；2. 在45°C下进行SSF，兼顾糖化酶最适温度与发酵过程；3. 融合菌株能够自身产生纤维素酶，无需外加酶，降低成本；4. 融合菌株表现出更高的丁醇耐受性，克服产物抑制。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium beijerinckii ATCC BA101 | ABE发酵 | — | — | 催化 | 亲本嗜温菌，丁醇生产菌株 |
| Clostridium acetobutylicum ATCC 4259 | ABE发酵 | — | — | 催化 | 亲本嗜温菌，丁醇生产菌株 |
| Clostridium thermocellum ATCC 27405 | 纤维素降解与糖化 | — | — | 催化 | 嗜热菌，提供纤维素酶和细胞外体，同时具有发酵糖能力 |
| CbCt（C. beijerinckii与C. thermocellum融合菌株） | ABE发酵 | — | — | 催化 | 最优融合菌株，丁醇产量13.82 g/L，糖消耗84% |
| CaCt（C. acetobutylicum与C. thermocellum融合菌株） | ABE发酵 | — | — | 催化 | 融合菌株，丁醇产量12.08 g/L |
| — | 纤维素水解 | — | cellulosome | 催化 | 来自C. thermocellum的纤维素酶复合体 |
| — | 纤维素水解 | — | 内切葡聚糖酶/外切葡聚糖酶/β-葡萄糖苷酶 | 催化 | 融合菌株自身产生的纤维素酶，酶活58.73–68.52 FPU/ml |
关键发现
- 最高丁醇产量为13.82 g/L，由CbCt（C. beijerinckii 与 C. thermocellum 融合）菌株获得，总ABE溶剂产量达23 g/L，糖消耗率84%，ABE产率为0.57，丁醇产率0.34
- CaCt（C. acetobutylicum 与 C. thermocellum 融合）菌株丁醇产量12.08 g/L，ABE溶剂产量20.2 g/L
- 融合菌株酶活达58.73–68.52 FPU/ml
- CbCt融合菌株比共培养菌株丁醇产量提高138%，CaCt融合菌株比共培养菌株提高174%
- 共培养菌株丁醇产量分别为5.79 g/L（CbCt）和4.53 g/L（CaCt）。融合菌株的最高酸性摩尔浓度为48.9 mmol/L，未发生酸崩溃。
研究结论
原生质体融合菌株相比传统共培养体系在丁醇和ABE产量、糖消耗、酶活性及丁醇耐受性方面均具有显著优势，且无需外加酶即可在45°C下高效利用小麦秸秆生产生物丁醇，为生物燃料的大规模生产提供了可行方案。