Isolation and characterisation of non-anaerobic butanol-producing symbiotic system TSH06
- 作者
- Genyu Wang, Pengfei Wu, Ya Liu, Shuo Mi, Shuai Mai, Chunkai Gu, Gehua Wang, Hongjuan Liu, Jianan Zhang, Borre Tore Borresen, Evy Mellemsæther, Hans Kristian Kotlar
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2015）
- DOI
- 10.1007/s00253-015-6864-y
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
传统丁醇发酵依赖严格厌氧条件，操作复杂且成本高，需要开发能在非厌氧条件下高效产丁醇的微生物系统。
研究策略
从自然样品中分离筛选产丁醇菌株，获得能在非厌氧条件下产丁醇的共生体系TSH06；利用DGGE和种属特异PCR鉴定其组成菌株；分别分离两株菌，并通过混合培养实验研究其相互作用和发酵性能。
核心内容
研究从自然样品中分离获得一个能在非厌氧条件下高效产丁醇的共生体系TSH06，针对传统丁醇发酵依赖严格厌氧条件、操作复杂的问题，提出利用共生策略简化发酵过程。通过DGGE和种属特异PCR鉴定出体系由严格厌氧的产丁醇菌Clostridium acetobutylicum TSH1与兼性厌氧的Bacillus cereus TSH2组成。混合培养实验证明TSH2通过消耗氧气为TSH1创造微氧环境，使整个体系在非厌氧条件下正常产丁醇。关键结果显示，TSH06在非厌氧条件下产生12.97 g/L丁醇和15.39 g/L总溶剂，较纯TSH1培养分别提高25%和24%，丁醇比例达83%至85%；发酵在120小时内完成，而厌氧纯培养需144小时，且非厌氧96小时丁醇产量已达12.58 g/L，远超厌氧条件下120小时的8.49 g/L。此外，TSH2的菌落形成单位约为大肠杆菌DH5α的两倍，表现出更高的丁醇耐受性。该研究首次证明通过厌氧菌与耗氧菌的共生组合，可在非厌氧条件下实现更高产量和更快速度的丁醇发酵，为简化工业生物丁醇生产提供了可行思路。
创新点
1. 首次获得可在非厌氧条件下产丁醇的共生体系TSH06；2. 证明兼性厌氧的Bacillus cereus TSH2通过消耗氧气为严格厌氧的Clostridium acetobutylicum TSH1提供生存环境；3. 共生体系较纯培养丁醇产量提高25%，且丁醇比例超过80%；4. 非厌氧发酵速度快于厌氧发酵。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium acetobutylicum TSH1 | 丁醇合成 | adh1 | 醇/醛脱氢酶 | 催化 | 参与丁醇合成，用于种属鉴定 |
| Clostridium acetobutylicum TSH1 | 丁醇合成 | crt | 巴豆酸酶 | 催化 | 参与丁醇合成，用于种属鉴定 |
| Clostridium acetobutylicum TSH1 | 丁醇合成 | bdhB | 丁醇脱氢酶B | 催化 | 参与丁醇合成，用于种属鉴定 |
| Clostridium acetobutylicum TSH1 | 丁醇合成 | adc | 乙酰乙酸脱羧酶 | 催化 | 参与丙酮生成，用于种属鉴定 |
| Bacillus cereus TSH2 | 丁酸代谢 | ptb | 磷酸转丁酰酶 | 催化 | 用于种属鉴定 |
| Bacillus cereus TSH2 | 丁酸代谢 | ak | 丁酸激酶 | 催化 | 用于种属鉴定 |
| Bacillus cereus TSH2 | 丁酸代谢 | ctf | 辅酶A转移酶 | 催化 | 用于种属鉴定 |
| Bacillus cereus TSH2 | 丁酸代谢 | thl | 硫解酶 | 催化 | 用于种属鉴定 |
关键发现
- TSH06在非厌氧条件下产生12.97 g/L丁醇和15.39 g/L总溶剂，比纯C. acetobutylicum TSH1（10.39 g/L）分别高25%和24%
- 丁醇比例达83-85%
- 非厌氧条件下120小时完成发酵，而厌氧条件下需144小时
- 非厌氧96小时丁醇即达12.58 g/L，而厌氧120小时仅8.49 g/L。B. cereus TSH2的CFU约为E. coli DH5α的两倍，展示更高的丁醇耐受性。
研究结论
共生体系TSH06结合了产丁醇的厌氧菌C. acetobutylicum TSH1和耗氧的兼性厌氧菌B. cereus TSH2，在非厌氧条件下实现了更高的丁醇产量、更快的发酵速度和高丁醇比例，是工业生物丁醇生产的优秀候选菌系，展示了共生策略在简化丁醇发酵中的潜力。