Interactions between Bacillus cereus CGMCC 1.895 and Clostridium beijerinckii NCIMB 8052 in co-culture for butanol production under non-anaerobic conditions
- 作者
- Shuai Mai, Genyu Wang, Pengfei Wu, Chunkai Gu, Hongjuan Liu, Jianan Zhang, Gehua Wang
- 单位
- Institute of Nuclear and New Energy Technology, Tsinghua University, Beijing 100084, P. R. China; Key Laboratory of Carbohydrate Chemistry and Biotechnology, School of Biotechnology, Jiangnan University, Wuxi 214000, P. R. China
- 杂志
- Biotechnology and Applied Biochemistry（2017）
- DOI
- 10.1002/bab.1522
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
低氧耐受性和底物利用范围窄限制了生物丁醇的工业化生产，需要开发能在非厌氧条件下利用廉价底物（如淀粉）生产丁醇的方法。
研究策略
将好氧的蜡状芽孢杆菌（Bacillus cereus CGMCC 1.895）与严格厌氧的丁醇生产菌拜氏梭菌（Clostridium beijerinckii NCIMB 8052）进行共培养，利用蜡状芽孢杆菌消耗氧气创造厌氧环境并分泌淀粉酶分解淀粉为可发酵糖，而拜氏梭菌则将糖转化为丁醇。
研究路线图
核心内容
本研究构建了蜡状芽孢杆菌Bacillus cereus CGMCC 1.895与拜氏梭菌Clostridium beijerinckii NCIMB 8052的共培养体系，以克服生物丁醇生产中严格厌氧条件和底物利用范围窄的瓶颈。B. cereus通过快速消耗氧气为厌氧菌创造适宜环境，同时分泌淀粉酶将淀粉底物分解为可发酵糖；C. beijerinckii则将糖转化为丁醇。在非厌氧条件下，经接种比优化，丁醇产量最高达10.49 g/L，与纯培养厌氧发酵水平相当；以玉米醪为底物时丁醇产量为6.78 g/L，总溶剂10.52 g/L，而纯C. beijerinckii仅产丁醇0.8 g/L。动态监测显示共培养开始60分钟内溶解氧即降至0%并保持稳定，发酵结束时C. beijerinckii占细胞总数近99%。该体系在5L发酵罐中放大获得8.75 g/L丁醇，且无需厌氧设备和氮气保护，显著简化操作并降低成本。这一策略为利用淀粉基廉价底物在开放条件下工业化生产生物丁醇提供了可行方案。
创新点
['系统研究了B. cereus CGMCC 1.895与C. beijerinckii NCIMB 8052共培养的相互作用，包括最优接种比、动态相对丰度和溶解氧变化。', '在非厌氧条件下实现了最高10.49 g/L的丁醇产量，接近纯培养厌氧发酵水平。', '将底物利用范围扩展至玉米醪（淀粉基原料），丁醇产量达6.78 g/L，总溶剂10.52 g/L。', '在5L发酵罐中成功放大，获得8.75 g/L丁醇。', '揭示了B. cereus通过快速消耗溶解氧（60分钟内降至0%）为C. beijerinckii提供厌氧环境，且发酵末期C. beijerinckii占细胞总数的近99%。']
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Bacillus cereus CGMCC 1.895 | 淀粉降解途径 | — | 淀粉酶 | 催化 | 好氧菌，分泌淀粉酶将淀粉水解为葡萄糖，同时通过呼吸作用消耗培养基中的溶解氧，为严格厌氧的C. beijerinckii提供厌氧微环境。 |
| Clostridium beijerinckii NCIMB 8052 | ABE发酵途径 | — | — | 催化 | 严格厌氧丁醇生产菌，利用葡萄糖经ABE途径生产丁醇、丙酮和乙醇；在共培养末期占细胞总数的近99%。 |
关键发现
- ['在非厌氧条件下，共培养丁醇浓度达到10.49 g/L（90%接种量优化），与纯C. beijerinckii NCIMB 8052厌氧培养的产量接近。', '共培养中C. beijerinckii NCIMB 8052的细胞比例随时间增加，到发酵结束时接近99%，而B. cereus CGMCC
- 895仅占约1%。', '初始接种比越高，C. beijerinckii生长越快；当B. cereus接种比高于70%时，共培养的非厌氧发酵结果与厌氧纯培养相似。', '以玉米醪为底物时，共培养获得丁醇6.78 g/L、总溶剂10.52 g/L；纯C. beijerinckii仅产生少量ABE（丁醇0.8 g/L），纯B. cereus积累葡萄糖3.71 g/L但ABE产量极低。', '动态溶解氧分析显示，共培养中溶解氧在60分钟内迅速降至0%，并在整个发酵过程中保持稳定，表明B. cereus消耗了氧气。', '纯B. cereus CGMCC
- 895在P2培养基中不能生长，但可在共培养中维持活性并发挥保护作用。', '共培养体系无需厌氧设备和氮气，简化了操作并降低了成本。']
研究结论
共培养体系结合B. cereus CGMCC 1.895的耗氧和淀粉酶活性与C. beijerinckii NCIMB 8052的丁醇合成能力，克服了严格厌氧和底物限制的障碍，可在非厌氧条件下利用淀粉基原料高效生产丁醇，为生物丁醇工业化提供了可行策略。