Enhanced bioethanol production by evolved Escherichia coli LGE2-H in a microbial electrolysis cell system
- 作者
- Cong Wang, Dongdong Chang, Qi Zhang, Zhisheng Yu
- 单位
- College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Sciences; RCEE-IMCAS-UCAS Joint-Lab of Microbial Technology for Environmental Science
- 杂志
- Bioresources and Bioprocessing（2024）
- DOI
- 10.1186/s40643-023-00717-5
- 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
木质纤维素热解生物油中的有机酸、醛和酚类等抑制物会抑制微生物生长和代谢，导致生物乙醇发酵效率低下，需开发有效的生物解毒和发酵策略。
研究策略
构建微生物电解池（MEC）系统，结合适应性进化的大肠杆菌LGE2-H和LGE2-L，在未解毒生物油介质中直接发酵左旋葡聚糖生产乙醇，通过外加电压增强菌株对抑制物的耐受性和乙醇生产效率。
核心内容
本研究构建了微生物电解池（MEC）系统，将适应性进化的大肠杆菌LGE2-H应用于未解毒木质纤维素热解生物油的直接发酵产乙醇。针对生物油中有机酸、醛、酚类抑制物制约微生物生长的问题，该策略通过外加电压增强菌株耐受性，同时驱动抑制物降解。在含1.0%（w/v）左旋葡聚糖的培养基中，MEC系统实现了0.54 g乙醇/g左旋葡聚糖的产率，达到理论值的94%，乙醇生产力为0.19 g/L/h，较无电对照提高72.7%，产量提升3.3%。关键抑制物糠醛去除率超过99%，残留浓度低至1.87×10^-8 mg/L，甲酸和乙酸转化率分别为74–83%和59–72%，醛类总转化率达82–88%，最大库仑效率为80.3%。结果表明，MEC耦合适应性进化菌株可省去传统脱毒步骤，同步实现高乙醇产率和抑制物高效降解，为木质纤维素生物油直接发酵制乙醇提供了可行技术路径。
创新点
首次将MEC系统应用于未解毒生物油的直接发酵产乙醇；利用适应性进化菌株提高抑制物耐受性；实现高乙醇产率和高效抑制物降解，简化了生物油脱毒流程。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli LGE2-H | 左旋葡聚糖乙醇发酵通路 | lgk | Levoglucosan kinase (LGK) | 催化 | 催化左旋葡聚糖磷酸化生成葡萄糖-6-磷酸 |
| Escherichia coli LGE2-H | 左旋葡聚糖乙醇发酵通路 | pdc | Pyruvate decarboxylase (PDC) | 催化 | 催化丙酮酸脱羧生成乙醛 |
| Escherichia coli LGE2-H | 左旋葡聚糖乙醇发酵通路 | adh | Alcohol dehydrogenase (ADH) | 催化 | 催化乙醛还原为乙醇 |
| Escherichia coli LGE2-H | 左旋葡聚糖乙醇发酵通路 | — | — | 催化 | 适应性进化菌株（由LGE2-L经72代进化），在MEC系统中表现出高效乙醇生产和抑制物降解能力 |
| Escherichia coli LGE2-L | 左旋葡聚糖乙醇发酵通路 | — | — | 催化 | 适应性进化菌株（由LGE2经302代进化），用于MEC系统对照和验证 |
| — | 电子传递 | — | Neutral red | 能量供给 | 外源氧化还原介体，促进电子传递和NAD+再生，增强乙醇产量 |
关键发现
- 在含1.0%（w/v）左旋葡聚糖的未解毒生物油培养基中，E. coli-H在MEC系统中产生0.54 g乙醇/g左旋葡聚糖，达到理论产率的94%
- 乙醇生产力为0.19 g/L/h，较无电对照提高72.7%，产量提高3.3%
- 左旋葡聚糖消耗速率达0.19 g/L/h。糠醛去除率>99%，最终浓度低至1.87×10^-8 mg/L
- 甲酸转化率74-83%，乙酸转化率59-72%，醛类总转化率82-88%。MEC过程最大库仑效率为80.3%。
研究结论
MEC系统结合适应性进化大肠杆菌可实现未解毒生物油直接高效发酵产乙醇，显著提高产率和生产力，同时有效降解生物油中的抑制物，为木质纤维素生物油制生物乙醇提供了技术示范。