Cellulosic ethanol production via consolidated bioprocessing by a novel thermophilic anaerobic bacterium isolated from a Himalayan hot spring
- 作者
- Nisha Singh, Anshu S. Mathur, Deepak K. Tuli, Ravi. P. Gupta, Colin J. Barrow, Munish Puri
- 单位
- Deakin University; DBT-IOC Centre for Advance Bioenergy Research, Indian Oil Corporation Limited; Flinders University
- 杂志
- Biotechnology for Biofuels（2017）
- DOI
- 10.1186/s13068-017-0756-6
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
缺乏能直接将木质纤维素生物质一步转化为乙醇的高效CBP微生物，现有菌株乙醇产量低且不能利用C5糖，需要筛选新型嗜热厌氧菌并优化发酵策略。
研究策略
从喜马拉雅热泉样品中富集、分离纤维素降解嗜热厌氧菌，通过单培养和共培养发酵模型底物及真实底物（稻秆），评估乙醇生产性能并优化纤维素浓度、pH等条件。
核心内容
本研究从喜马拉雅热泉样品中分离获得一株新型嗜热厌氧菌Clostridium sp. DBT-IOC-C19，可在无外源酶条件下直接降解纤维素和半纤维素并产乙醇，具有整合生物加工（CBP）潜力。单培养实验中，该菌在5 g/L Avicel浓度下144 h内降解94.6%纤维素，最佳条件下（10 g/L Avicel、96 h）产生35 mM乙醇。在预处理稻秆上，单培养乙醇产量为14.15 mM，高于对照菌株C. thermocellum DSM 1313的11.93 mM。进一步将DBT-IOC-C19与木聚糖降解菌DC21及发酵菌X2进行三菌共培养，在预处理稻秆上乙醇产量达25.28 mM，约为单培养的两倍；在半纤维素模型底物木聚糖上，共培养也使乙醇产量从11.45 mM提升至23.76 mM。结果表明该新菌株底物谱广、无酶一步转化木质纤维素能力突出，共培养策略可有效弥补单菌代谢短板并显著提高真实底物乙醇产量，为低成本纤维素乙醇生产提供了可行的微生物平台。
创新点
['首次从喜马拉雅热泉分离出直接发酵纤维素和半纤维素产乙醇的嗜热厌氧菌株DBT-IOC-C19', '证明该菌株具有广谱底物利用能力，且不需要外源酶即可一步转化木质纤维素', '通过三菌共培养策略在真实稻秆底物上实现了约两倍于单培养的乙醇产量提升']
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium sp. DBT-IOC-C19 | 纤维素/半纤维素降解与混合酸发酵 | — | — | 催化 | 新型嗜热厌氧纤维素降解菌，主要发酵产物为乙醇、乙酸、乳酸 |
| Clostridium thermocellum DSM 1313 | 纤维素降解与混合酸发酵 | — | — | 催化 | 参考CBP菌株，用于发酵性能对比 |
| Clostridium sp. DBT-IOC-DC21 | 木聚糖降解 | — | — | 催化 | 木聚糖降解菌，共培养伴侣菌 |
| Thermoanaerobacter sp. DBT-IOC-X2 | 糖酵解/发酵 | — | — | 催化 | 非纤维素降解但可发酵糖类的嗜热菌，共培养伴侣菌 |
关键发现
- 新菌株Clostridium sp. DBT-IOC-C19在5 g/L Avicel浓度下144 h内降解94.6%纤维素，10 g/L时降解82.74%
- 最大纤维素利用能力为10 g/L
- 最佳条件下（10 g/L Avicel、96 h）产生35 mM乙醇、18.15 mM乙酸和4.88 mM乳酸，总可溶代谢物63.82 mM（20 g/L时）。在预处理稻秆上，单培养DBT-IOC-C19乙醇产量14.15 mM，高于DSM 1313的11.93 mM
- 三菌共培养（C19+DC21+X2）在预处理稻秆上乙醇产量达25.28 mM，约为单培养的两倍
- 在xylan上共培养乙醇产量从单培养11.45 mM提高到23.76 mM。
研究结论
新型嗜热厌氧菌Clostridium sp. DBT-IOC-C19可在无外源酶条件下将纤维素和半纤维素直接转化为乙醇，具有CBP潜力；通过与其他嗜热菌共培养可显著提高真实底物稻秆的乙醇产量，为低成本纤维素乙醇生产提供了可行策略。