低品位废弃生物质生物降解多样性挖掘及其强化生物产氢机理探索

The project aims to screen microbes from natural niche which could degrade waste biomass and produce hydrogen, digging new biomass degrading factors. High-throughput genome sequencing technology will be used to obtain key gene information from highly efficient biomass degrading bacterial communities by metagenome analysis. The distribution, abundance, possible collaboration and evolutionary relationship of key genes in biomass degrading bacterial communities will be analyzed. New biomass degrading genes and cofactors will be obtained by microbes screening and enzyme activity validation. The hydrogen production from low value waste biomass will be enhanced by microbes isolated from natural habitat. Besides, a matched system of biodegradation and hydrogen production process will be established for achieving the synergism between low value waste biomass degrading and hydrogen producing microbes. Interaction mechanism between low value waste biomass degrading and hydrogen producing microbes will be revealed. Furthermore, the function of the new degradation factor in the biodegradation and hydrogen production of low value waste biomass will be analyzed. The mechanism on the biodegradation of waste biomass and hydrogen production based on the augmentation of hydrogen-producing bacteria will be revealed, laying a solid foundation on biomass utilization based on the biodegradation and biohydrogen production from low-value waste lignocellulose.

本项目拟从自然生境中筛选能够直接或间接利用废弃生物质进行高效产氢的微生物，挖掘新的降解因子；运用高通量宏基因组测序技术，从高效降解群落中分析纤维素降解细菌的群落组成、各自功能、潜在的协作及其进化关系，分析纤维素降解相关基因的分布、丰度及其潜在的功能，获取关键基因信息；结合微生物筛选分离以及基因功能验证技术，获得新的高效降解菌株和关键降解基因及辅助因子；以低品位废弃生物质降解产氢为目标，研究基于自然生境中分离得到的产氢菌株强化废弃生物质的生物降解产氢过程，建立生物降解与制氢过程高度匹配的体系，实现废弃生物质降解和产氢菌的协同作用，以自然生境下微生物群落组成为基础优化产氢体系中微生物的组成，获得最佳的产氢效率，并揭示菌群间的相互作用机制；解析新的高效降解因子在生物转化过程中的功能，揭示基于产氢菌生物强化废弃生物质的高效降解及产氢机理，为低品位废弃生物质生物降解产氢能源化途径奠定坚实的基础。

废弃生物质的资源化利用对于缓解能源和环境危机以及废弃物的合理处置具有重要意义。本项目建立了过硫酸氢钾联合脱乙酰化、离子液体联合对甲苯磺酸和过硼酸钠等废弃生物质预处理工艺，能够获得具有卓越降解性能的废弃生物质底物。以造纸污泥为目标功能菌种来源，通过不断传代富集得到稳定的嗜热纤维素降解产氢菌群，对富集的降解细菌的群落组成、功能进行了分析。以纤维素为碳源分离得到具有纤维素降解产氢和糖化能力的Clostridium thermocellum MJC1和一株能够高效利用可发酵性糖产氢的Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum MJ2，分离获得的功能菌株为构建高效的CPB降解产氢工艺奠定了良好基础。通过添加生物炭显著降低了MJ2发酵的延滞期，同时能够提高2.9倍的最高产氢速率和2.8倍的产氢潜力。此外，添加生物炭显著改善了MJC1利用PSCB降解产氢性能，提高了MJC1产氢潜力和最大产氢速率，分别提高了101.8%和113.1%。进一步在嗜中温菌群利用PSCB降解产氢的暗发酵体系探究了生物炭的强化机理。对生物炭强化机理从生物量、ORP、酶活、电子传递效率、转录组以及微生物空间群落结构等方面进行了详细分析。建立了MJC1和MJ2的共培养产氢体系，当二者初始接种比为2:1时，氢气终产量达到最大值。进一步探究了生物炭对共培养产氢发酵的影响，结果表明生物炭显著提高了乙酸和丁酸等产物产量，同时提高33.1%的氢气终产量。本项目构建的高效预处理方法为木质纤维素预处理提供了参考，分离获得的嗜热产氢菌MJ2为生物制氢的研究提供了优质的候选菌株，基于共培养和生物炭强化的产氢发酵策略为高效的木质纤维素降解产氢提供了技术方案，结合生化、电化学以及转录组分析为生物炭强化产氢机理提供了有力的理论依据和新的见解。