表面活性剂介导的废弃生物质微生物转化增效机制研究

Industrialization of the second generation biofuel is not economically available yet due to a few hassles such as the low lignocellulose conversion efficiency. In this study, C. thermocellum, an anaerobic thermophilic strain, will be used as lignocellulose-degrading microorganism to investigate enhanced bioconversion mechanism of non-ionic surfactant in the lignocellulosic biodegradation. A microbial conversion system of sugarcane bagasse by C. thermocellum with non-ionic surfactant will be first established. Then advanced techniques, such as Confocal Laser Scanning Microscope, RT-PCR, Fluorescent probe technique, Fluorescence chromatography, Nuclear Magnetic Resonance etc., will be used to reveal the positive mechanisms of non-ionic surfactant in the bioconversion system from structural modification of lignocellulose, the effects on microorganism metabolism and typical functional enzymes and the interactions between the non-ionic surfactant, sugarcane bagasse and lignocellulose-degradation microorganism. This project aims to use the amphiphilic property of non-ionic surfactant to enhance microbial conversion of lignocellulose.The work will lay a good foundation on the microbial conversion of lignocellulose and make the CBP a more economical way in the reutilization of waste biomass and bioenergy development.

实现木质纤维素的高效转化一直是困扰废弃生物质利用和生物能源产业化发展的重要难题。本项目拟以嗜热厌氧梭菌C. thermocellum作为木质纤维素降解菌，深入研究表面活性剂在低品位生物质废弃物甘蔗渣的微生物转化过程中的增效机制。首先建立表面活性剂介导的甘蔗渣微生物转化体系，然后利用激光扫描共聚焦显微镜（CLSM）、RT-PCR技术、荧光探针技术、荧光色谱、核磁共振(NMR)和流式细胞仪等方法，从宏观与微观尺度分析表面活性剂对木质纤维素降解体系中甘蔗渣结构变化、微生物效应以及关键功能酶的改性作用，揭示表面活性剂对甘蔗渣微生物转化过程的增效机理。本项目旨在利用表面活性剂的两亲性及稳定性，将其应用于木质纤维素的微生物转化过程中，提高微生物转化效率，为CBP途径在废弃生物质的综合利用和生物质能源开发方面奠定良好的基础。

实现木质纤维素的高效转化一直是困扰废弃生物质利用和生物能源产业化发展的重要难题。本项目以嗜热厌氧梭菌C. thermocellum作为木质纤维素降解菌，在对木质纤维素预处理方法研究的基础上，探究了表面活性剂在微晶纤维素、废弃生物质甘蔗渣和菇渣的微生物转化过程中的增效作用，并对其机理进行了探索。首先建立了有效的甘蔗渣Fenton反应与NaOH联合预处理、碱性过氧化氢与离子液体水溶液联合预处理以及过硫酸氢钾联合脱乙酰化预处理方法，并对各种方法的机制和效果进行了研究；建立了表面活性剂介导的嗜热厌氧梭菌C. thermocellum生物质微生物降解体系，在微晶纤维素、甘蔗渣和菇渣等废弃生物质中进行应用探究，发现表面活性剂Triton X-100在微晶纤维素以及低品位生物质废弃物甘蔗渣、PEG8000和JFC-E在菇渣的微生物转化过程中均表现出增效作用。添加0.25% Triton X-100条件下，嗜热厌氧菌纤维小体体系和真菌β-葡萄糖苷酶CTec2（含有1.2 FPU/g底物）能降解100 g/L微晶纤维素底物产生83.17 g/L葡萄糖。从宏观与微观尺度探究了非离子表面活性剂Triton X-100、PEG8000和JFC-E对木质纤维素降解体系中木质纤维素结构变化、纤维素降解菌理化性质变化、关键功能酶的活力和稳定性的影响以及对甘蔗渣微生物转化过程中菌体数量、细胞膜通透性、表面电荷等的影响，揭示了表面活性剂对于强化废弃生物质微生物转化的微观机制。项目研究对于表面活性剂对于生物质生物降解的增效作用及其机制有了更深入的理解和认识，研究结果可以为表面活性剂强化废弃生物质的高效生物转化奠定理论基础，为CBP途径在废弃生物质综合利用和生物能源开发方面提供技术支撑。