蓝细菌捕集二氧化碳直接转化生物燃料的研究

Global energy shortage and climate change have recently aroused universally increased concerns. Converting renewable biomass, such as lignocellulose, to biofuels has been considered a potential solution to energy crisis. This kind of technology, however, cannot minimize emission of greenhouse gases. Therefore, it is necessary to simultaneously produce biofuels and capture greenhouse gas, such as CO2. Despite the progress obtained focusing on converting CO2 to biofuels by cyanobacteria, few research systematically combined the capture of CO2 with the biofuel production, and few research followed the flux of carbon through the whole metabolic pathway leading to biofuels. Thus, we will balance the capture of CO2 with biofuel production and track the footprint of carbon in cyanobacteria, to convert CO2 efficiently to the target biofuel - butanol. In this project, we are going to discover the crucial environment factors and key metabolites influencing the specific functions of cyanobacteria; to develop engineered cyanobacteria with better performance; and to reveal their physiological principles. The purpose of our research is to develop a novel biotechnology, not only providing theories and knowledge for further research concerning biofuel production but also benefiting the alleviation of global energy crisis and climate change.

近年来全球范围的能源短缺与气候变化问题引起了广泛的关注。研究表明，基于木质纤维素类碳源的生物燃料可以作为一条解决能源危机的潜在途径，但该技术无法有效缓解CO2类温室气体的排放。如何在生物燃料合成的同时控制环境中CO2类温室气体的含量是当前亟待解决的难题。目前，蓝细菌捕集CO2合成生物燃料的研究取得了长足进展，然而研究没有将生物燃料合成与CO2捕集有机结合，很少从整个代谢过程的碳通量入手开展工作。基于此，本研究兼顾CO2捕集和生物燃料合成，以CO2捕集为起点，以碳的转移为轨迹，逐步开展蓝细菌捕集CO2合成生物丁醇的研究。本研究旨在探索一种可以有效捕集CO2、合成生物燃料的新型生物技术：探索环境因素与代谢产物对CO2捕集与丁醇合成的影响，筛选兼具CO2捕集和生物丁醇合成功能的蓝细菌工程菌并揭示其生理学原理，为进一步开展生物燃料的研究提供理论基础，为缓解全球能源危机和气候变化问题提供技术支持。

蓝细菌是一种典型的光合自养微生物，它可以直接以CO2为底物合成生物燃料。本项目以蓝细菌捕集CO2和生物燃料合成过程为研究对象，探索了兼顾CO2有效捕集和生物燃料合成新技术，调控蓝细菌代谢过程强化其对有机碳源的利用，提高CO2捕集效率，并对蓝细菌的环境响应机制和生态效益进行深入研究。主要研究成果如下：.（1）开发了一种包含PBAD诱导模块和阿拉伯糖代谢模块的分子生物工具包。在PBAD启动子作用下，蓝细菌可以利用相对廉价的阿拉伯糖进行生长。此外，该工具包还可以对下游基因的表达和代谢强度进行调控，优化蓝细菌作为合成生物能源的平台。.（2）构建了兼养型蓝细菌工程菌，利用有机碳源，如葡萄糖、木糖、阿拉伯糖等进行生长，并实现了黑暗条件下连续生长。通过转录组学分析，探索外源糖代谢通路的引入对全局基因的变化。.（3）研究发现E.coli中的GroE体系能够促进原核基因在酿酒酵母中的表达，这为酿酒酵母真核基因在蓝细菌中的有效表达提供了技术支撑。.（4）研究通过导入核酮糖-1, 5-二磷酸羧化酶/加氧酶和磷酸核酮糖激酶，实现了酿酒酵母与卡尔文循环的整合。该工程菌株释放的CO2含量降低。这使生产生物燃料过程中，降低温室气体的排放成为可能。.（5）发现了低浓度抗生素能够导致蓝细菌的聚集现象。由于低浓度抗生素引起蓝细菌膜表面zeta电位的升高，胞外蛋白与多糖的比值下降从而导致蓝细菌的聚集。此外，在pH为5或特定浓度Na+、Mg2+下，抗生素的诱导效果更加明显。研究还探索了低浓度的抗生素对蓝细菌生物膜形成的影响。适当浓度抗生素的存在能够促进蓝细菌生物膜的形成，受光合作用调节的钙化过程可能会上调。.（6）研究表明，蓝细菌对亚甲基蓝的吸附性能随渗透压的增加而增强，这主要是由压力胁迫下，胞外多糖的过量分泌和碳酸酐酶的上调导致。.（7）通过将alsS、ilvC、ilvD、kivd、YqhD五个外源基因以及adhII、pdc 2个外源基因引入蓝细菌中，成功构建了产乙醇和异丁醇的蓝细菌工程菌，并通过调节氮源、盐度等条件，发现外界环境压力对异丁醇产量的影响，为增加生物能源的产量提供一种新的思路。