界面生物反应中流体微环境对细菌纤维素代谢机制的影响研究

气液、液液、液固等界面上的生物反应广泛存在，在这类反应体系中，多相物质与能量传递效率偏低、体系时空动态变化复杂性以及细胞对所处微环境的应答机制不明，成为制约着界面生物反应效率的提高的关键瓶颈。本项目围绕（1）界面生物反应体系中多相物质传递规律；和（2）流体微环境与微生物代谢之间的相互关系这两个关键科学问题，以木葡糖醋杆菌发酵生产细菌纤维素为例，运用激光多普勒测速技术、Fluent流体力学、Comsol多物理场耦合分析软件等流体力学研究思路对反应器内流场进行定量计算；利用同位素示踪技术以及荧光高速显微技术，重点研究营养物质与产物在多相之间的传递规律；运用基于GC-M和LC-MS代谢组学技术，结合代谢网络分析和细胞生理生化特性，从系统生化谱的角度整体研究细胞对流体微环境的响应机制，解释不同流体微环境下细菌纤维素理化性质差异；为进一步优化该类生物反应器设计与放大，系统地优化调控机制提供理论指导。

按照项目计划所确定的研究内容，自2012年以来，开展了“界面生物反应中流体微环境对细菌纤维素（BC）代谢机制的影响研究”相关基础研究工作。以木葡糖醋杆菌发酵生产BC为研究对象，首次构建了木葡萄糖醋杆菌G. xylinus (CGMCC No. 2955)的代谢网络，并从代谢通量分析的角度，对界面生物反应体系中碳源这一影响微生物反应过程中的重要因素进行了深入的分析，系统地阐明了不同碳源对微生物发酵过程中心碳代谢途径的代谢通量的影响，以甘油为唯一碳源的培养中，获得了最高的BC产量（代谢产率为14.7 g/mol C），约是以果糖和葡萄糖为唯一碳源的1.69和2.38倍，代谢通量分析表明，47.96%的甘油流向BC，而仅19.05%的葡萄糖和24.78%的果糖流向BC，但却有40.03%的葡萄糖流向副产物葡萄糖酸，提出了一种以生物柴油副产物-甘油为原料的生产细菌纤维素的生产路线（Appl. Microbiol. Biotechnol., 2013, 97:6189-6199）。该论文已被SCI源刊引用3次，其中他引2次，包括美国微生物学会会志（MBIO，JCR一区，IF=6.9）正面引用1次，以及JCR一区杂志Food Hydrocolloids（IF=4.3）正面引用1次。比较了木葡糖醋杆菌在不同界面生物反应体系中的代谢差异，结合代谢网络分析和细胞生理生化特性，采用代谢组学的研究手段，分别分析了不同流体微环境下的代谢物差异。与静置培养相比，高流体剪切培养条件下，G. xylinus菌体的EMP活性提高75.84%，同时葡萄糖酸产量提高了65.09%。同时高转速对细胞产生一定的胁迫效果，使海藻糖、脯氨酸和谷氨酸等保护性代谢物显著积累18.66倍、3.83倍和15.77倍。因此大量碳源流向葡萄糖酸和氨基酸支路代谢，使得葡萄糖到BC的转化率下降到66.55%。此外，若向单界面静置培养中，加入弱直流电场，可发现，产生氢气和OH-的阴极端，可提高木醋杆菌细胞内EMP和TCA活性24.75%和66.10%。而产生氧气和H+的阳极端在作用24h后，即造成菌体的大量死亡。本研究为从系统生化谱的角度整体研究细胞对流体微环境的响应机制提供了重要依据。本项目共计发表SCI期刊论文6篇，中文期刊论文2篇，EI会议论文2篇，参加国际学术会议2次，已申请专利2项，已培养毕业研究生3名。