秸秆乙醇发酵中极端嗜热菌的改性天然载体固定化及代谢途径变化机制

Simultaneous fermentation of hexose and pentose is the key issue in lignocellulosic ethanol production. Extreme thermophilic bacteria exhibit obvious advantages in biomass resource due to their broad scope of substances and high efficiency of fermentation. The major concerns on application of extreme thermophilic bacteria include construction of stable and efficient functional bacteria, and identification and control their metabolic pathways. Molecular biological techniques based on metagenomics have limitations for revealing specific expression of gene and real metabolic function. By contrast, metaproteomics in microbial ecology provide an advanced tool for identification and analysis of metabolic pathways. Therefore, immobilization carrier of hydrothermal modified lignocellulosic waste is first to be developed in the current study, and the efficient immobilization of extreme thermophilic bacteria is to be achieved to overcome the limitation on biomass maintain and tolerance of hazardous substance. Metaproteomics technologies are then to be used to reveal the influence of the characteristics of modified carriers on the metabolic pathways of extreme thermophilic bacteria. The response mechanism of the metabolic pathways to the hydrolysate variation is further to be analyzed. The optimization of carrier modifying and fermentation operating will be performed in terms of metabolic pathway control. Finally, stable and efficient extreme thermophilic bacteria are to be constructed for ethanol production from lignocellulosic hydrolysate, and a process combining lignocellulosic pretreatment/ hydrolysis and ethanol fermentation with immobilized extreme thermophilic bacteria is to be established. This research is supposed to provide novel solution and theoretical knowledge for lignocellulosic ethanol production.

同时发酵己糖和戊糖是秸秆高效乙醇化的关键。极端嗜热菌可利用底物范围广、发酵效率高，在生物质资源化中有明显优势。构建稳定高效的极端嗜热菌群，识别并调控其发酵代谢途径，是其应用于秸秆乙醇化的关键问题。基于DNA的分子生物学技术无法准确揭示微生物基因特异性表达和实际代谢功能，而微生物生态学领域先进的元蛋白质组学技术，为代谢途径的识别与分析提供了有力工具。由此，本研究首先开发水热改性的木质纤维载体，实现极端嗜热菌的高效固定化，以克服其生物量保持和毒性物质耐受的技术瓶颈；进而利用元蛋白质组学技术，揭示改性载体特征对极端嗜热菌代谢途径的影响规律，并解析其发酵代谢途径对水解液组分变化的动态响应机制，从代谢调控角度进行载体改性和发酵工艺的优化。最终构建适于秸秆水解液乙醇发酵的稳定高效极端嗜热菌群，建立秸秆预处理水解与极端嗜热菌固定化乙醇发酵耦合工艺，为秸秆高效乙醇化的实际应用奠定基础。

生物质废物资源化技术和理论，既是固体废物和环境能源领域的研究前沿和热点，也是国家科技需求的重要方向。在反应体系内构建稳定高效的极端嗜热菌群，并提高其同时发酵木糖和葡萄糖的乙醇产率，是利用极端嗜热菌进行木质纤维水解产物乙醇发酵的技术瓶颈，而微生物固定化是提升反应体系稳定性与发酵效率的有效途径。本研究首先对不同水热条件下改性木质纤维载体的理化性质及其对微生物乙醇发酵效果的影响展开了研究，通过对不同条件水热改性前后载体材料的溶解度、比表面积和孔隙度等的对比检测，确定了玉米秸秆作为固定化载体的优化改性条件。进一步建立了基于水热改性载体对嗜热混合菌及乙醇热厌氧杆状菌固定化发酵实验平台，对嗜热混合菌固定化和发酵效果影响展开了研究，发现通过水热改性载体固定化的嗜热混合菌发酵产出乙醇最大浓度达806.61mg/L，乙醇平均产出速率达30.63mg/(L·h)，比未加载体时分别提升了99.22%和122.76%。研究了固定化嗜热微生物发酵过程对不同环境要素的响应，探索了高效产乙醇过程的调控手段，结果表明高温微生物生长的最优条件组合包括pH为6.5、液固比为4且磷酸盐浓度为110g/L，此时底物降解速率达理论最大值33.77 mg/(dL·h)。抑制因子外源乙醇浓度＞3%或糠醛在0~0.75g/L时，对微生物代谢有显著抑制作用，固定化载体能促进微生物的生长、提高约10%的底物利用率，并增大微生物对抑制因子的耐受浓度。最后开展了与产乙醇密切相关的产酸和产气等旁支发酵过程研究，以两种过渡金属颗粒作为添加剂研究了金属溶解和表面活性对厌氧产酸过程的影响，并通过甲烷产量与物质降解效果对多孔导电材料辅助的厌氧干发酵性能进行综合评估，表明发酵过程产气与丁酸产量具有明显的相关性，微生物群落结构与产酸表现性具有较好相关度。进而针对不同秸秆产乙醇工艺技术的物质流开展了生命周期评估研究，物质流分析表明乙醇产量占玉米秸秆总固体量的11~22％。在预处理中使用碱性、溶剂法和氨的工艺方法显示出最高的乙醇产量（19~22％），而用真菌预处理乙醇产量最低（11％）。依托本项目研究开发了微生物高效固定化的水热改性纤维载体，并突破了秸秆乙醇代谢途径识别的关键科学问题，为生物质资源化技术的机理研究和工艺发展做出了贡献，申请了国家发明专利2项（已授权1项），发表了学术论文9 篇，其中高水平SCI 论文7 篇。