双菌协同降解木质纤维素碱预处理水解液中苯酚抑制物的微观机制

Alkaline-pretreatment, which is considered to be an effective pretreatment method of fermenting lignocellulose to bio-ethonal, has been paid much attention nowadays. However, as the main inhibitor, phenol is produced in the hydrolysate after pretreatment. Therefore, it could prevent bio-ethanol production in a normal way. In the present research proposal, phenol degrading bacteria, which was screened from industrial wastewater, will be added in-situ into alkaline-pretreated lignocellulose hydrolysate. Thus, the cellulose degrading bacteria and phenol degrading bacteria can work together to remove phenol from the hydrolysate with additional advantage of restoring reducing sugars content in the hydrolysate at the same time. The interaction and response mechanism between the two bacteria will be monitored and metabolic pathway of phenol degrading bacteria in facultative anaerobic environment will be investigated. Moreover, the consortia effect of phenol-cellulose-degrading bacteria on constituation of cellulases, absorption of cellulase and physical morphology and chemical structure of cellulose will be discussed, which could explicit the mechanism of oriented detoxification by a molecular scale. The results of this research work might establish a solid theoretical basis for the enhancement of lignocelluloses degradation, create a concrete large-scale industrial application of bio-ethanol product and promote the sustainable development.

碱预处理是利用廉价木质纤维素原料生产燃料乙醇的有效预处理手段，已成为业界和学术界的研究热点。然而，在碱预处理的同时易产生苯酚类抑制物，严重影响后续乙醇发酵过程的顺利进行。本项目拟将从工业废水中筛选出的酚类降解菌直接接种至木质纤维素碱预处理水解液中，构建苯酚降解菌-纤维素降解菌双菌协同降解体系。该体系可在基本不消耗水解液中还原糖的同时，定向脱除水解液中的苯酚类抑制物。研究脱毒前后双菌协同降解体系中苯酚降解菌与纤维素降解菌的相互作用与响应机制，并探讨苯酚类物质在兼性厌氧环境下的代谢途径。同时，通过双菌协同降解体系对纤维素酶酶系构成与吸附状况以及纤维素分子物理形貌与化学结构的影响，从分子水平揭示木质纤维素碱预处理水解液中苯酚类抑制物定向脱毒的微观机制。研究成果可进一步提升木质纤维素降解率，为燃料乙醇的大规模工业化应用提供理论基础与科学依据，亦可为可持续发展提供技术支撑与保障。

传统化石能源的日益减少及日益增长的能源需求使得寻求发展可持续替代能源尤为重要。以木质纤维素原料制备的纤维素乙醇，由于具有成本低、可利用性强、环境友好及可持续等特点，近年来备受广泛关注。在纤维素乙醇生产过程中，预处理是必不可少的限速步骤。然而在预处理过程中产生大量的小分子抑制物，严重影响后续产乙醇过程的顺利进行。.本研究选择稻草秸秆作为生产乙醇的原料，并使用氢氧化钠对其进行预处理。利用GC/MS定性并定量分析了经2%、4%及6%氢氧化钠预处理后水解液中抑制物的组成成分。研究结果表明，酚类和酸类占抑制物总含量的90%以上。其中，阿魏酸是最主要的酚类成分。.通过浓度梯度压力驯化方式，从受阿魏酸污染的土壤中筛选出一株阿魏酸降解菌HHQ-1，经鉴定为寡养单胞菌属。通过正交实验对HHQ-1的最适生长条件及最优降解条件进行了分析。将HHQ-1添加至木质纤维素碱预处理水解液中，构建阿魏酸降解菌HHQ-1-里氏木霉双菌协同降解体系，在线解毒水解液中的毒性抑制物。研究结果表明，双菌协同降解体系在60 h可使还原糖产量达221.33 mg•L-1，比单菌体系中还原糖产量提高7.84%。.对不同降解体系中三种纤维素酶酶系构成进行了监测，结果表明，双菌协同降解体系中ß-葡萄糖苷酶的活性是单菌降解体系的4.23倍。并且，双菌协同降解体系更能保护细胞膜的完整性。利用扫描电镜、傅里叶红外光谱、X-射线衍射仪等观察不同降解体系下稻草秸秆的形貌级结构变化。结果表明，双菌降解体系使稻草秸秆的结构破坏更加明显，显著降低木质素部分的结晶度。较单菌降解体系而言，双菌协同降解体系可有效去除木质纤维素预处理水解液中的阿魏酸抑制物，并实现在线脱毒，从而为燃料乙醇产量的提升机成本降低提供有效技术支撑。