小菌株大魔法农林废弃物变乙醇汽油

2018-03-13 08:44:18来源:青岛晚报

你能想象秸秆等农林废弃物可以变废为宝成为乙醇汽油么?我市的科学家们通过一种细菌实现了这一神奇转变。记者从青岛能源所获悉,该所代谢物组学团队长期致力于热纤梭菌等纤维素降解菌的遗传改造及代谢工程研究,通过对热纤梭菌及其纤维素降解酶系——纤维小体的定向改造,构建了新型的工程菌株,可以作为全菌催化剂实现农林废弃物中木质纤维素底物到可发酵糖的高效转化,促进了木质纤维素生物转化的工业化进程。

破解木纤维素两道“屏障”

植物通过光合作用积累了大量的纤维素,纤维素的利用却没那么容易,降解它就得费上九牛二虎之力。自然界的进化就是一场博弈。为了防止微生物与酶的降解,植物在长期的进化中形成了强大的“抗降解屏障”。也就是说,木质纤维素生物质的工业化、规模化和商业化应用仍未真正展开,其主要原因在于尚未突破木质纤维素高效、低成本转化为可发酵糖的这一瓶颈步骤。

具体来说,纤维素链之间通过氢键网形成了连水分子都插不进去的结晶体。这是纤维素降解的第一道关卡。另外,在植物细胞壁中,纤维素被包埋在由果胶、木质素、半纤维素等组成的基质中,阻隔了纤维素酶与纤维素链的直接接触。相比纤维素,木质素和半纤维素的结构要更加复杂。这是纤维素降解的第二道关卡。所以,科学家们绞尽脑汁想出了各种方法来瓦解纤维素的抗降解屏障。

神奇细菌热纤梭菌

热纤梭菌的神奇在何处?原来,热纤梭菌依靠其“神器”——胞外的纤维小体能高效降解纤维素,在生物能源领域具有重要价值。在这场“战役”中,最初,热纤梭菌漫无目的地四处游荡,不时向周围发射几颗“炮弹”——纤维素酶。这些纤维素酶是游离酶,可以分泌到距离热纤梭菌很远的地方。如果周边环境中有纤维素存在,在纤维素酶的轰击下,纤维素链就会发生断裂,产生少量的纤维二糖和纤维糊精。研究发现热纤梭菌能以细胞表面的碳水化合物结合模块(CBM)作为信号接收器,感应到环境中的“猎物信号”——纤维二糖。经过一系列信号传导,就会启动“神器”纤维小体的合成。一个纤维小体上载着不同种类的纤维素水解酶,大致分为两类:一类是内切酶,负责从纤维素链内部进行切割;另一类是外切酶,负责从纤维素链末端进行切割。

而且,根据底物纤维素的状态,热纤梭菌可以调整纤维小体上各种水解酶的比例和空间分布,把酶与酶之间的协同效应发挥到极致。纤维小体一路向前挖过去,也牵引着热纤梭菌向纤维素充裕的方向移动,不断分解纤维素。

纤维素变乙醇汽油

热纤梭菌利用纤维小体这把利刃,切割纤维素链,最终收获的是一筐筐的“葡萄糖分子”,经过一系列的代谢途径,葡萄糖完成了从糖到乙醇的完美蜕变。生物乙醇制备完成后,再与汽油按照1:9的比例混合,制成最终产品:“乙醇汽油”。按照这个比例混合的乙醇汽油有几个优点:一是由于勾兑量较少,目前汽车的发动机无需改造就可直接使用;二是乙醇的辛烷值较高,可以取代原先汽油中污染环境的含铅添加剂,并且改善汽油防爆性能;三是能有效消除火花塞、气门等部位积碳,避免因积碳过多而引起发动机故障,延长发动机使用寿命。

非粮木质纤维素的高效利用是亟待解决的全球性问题,对实现经济的可持续发展具有重要的战略意义。青岛能源所代谢物组学团队在该领域的相关成果已于2017年5月12日在线发表于Biotechnol-ogy forBiofuels。其中,博士生张杰为该论文的第一作者,崔球研究员和刘亚君副研究员为该论文的通讯作者。 青岛晚报/掌上青岛/青网 记者 王伟

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