生物燃料|“细胞工厂”让生物燃料更经济
近日，诺和诺德基金会生物可持续性研究中心与美国耶鲁大学在《自然—通讯》发布的一项研究表明，甘蔗在进行乙醇发酵时，淀粉乳杆菌能产生大量喂养酵母菌的乙醛，发酵产量预计可提高3% 。研究人员建议，关注微生物群落的多样性，对益生菌和有害细菌进行取舍，可以提高发酵的总产量和成本 。
在中国科学院微生物研究所研究员张延平看来，微生物细胞工厂是生物炼制的核心，利用代谢工程与合成生物学技术创建高效的微生物细胞工厂，已经展现出良好的应用前景和巨大的市场潜力 。
不过，她在接受《中国科学报》采访时坦言，“虽然高效利用微生物可以提高生物燃料产量，但由于生产成本高及补贴等优惠政策的变化，很多企业对技术研发持续投入的热情并不高 。”
细胞工厂前景凸显
“由于化石能源具有不可再生性及不合理使用会造成环境污染等特性，各国都在积极寻找可替代资源，其中生物质最具潜力 。”中国科学院过程工程研究所研究员王岚说，“生物质在地球上储量巨大，可以通过化学、生物等方法转化为燃料，这种生物燃料清洁无污染，在可再生能源中占据重要地位 。”
据她介绍，生物燃料主要分为醇类燃料、发电、柴油和成型燃料四大类 。醇类燃料中，燃料乙醇是最具代表性的生物质产品 。
在《自然—通讯》发表的这项研究中，研究人员仔细研究了甘蔗在进行乙醇发酵时，酵母菌和其他细菌的相互作用，并对微生物群落结构的所有可能组合进行了重构，这涵盖了工业生产中约80%的微生物群落多样性，其中淀粉乳杆菌特别值得关注 。
“这种细菌几乎可充当益生菌，阻止有害细菌参与发酵过程 。它以一种和酵母几乎共生的方式生长，这对工业生产十分有益 。”曾在诺和诺德生物可持续性研究中心攻读博士学位的马萨·利诺说 。
近年来，张延平将目光转向了燃料丁醇 。“由于燃烧热值和腐蚀性问题，燃料乙醇在汽油中添加量超过15%时，必须添加腐蚀抑制剂或对发动机进行改造 。我国现行标准是乙醇汽油中乙醇含量为10%左右 。相比而言，丁醇在性能上与汽油更为接近，燃料丁醇可以100%用作车用燃油 。”
为了获得高产丁醇细胞工厂，张延平团队以大宗有机溶剂和潜在生物燃料——正丁醇为目标产品，以大肠杆菌为底盘细胞，创建全染色体编辑的丁醇细胞工厂 。经过这种策略获得的丁醇高产菌株可以达到产丁醇大肠杆菌最高水平，葡萄糖的得率也达到理论最大值的83%，超越了天然产丁醇梭菌 。
“该菌株生产丁醇不需要添加任何抗生素和诱导剂，具有工业化生产应用的潜力，但由于原料成本高，产业化进程仍然相对缓慢 。”张延平表示 。为此，她们进一步开发了同步高效代谢葡萄糖和木糖生产丁醇合成菌群，为进一步开发二代纤维素丁醇奠定了基础 。
改造微生物并非易事
“微生物菌种是制造生物燃料的核心，在漫长的进化过程中，微生物形成了非常精细的调控系统，想要改造它们并非易事 。”张延平表示 。
她告诉采访人员，微生物利用秸秆等生物质为原料进行生物转化，需要对原料进行预处理、水解等，转化过程可能会产生很多杂质，影响微生物的生长和代谢；转化得到的混合糖如果不能被同时利用，就会导致浪费，提高成本；如果不能有效代谢，又会产生高营养的废水 。
“因此，要想将秸秆等木质纤维素原料转化成所需的目标产品，就需要将微生物的所有功能集成在一起，单靠某一种微生物是很难办到的 。”张延平团队为此也提出了一些新的技术理念，如合成微生物组，将分工合作的不同微生物结合在一起，共同完成一项工作 。
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