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大海里的生物燃料
大海里的生物燃料
www.dicp.ac.cn    发布时间:2014-07-03 15:18    栏目类别:科研进展、科研方向类

      随着气候的恶化和化石能源的告急,生物乙醇、生物柴油、氢气、沼气等生物能源的开发已迫在眉睫。

      生物乙醇因具有原料来源广,绿色可再生等优点而受到广泛关注。预计到2020年我国生物能源消费量占到整个石油消费量的20%,以玉米、小麦和甘蔗等为原材料的传统乙醇生产工艺成熟,乙醇转化率高,但原料价格占整个生产成本的40% ~ 75 %,还存在耕种面积受限和与人争粮的问题,因此采用粮食作物生产生物燃料的发展受到了限制。而利用木质纤维素生产的第二代生物乙醇,由于原料预处理成本和纤维素酶生产成本过高,还缺乏戊糖发酵菌株,导致原料的乙醇转化率低,至今未能实现商业化生产。由于面临资源短缺以种种技术难题,人们把开发生物燃料的眼光,投向了广阔而又富饶的海洋。

      广阔的海洋占地球面积71%,其中蕴含了极其丰富的海洋生物资源,其中有各种各样的海洋鱼类、节肢动物、软体动物、浮游生物还有鲸鱼等大型哺乳动物。

      除了各种各样的海洋动物之外,还有各种各样的海洋藻类,尤其是褐藻,是各类海洋藻类中产量最大的,除了我们平时食用的海带、裙带菜等还有巨藻等大型海洋褐藻。

      褐藻资源是海洋多糖资源中最为丰富的,褐藻主要有三种组成成分:葡萄糖、甘露醇和褐藻胶,大肠杆菌自身可以利用葡萄糖和甘露醇,却无法利用褐藻胶。
如何将褐藻胶代谢纳入到大肠杆菌等工程菌中,是解决利用褐藻胶来生产生物乙醇等燃料的关键,在2011年,京都大学的Murata教授课题组首先尝试在可以利用褐藻胶的鞘氨醇单胞菌Sphingomonas sp.A1代谢体系中引入丙酮酸产乙醇途径(下图),同时阻断了丙酮酸到乳酸的代谢途径,实现了从褐藻胶到乙醇的产生,在褐藻胶的生物能源利用方面迈出了第一步,但由于该菌株为好氧性细菌,而丙酮酸转化乙醇是厌氧代谢,无法平衡细菌生长与产乙醇之间的关系,故此只能停留在实验室研究的阶段,但意义重大,为下一步研究指明了方向。

      紧接着,Wargacki等于2012年在大肠杆菌中插入褐藻胶裂解酶基因及乙醇发酵途径(下图),将褐藻胶代谢的关键酶以及转运体等转入大肠杆菌,构建了可以直接利用褐藻发酵产生乙醇的工程菌,其乙醇产量可到达理论值的80 %。以大肠杆菌作为途径改造对象与以鞘氨醇单胞菌Sphingomonas sp.A1作为改造对象的优势主要是大肠杆菌作为工业化应用的工程菌株,基因组学和蛋白组学等遗传背景非常清晰,代谢途径也都已经明确,有利于代谢途径的设计与改造,另外大肠杆菌对于乙醇的耐受有一定的限度,使得该项研究虽然与京都大学的工作相比有了较大进步,但也只是停留在实验室研究水平,仍有待进一步深入。

      2014年,密执安州立大学的Maria等在前面工作的基础上,进一步将褐藻胶代谢产DEHU的下游代谢途径与甘露醇代谢途径进行偶联引入酿酒酵母系统中(下图),使得宿主既可以利用褐藻胶又可以利用甘露醇,同时利用酿酒酵母是产乙醇的优良菌种,其乙醇耐受性好,并且其基因组已经测序,遗传背景清晰,有利于代谢途径的改造。

      基因工程,尤其是代谢工程的兴起使褐藻资源的生物转化逐步得以实现,以后研究的重点将是在现有的构建工程菌株的基础上,进一步对代谢过程进行优化改造,使得褐藻的利用率与生物燃料-乙醇的产量得以提升,当然这也需要各个实验室的通力合作,在前人的基础上,走的更远。

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