六、生物质能源与资源化利用

1. 研究背景
      能源危机和温室效应是世界面临的问题。地球上每年产生的植物光合作用产物可达2000亿吨,其中超过1500亿吨是以木质纤维素为主要成分的植物生物质(Plant biomass),是唯一可预测的能为人类提供物质和燃料的可再生资源。随着化石能源的枯竭和环境污染的日益严重,生物质能源以其资源量巨大、可持续、能耗低等优点获得了越来越多的重视。1982年,生物炼制(Biorefinery)的概念首次被提出,目前已成为世界各国的战略研究方向,主要内容包括生物材料、生物基化学品、生物能源、生物基原料、生物炼制平台技术等。通过生物炼制过程,生物质原料水解成可发酵的还原糖如葡萄糖等,然后糖再被微生物发酵转化成一系列有价值的产品,包括丁酸等化工原料以及燃料乙醇、甲烷等能源物质。
      纤维素燃料乙醇是清洁的替代性能源。它具有原料来源多样丰富和可再生性。目前世界各国都在积极研究开发纤维素乙醇的生产工艺。在我国每年有上亿吨的玉米秸秆成为农业废弃物,多数被废弃或焚烧,造成资源的浪费和环境污染。秸秆燃料乙醇技术可以避免淀粉乙醇生产与人争粮争地的问题,是一项可持续发展的环境友好型技术,其核心技术体系的建设成为了生物质炼制研究和开发生物质能源的研究新领域。

 

 

      由于生物质中木质素、半纤维素和纤维素之间复杂的伴生结构和结晶结构,使得天然的生物质原料直接水解很困难。另外,植物纤维水解液中木糖占还原糖的将近 1/3,有效利用木糖发酵将将使农作物秸秆原料生产乙醇经济可行性显著提高。因此,发展优化秸秆等木质纤维素预处理技术、高效酶解技术和各种糖化液的发酵技术,发掘和利用具有降解效率高、耐酸碱盐、耐高温等工业应用前景的产纤维素酶、木聚糖酶菌株或基因工程菌,以及构建耐酸耐热、利用木糖的酿酒酵母重组工 程菌是解决限制含木质纤维素生物质利用的瓶颈问题,提高与以淀粉质或糖质为原料生产燃料乙醇相比竞争力的关键,对于充分利用与转化纤维素类生物质原料进行生物炼制、发展生物经济,建设低碳社会具有重要的现实意义。
2. 研究内容

玉米秸秆糖化发酵生产燃料乙醇
      对玉米秸秆的浓硫酸糖化、酸糖分离、连续发酵、硫酸回收、蒸馏废液的甲烷发酵,处理水循环利用等整套运行条件进行优化,主要针对浓硫酸糖化和 糖化液发酵工序,联合应用HPLC、GC、LC-MS、GC-MS等实现不同处理条件下木质纤维素原料代谢产物成分、抑制物生成种类、有机物浓度、还原糖 (葡萄糖、木糖等)、乙醇、TOC等的快速、高通量的分析,全面解析上述反应系统中各因素的相互作用关系,逐步建立和完善纤维质原料糖化以及糖化液发酵生 产乙醇过程的动力学模型,为进一步的深入研究与应用提供重要的平台。

能利用木糖、耐酸耐热絮凝酵母的基因育种
      为了提高木糖发酵能力,采用原生质体紫外诱变等方法获得高效转化木糖和乙酸耐受性的酵母菌株,并进行发酵条件的优化研究。解析戊糖运输以及代 谢相关基因的功能与作用,研究葡萄糖对戊糖利用的抑制作用,为进一步提高戊糖的利用效率提供理论支撑。通过开展转录组学分析、代谢控制分析和代谢流向分 析,研究代谢途径、代谢节点以及各种调节机制的变化,加深对戊糖代谢调控机理的认识。构建高效能的磷酸戊糖途径,使木糖、阿拉伯糖等戊糖代谢的中间产物进 入中心代谢途径并向目标代谢产物转化。

生物质甲烷发酵微生物群落结构分析和定向调控
      为适应对不同生物质原料的利用,在高效厌氧干式甲烷发酵体系中添加可再生的有机物质,包括农作物、树木等植物及其残体、畜禽粪便、城市废弃物 (纸张、天然纤维)、厨余垃圾等辅料进行长期驯化,监测体系有机酸、TOC(总有机碳)、CH4和CO2生成量等指标,结合基因芯片、T-RFLP等分子 生物学技术动态跟踪微生物群落结构的变化,构建稳定分解转化各种生物质生产沼气高效干式厌氧污泥体系,为研发一系列适合不同用途的生物质降解复合酶系打下 基础。

宏基因组文库构建和生物质降解功能基因筛选
      以宏基因组技术为手段建立不可培养微生物筛选策略,从多年驯化的高效厌氧干式甲烷发酵体系中获取功能基因或者基因簇,为构建高降解效率、表达 稳定等具有工业应用价值的纤维素酶、木聚糖酶、淀粉酶、几丁质酶基因工程菌应用于生物炼制过程提供宝贵的基因资源。具体研究内容包括:
      1) 提取该体系微生物大片段DNA构建宏基因组Fosmid文库,建立快速有效的高通量筛选系统,结合酶活力验证获得表达目标活性的克隆,有重点地对其中表达高效、新型、分泌多种协同降解酶相关基因的表达、纯化及产物的酶学特性。
      2) 运用高通量宏基因组测序技术和生物信息学手段,分析厌氧细菌群落中生物质降解相关基因的分布、丰度,研究复杂微生物群落结构的代谢网络及进化关系,获得新的降解关键基因及辅助因子。

生物质高效降解基因工程菌构建技术研究
      高效低成本的纤维素酶是生物炼制过程中的中间化合物糖类制备的关键酶之一,因此,通过基因操作技术获得或改良有应用潜力的纤维素酶高产菌株, 对菌体膜运输系统的研究和改造,构建新的代谢途径,使微生物能够同时利用不同生物质原料的多种碳源;提高菌体的抗逆及抗不良环境(耐酸和耐抑制物)的能 力。另外,研发混合菌群协同产酶技术,进行酶解机理和工艺参数优化研究,为突破木质纤维素分解生成可发酵糖的难关提供关键技术。
      构建以木糖为唯一碳源或者能同时利用五碳糖和六碳糖的工程菌,运用发酵和代谢工程的技术方法,通过发酵条件优化、异源表达和代谢阻遏使代谢产 物方向移动,提高菌体合成目标化合物(如乳酸、琥珀酸、丁醇、木糖醇)的能力,可控制地生产大宗重要的平台化合物。
  
在研人员:来国莉,柳泽深,申菲菲,陈晨,耿爽等