纤维素乙醇作为一种清洁可再生的绿色能源,具有良好的应用前景.然而酿酒酵母利用木质纤维素原料生产乙醇的发酵过程易受多种抑制物胁迫的影响,因此提高其胁迫耐受性具有重要意义.本研究在细胞内设计了一种氧化还原敏感型基因元件,通过生物传感器Yap1 感应胞内氧化还原状态,以调控抗胁迫基因智能表达.首先,分析了Yap1 调控的天然内源启动子PTRR1、PTRX2 和PMET16 对木质纤维素水解液中典型抑制物的响应强度.其次,根据不同胁迫种类组合相应启动子与抗胁迫的效益基因,构建氧化还原敏感型基因元件提高了酿酒酵母的胁迫耐受性.最后,将表现较好的基因元件GP-CTT和GP-ADH串联整合到一起构建了双基因元件系统,在 5-HMF和H2O2 双重胁迫下细胞的死亡率与野生型相比下降了 69.6%.相较于单基因元件GP-CTT,双基因元件整合菌株的比生长速率、葡萄糖消耗速率和乙醇生产速率分别提高了64.2%、60.1%和 58.9%,重组菌株过氧化氢酶的酶活力提高了 40.2%.本研究通过理性设计氧化还原敏感型基因元件的遗传回路,强化胞内关键抗氧化酶和醛降解途径,系统地提高了酿酒酵母的胁迫耐受性,为动态地提高酵母鲁棒性提供了新的见解.

木质纤维素类生物质作为一种廉价且储量丰富的可再生原料,可通过预处理、酶解和微生物发酵等过程转化为纤维素燃料乙醇,近几十年来受到世界各国的广泛关注.杨木是一种人工广泛种植的速生硬木,主要用于造纸工业,而伴随产生大量枝桠等废弃物.因其富含纤维素和半纤维素组分,被认为是纤维素乙醇生产的优良木质纤维素原料.聚焦于杨木在纤维素乙醇生产中的应用,介绍了杨木的组成及结构特点,重点综述了杨木在预处理技术、预处理原料的酶解、微生物发酵等方面的研究进展.最后,归纳总结了限制杨木在纤维素乙醇应用中的技术障碍及困难,进而分析提出了相应解决对策并展望了其应用前景.

纤维素燃料乙醇生产面临的一个重要问题是纤维素原料预处理过程中产生多种副产物会显著抑制酿酒酵母的生长繁殖和发酵,其主要成分弱酸类中甲酸被认为具有最强的抑制效应.为了解工业酿酒酵母混合糖发酵时木糖利用被甲酸特异性显著抑制的机制,为发酵菌株的抑制物耐受育种提供依据,以乙酸存在条件下的发酵为对照,研究甲酸存在条件下菌株分别发酵混合糖和单独木糖时的发酵性能以及糖代谢相关基因的表达差异、葡萄糖浓度对菌株发酵木糖和木糖代谢基因表达的影响,同时研究甲酸存在条件下葡萄糖代谢产物乙酸和乙醇对菌株发酵木糖的影响以及混合糖和单独木糖发酵过程中甲酸浓度变化和甲酸脱氢酶基因FDH1转录情况.结果显示:葡萄糖只有在甲酸存在条件下才特异性地显著抑制木糖发酵,木糖消耗速率的下降与木糖还原酶(XR)和木糖醇脱氢酶(XDH)酶活下降有关;单独木糖发酵时,只有当乙酸、乙醇和甲酸共存时才表现出抑制效应,且随乙醇浓度增加抑制效应越明显,木糖发酵被抑制与XDH酶活下降有关,但乙酸、乙醇和甲酸三者对木糖发酵的协同抑制效应明显弱于60 g/L葡萄糖存在时的抑制;混合糖发酵时FDH1基因转录被抑制导致甲酸分解缓慢,对甲酸存在条件下木糖发酵被抑制有部分贡献.综上,葡萄糖抑制甲酸分解与葡萄糖代谢产物乙酸、乙醇和甲酸的协同抑制对混合糖发酵时甲酸对木糖发酵特异性显著抑制有贡献,但尚存在其他未知抑制机制,还需进一步深入研究.

利用木质纤维素原料生产燃料乙醇,预处理是必需的环节,在预处理过程中会产生一些对微生物生长和发酵有抑制作用的化合物,这些抑制剂可分为3类:呋喃醛类化合物、酚类化合物和弱酸.近些年来,关于抑制剂的研究取得了一些重要的研究进展.介绍了各种抑制剂的产生、作用机理及近几年的相关研究成果;阐述了应对抑制剂影响的多种措施,包括采用新型的预处理方式在源头上控制抑制剂的产生、发酵前利用有效的脱毒方法减少抑制剂的浓度、耐受抑制剂的菌株的选育、通过发酵过程的控制有效减少抑制物的毒害作用等.目前,大量研究集中在抑制剂耐受性菌株的开发上,总结了通过诱变、驯化、代谢工程改造等方法以及这些方法的联用选育耐受性菌株的研究成果及进展,指出对微生物进行代谢工程改造是克服抑制剂对乙醇发酵影响的最有前途的方法,并对将来的研究方向进行了展望,以期为该领域研究人员提供方法的参考.

木糖利用能力和抑制物耐受能力优良的工业酿酒酵母菌株以及合理的糖化发酵工艺是纤维素燃料乙醇生产的两个关键.对一株工业酿酒酵母菌的磷酸戊糖途径转醛醇酶基因TAL1进行差异过表达, 评价其在8种典型抑制物存在时对菌株利用木糖的影响;利用TAL1过表达菌株研究油菜秸秆预处理物料中抑制物含量高低对分步糖化发酵 (SHF) 、预糖化-同步糖化发酵 (P-SSF) 和同步糖化发酵 (SSF) 3种不同糖化发酵方式发酵过程的影响, 探讨高固含量发酵的可行性.结果显示, TAL1基因过表达提高了菌株的木糖代谢能力和对8种典型抑制物的耐受能力, 适度过表达菌株表现最优, 有抑制物存在时的木糖消耗速率提升了20％-70％.秸秆预处理物料中抑制物总含量约为4 g/L时, SHF无法正常发酵, SSF的乙醇收率接近70％, 略高于P-SSF;当物料中抑制物总含量下降到约2 g/L时, 3种方式都能顺利发酵, SSF表现最优, 96 h时的乙醇收率为86.5％, 但SSF (96 h) 和P-SSF (112 h) 所需糖化发酵总时间远低于SHF (144 h);总固含量约为25％的分批补料-同步糖化发酵 (FB-SSF) 的乙醇浓度和乙醇收率分别达到54.2 g/L和67.2％.上述结果表明, TAL1基因适度过表达提升了菌株的木糖发酵和抑制物耐受能力, 菌株已具备比较优秀的发酵和耐受抑制物的能力;预处理物料中抑制物含量相对较高时采用SSF或P-SSF工艺, 而抑制物浓度相对较低时, 3种糖化发酵方式都可以采用, 但SSF所需发酵时间最短, 生产能力最高.

充分利用木质纤维素中的糖分是提高以此类生物质为原料生产二代燃料乙醇经济盈利性的基本要求,也是实现其他生物基化学品规模化生产的基础.传统的乙醇生产微生物酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae具有独特的生产性能及内在优势,是备受关注的底盘细胞,但其不能有效地利用戊糖.利用代谢工程、合成生物学策略,对二代燃料乙醇生产专用酿酒酵母的精准构制持续研究了30余年,已明显改善了其对木糖/葡萄糖的乙醇共发酵能力.近年来关注点集中在早期忽略的限速步骤即糖转运环节的研究上,以期实现不同糖分各行其道、高效专一性转运蛋白各行其责的二代燃料乙醇生产特种酿酒酵母所需的糖转运理想状态.文中主要综述了酿酒酵母戊糖转运蛋白的研究进展,及酿酒酵母的木糖和L-阿拉伯糖代谢工程的研究现状.

丁醇因其优越的燃烧性能成为目前最具研发前景的生物燃料之一,它通常以可再生资源为原料,经丙酮丁醇乙醇(ABE)发酵获得.尽管ABE发酵曾是最古老的大规模发酵工艺之一,但由于原料成本高,发酵液中丁醇浓度低以及较高浓度的丙酮、乙醇和有机酸等副产物积累等问题,导致丁醇的生物炼制仍然不具有经济竞争力.本文中,笔者从原料选择、原料预处理、纤维素酶酶解和丁醇发酵4个方面介绍丁醇生物炼制的基本流程以及相关研究,以进一步分析丁醇生产的主要瓶颈,并从生产菌株改造和丁醇分离2个方面总结近年来的相关研究进展.最后,讨论了未来丁醇生产研究的重点并指出菌株改造的方向.

木糖是秸秆等纤维素类生物质原料中含量仅次于葡萄糖的第二丰富的糖,构建可高效发酵木糖的酿酒酵母菌株是提高原料利用率、降低纤维素燃料乙醇生产成本的基础.外源基因的高效表达以及本源基因的调控都需要选择表达强度合适的启动子.基于比较转录组,在全基因组水平上比较解析酿酒酵母所有基因在发酵葡萄糖、发酵木糖、发酵混合糖(葡萄糖和木糖)条件下的表达强度,拟为构建木糖利用菌株提供一系列备选的启动子库.结果表明,碳源种类对酿酒酵母启动子的强度有显著影响,绝大多数启动子强度受碳源影响显著,有67个启动子的强度在不同碳源条件下保持了相对稳定;启动子PTEFI和PTEF2、PADH1、PCCW12和某些核糖体蛋白基因启动子可在构建木糖利用菌株时作为组成型强启动子,另有中、弱强度的组成型启动子可用于基因表达优化;启动子PYNR071C、PPUT1、PDSF1等可作为利用木糖时的诱导型启动子,使基因在有需要的时候才进行表达.本研究在系统解析全基因组启动子强度和碳源种类的关系基础上,为构建利用不同碳源的酿酒酵母菌株提供了具有不同表达特征的候选启动子库.

在分析木质纤维素类生物质制备燃料乙醇原理基础上,重点对燃料乙醇转化过程的发酵工艺进行了论述.目前乙醇发酵工艺主要包括直接发酵、分步糖化发酵、同步糖化发酵、同步糖化共发酵和联合生物加工技术等,对这几种技术的研究现状进行了分析并对其发展趋势进行了展望,通过基因工程构建高效发酵菌种的联合生物加工技术将是未来高效发酵工艺的发展趋势,旨在为有效提高发酵菌株的底物代谢能力,获得高的乙醇产量提供重要参考.

木质纤维素是生产生物燃料乙醇的主要原料,其含量丰富、绿色环保以及可再生性,因此有效地利用木质纤维素有望解决能源短缺问题.表面活性剂能够有效地促进木质纤维素的酶解反应,通过探讨不同表面活性剂对酶解反应的影响及机理,为实际的酶解过程找到合适表面活性剂提供一定的理论指导.