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木质生物填料/滤料


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生物转化木质纤维素制备细菌纳米纤维素:挑战和前景

日期:2022-08-31 06:19:50 来源:爱游戏注册平台 作者:爱游戏全站app下载

  纳米纤维素具有独特的三维纳米网状网络结构,使其具有优异的机械性能、高保水能力和出色的悬浮稳定性。它还具有生物相容性和生物降解性等特点。由于这些优势,纳米纤维素在学术和工业领域都得到了极大的关注。然而,传统采用化学法从木质纤维素中直接提取纳米纤维素的方法需要利用大量的有毒化学试剂,并且产生的废水会对环境造成影响。

  本文首先阐述了生物法转化木质纤维素制备BNC的过程和挑战,主要包括预处理、酶解、葡萄糖和木糖发酵以及葡萄糖酸积累和抑制剂耐受等;进一步,对提高BNC生产菌株的代谢工程改造和进化工程等进展进行了总结和展望。

  木质纤维素结构复杂、性质稳定、很难被酶或微生物直接利用。虽然大量研究表明有效的预处理可以提高木质纤维素的酶解转化率,实现以木质纤维素为底物制备BNC。然而,由于化学试剂的使用、较高的操作温度和压力、设备的腐蚀及抑制物的产生,预处理技术在商业化应用上仍然具有一定挑战性。

  由于预处理过程中需要采取高温高压的条件,因此会产生大量脂肪酸、呋喃醛和酚类等抑制剂。微生物对抑制剂的耐受性是困扰木质纤维素产业化利用的另一个重要问题。这些抑制剂对BNC生产菌株的生长和发酵性能产生负面影响,导致BNC产量和产率下降。

  己糖和戊糖的共同利用对木质纤维素的生物转化效率有很大的影响,因此被认为是重要瓶颈之一。然而,广泛应用的BNC生产菌缺乏有效的木糖代谢途径。因此,构建高效稳定的BNC生产菌具有极其重要的价值。

  代谢工程技术已成功用于改善工业菌株的生产和适应能力。通过代谢工程技术对微生物的代谢途径进行修饰、改造,可以改变微生物特性或赋予微生物新的能力。针对木糖利用的问题,目前已知的微生物代谢木糖的途径主要包括Dahms或Weimberg途径、木酮糖1磷酸或核酮糖1磷酸途径、木糖还原酶-木糖醇脱氢酶(XR-XDH)或木糖异构酶(XI)途径,其中,XR-XDH或XI途径的应用和研究最为广泛。将相关基因导入BNC生产菌株中有利于提升木糖的利用水平,从而提升木质纤维素底物的转化效率。

  代谢途径构建后,可以获得初步的细胞工厂。然而,这些外源基因的表达可能不足或导致细胞的代谢途径发生不可预测的变化。在工业应用中,有必要进一步优化和平衡细胞的生长和生产性能。适应性驯化工程已被广泛应用,并被证明是提高基因工程菌株发酵性能和鲁棒性的有效方法。

  传统上,微生物合成化学品以纯培养为主。然而,纯培养有可能会造成微生物沉重的代谢负担、细胞微环境无法满足所有酶的功能性表达以及不同途径模块之间相互干扰等问题。通过多菌共培养策略,可以实现不同微生物之间劳动分工以及代谢分区的目的。共培养策略在工业生化和酶生产中得到了广泛的研究和应用。研究表明,将BNC生产菌株与其他菌株共培养,可以有效提高BNC的产量或机械性能。因此,在生物转化木质纤维素生产BNC过程中,共培养策略有希望为增强木质纤维素底物的转化能力和抑制剂的耐受能力提供帮助。

  生物转化制备纳米纤维素条件温和、环境友好且转化率高于化学提取法。此外,通过自下而上制备的BNC具有更强的可定制性和更广泛的应用潜力,如在工程活体材料领域。研究表明有效的预处理能提高木质纤维素的酶解转化率,实现以木质纤维素为底物生产BNC。代谢工程已成功应用于消除BNC生产过程中副产物葡萄糖酸的产生,提高葡萄糖对BNC的转化效率。代谢工程和适应性驯化工程在木质纤维素生物炼制中的广泛和成功应用,在提高BNC生产菌株对抑制剂的耐受性和木糖发酵性能方面显示出巨大的潜力。另一方面,深入的测序、功能注释、定量蛋白质组学和转录组学分析等基础研究将有助于确定关键靶基因,为BNC生产菌株的理性、可行设计构建奠定基础。

  钟成,工学博士,博士后,教授。毕业于天津大学,先后在德国莱比锡大学(Universität Leipzig)、美国密歇根州立大学(Michigan State University)做访问学者,2015年晋升为教授。2014年入选首批天津市创新人才推进计划优秀青年科技人才,2019年入选天津市优秀教师。兼任中国生化与分子生物学会工业生化与分子生物学分会理事,中国造纸学会纳米纤维素与材料专业委员会委员,中国化工学会生物化工青年专业委员会常务委员,中国微生物学会会员。主要研究领域:合成生物学与生物反应工程、纤维素的生物合成代谢与降解机理、纤维素材料及其改性和固体废弃物资源综合利用。以第一/通讯作者在Biotechnology Advance、Chemical Engineering journal、ACS Applied Materials & Interfaces、 Carbohydrate Polymers等杂志发表论文79篇,申请专利65项,授权19项,主持国家自然科学基金、天津市自然科学基因等29项。

  Green Chemical Engineering(GreenChE)于2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”,2020年9月正式创刊,目前已被DOAJ、Scopus和CSCD数据库收录。GreenChE以绿色化工为学科基础,聚焦绿色,立足工程 ,注重绿色化学、绿色化工及其交叉领域的前沿问题,紧紧围绕低碳化、清洁化和节能化的发展要求。目前是对读者和作者双向免费的开源期刊。

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