近日,青岛能源所代谢物组学研究组开发了以农业废弃生物质为原料生产乳酸的新方法,通过基于高温厌氧全细胞催化的整合协作发酵,实现了木质纤维素基L-乳酸的生产。该成果于6月7日在线发表于环境科学SCI一区期刊Journal of Environment Management。
乳酸是一种重要的精细化工中间体,是可降解聚乳酸(Polylactic acid,PLA)生产的关键单体。我国经济的快速发展和“双碳”战略布局都对乳酸等大宗化学品的低成本生产方式提出创新要求。乳酸大规模生物合成的关键瓶颈之一是对葡萄糖、淀粉等粮食碳源的依赖。我国废弃农林生物质资源丰富,因此,木质纤维素的非粮碳源化同时具有减碳、环保和保障粮食安全的重要意义,而这依赖于木质纤维素到可发酵糖的高效转化。
研究团队面向我国建立自主、高效木质纤维素糖平台的迫切需求,前期提出了以产纤维小体高温梭菌为全细胞催化剂的整合生物糖化(CBS)全新技术思路,进而建立了高效非粮糖平台(Biotechnology Advances 2020. 40: 107535;Bioresource Technology 2021. 337: 125441;Biotechnology for Biofuels 2019. 12: 35)。CBS技术已被证明可以与下游微藻、酵母、细菌发酵相结合,并已被应用于木质纤维素基普鲁兰多糖的生产(Carbohydrate Polymers 2020. 241: 116400),证明了实现木质纤维素生物质高值转化的可行性。
在前期研究基础上,研究团队进一步筛选和分离了一株与CBS条件匹配的高温乳酸生产细菌Geobacillus stearothermophilus 2H-3,在以玉米秸秆、小麦秸秆或木糖渣为底物,通过CBS技术获得糖化液后,直接接种2H-3细胞即可实现乳酸的发酵生产,无需中间灭菌、补充营养物或调节发酵条件,进而成功实现了两个全细胞催化过程的一体化整合,实现了高光学纯度(99.5%)、高产量(51.36 g/L)和高收率(0.74 g/g生物量)的木质纤维素基乳酸生产。
基于CBS和2H-3高温发酵相结合的木质纤维素基乳酸一体化合成路线
该研究证明了以自主创新CBS为核心技术的木质纤维素非粮碳源化和高值化利用具有广阔的应用前景,为发展具有我国资源特色和核心技术的木质纤维素生物转化路线提供了可行方案。
代谢物组学研究组崔球研究员为论文通讯作者,刘亚君研究员,张跃冬高级工程师,硕士研究生迟方为共同第一作者。本研究得到了国家重点研发计划、中科院战略性先导专项、国家自然科学基金委、山东能源研究院、青岛市自主创新重大专项、微生物国家重点实验室开放基金的资助。(文/刘亚君 张跃冬 图/刘亚君)。
