利用木质纤维素类生物质发酵生产乙醇重组菌株研究进展

15 ( 4 ): 579~584应用与环境生物学报 2009，

Chin J Appl Environ Biol=ISSN 1006-687X

2009-08-25

DOI: 10.3724/SP.J.1145.2009.00579

利用木质纤维素类生物质发酵生产

*

乙醇重组菌株研究进展

何明雄1, 2 祝其丽1, 2 潘 科1, 2 胡启春1, 2**

(1农业部沼气科学研究所生物质能技术研究中心 成都 610041)(2农业部能源微生物与利用重点开放实验室 成都 610041)

摘 要 要实现木质纤维素类生物质的有效利用，当前还面临很多瓶颈问题亟待解决，而缺乏能够同时高效利用纤维素类水解物的发酵菌株是制约纤维素乙醇生产的最关键因素. 目前对发酵菌种的研究主要集中在酿酒酵母、运动发酵单胞菌、大肠杆菌和克雷白氏杆菌这4种菌上，已取得大量研究进展，为纤维素乙醇的产业化奠定了一定的基础. 本文综述了这4种菌发酵纤维素水解物的基因工程改造研究进展，并对组学时代进一步优化发酵菌株进行了展望. 图2 表2 参51

关键词 木质纤维素；生物质；燃料乙醇；酿酒酵母；运动发酵单胞菌；大肠杆菌；克雷白氏杆菌CLC Q936 : TK6

Progress in Ethanol Production with Lignocellulosic Biomass

by Different Recombinant Strains*

(1Research Centre of Biomass Energy Technology, Biogas Institute of Ministry of Agriculture, Chengdu 610041, China)

(2Key Laboratory of Energy Microbiology and Application, Ministry of Agriculture, Chengdu 610041, China)

HE Mingxiong1, 2, ZHU Qili1, 2, PAN Ke1, 2 & HU Qichun1, 2**

Abstract Ethanol fermentation with lignocellulosic biomass involves significantly great challenges, owing to lack of industrially suitable microorganisms for converting cellulose hydrolysates into fuel ethanol, which has traditionally been considered as a major technical roadblock to the development of bioethanol industry. Currently, different recombinant strains have been engineered to produce ethanol from lignocellulosic biomass. The greatest successes have been made in the engineering of Saccharomyces cerevisiae and some other bacteria, including Escherichia coli, Klebsiella oxytoca, and Zymomonas mobilis, which provide a basis for constructing industrially suitable engineered strains for cellulose ethanol industrialization. This review summarizes recent progress in this filed, and also prospect it in the Omic era. Fig 2, Tab 2, Ref 51Keywords lignocellulose; biomass; bioethanol; Saccharomyces cerevisiae; Zymomonas mobilis; Escherichia coli; Klebsiella

oxytoca

CLC Q936 : TK6

以木质纤维素为原料的第二代生物质燃料开发既是全球研发的热点也是难点. 欧盟国家和美国的中长期生物质能源发展路线图中均将木质纤维素生产燃料乙醇作为2010年后生物质燃料产业化的主要目标，但是目前整体水平尚处于中试阶段. 我国的纤维素类生物质原料非常丰富，将其转化成燃料乙醇有着很大的潜力，但当前要想实现工业化生产，还面临着很多瓶颈问题亟待解决，主要体现在：1) 对于原料的生物质能转化特性和转化机制尚缺乏充分的基础研究；2) 还没有形成高效的组分分离技术(预处理技术)；3) 生物炼制技术尚处于起步阶段，还需要大量基础性实验和理论研究. 4) 缺乏能够同时高效利用纤维素类水解物(主要为葡萄糖和木糖混合物)的发酵菌株，这是制约纤维素乙醇生产的关键因

收稿日期: 2008-12-12 接受日期: 2009-03-02

*中国农业科学院科技经费项目(2009)资助 Supported by the Sci & Tech Project of the Chinese Academy of Agricultural Sciences (2009) **通讯作者 Corresponding author (E-mail: Qichun204@163.com)

素[1]. 李科等对木质纤维素生物质制取乙醇的预处理、酶解和发酵等三大关键制约因素进行了较为全面的综述，为木质纤维素生产乙醇提供了新的研究思路[2]，在此不再赘述. 孙宪昀等就国内外对青霉菌木质纤维素降解酶系研究的最新动态，包括菌株的选育、纤维素酶系的特性与合成调控，以及基因分析与克隆等方面对木质纤维素的生物降解进行了综述[3]. 本文主要针对高效利用纤维素水解物的重组发酵菌株这一关键因素进行探讨.

目前对于利用木质纤维素生产乙醇的菌种研究主要集中于酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)、运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)和大肠杆菌(Escherichia coli)等. 在乙醇工业中通常使用酿酒酵母来发酵生产乙醇，但酿酒酵母不能发酵大量存在于纤维素水解物中的五碳糖；革兰氏阴性细菌运动发酵单胞菌由于其本身所具有的优点也被作为一种候选的燃料乙醇生产菌株，但也不能直接发酵五碳糖. 所以研究者一直致力于通过基因工程的手段来解决发酵菌株对