南工大设计人工混菌体系将农业废弃物转化为高附加值化学品

　　我国每年产生十几亿吨的玉米芯、秸秆等农业废弃物，由于其结构复杂，难以实现有效降解和利用。如何将这些废弃物变废为宝，是目前探索的难题之一。近日，南京工业大学姜岷教授团队等人通过设计不同功能互补的人工双菌共培养体系，可以将玉米芯、秸秆等低劣生物质转化为燃料丁醇、琥珀酸等生物燃料和有用化学品。

通过CBP从木质纤维素生产有用化学品的人工混菌体系构建示意图

　　“目前国际上多数研究是将木质纤维素(比如玉米芯、秸秆等)进行预处理(加酸或加碱等)后再进行生物转化，成本较高;或者是通过基因工程改造单个菌株实现木质纤维素降解和有用化学品合成，这就导致菌株的代谢负荷过重、木质纤维素降解转化效率低等问题。”论文第一作者、南京工业大学生物与制药工程学院博士生陆家声介绍。而姜岷团队通过设计和构建人工双菌共培养体系，实现两个菌株相互协作，其中一个菌株负责将木质纤维素水解成单糖【木质纤维素(玉米芯)通常是以聚合糖的形式存在的，而大多数菌只能利用单糖，因此要将聚合糖水解成单糖(还原糖)】，另一个菌株负责将单糖转化为琥珀酸，从而实现了从木质纤维素直接得到较高产量的琥珀酸。日前，该成果发表在SCI期刊《ACS可持续化学与工程》(ACS Sustainable Chemistry & Engineering)上。

　　“对这一双菌共培养体系发酵过程作进一步优化，就可以实现直接利用木聚糖合成32.50 g/L琥珀酸，收率达0.39 g/g;此外，这一双菌体系可以直接降解80 g/L未处理的玉米芯合成12.51 g/L的琥珀酸。”姜岷教授表示，这一研究成果可以将难以降解的玉米芯转化为琥珀酸，而琥珀酸可广泛用于合成生物可降解塑料，同时也可用作食品添加剂、防腐剂、解毒剂和用于合成镇静剂、止血药、抗生素等，用途非常广泛。

　　根据同样的设计原理，姜岷教授团队通过从自然界天然降解木质纤维素的菌群中筛选、鉴定了两种核心功能菌株，并构建一个功能互补的人工双菌体系，成功实现了直接利用木质纤维素合成燃料丁醇。“对这一双菌体系发酵过程进一步优化，最终，该双菌体系可直接利用木聚糖【半纤维素的重要组成部分。半纤维素是木质纤维素的成分之一】合成13.28 g/L丁醇，并可直接利用未经任何化学或生物处理的玉米芯合成7.61 g/L丁醇，收率达0.12 g/g。”这一研究近日发表在《生物技术与生物工程》(Biotechnology and Bioengineering)上，论文共同通讯作者、南京工业大学生物与制药工程学院信丰学教授介绍。

　　姜岷教授团队的研究成果可为直接利用木质纤维素等低劣生物质合成有用化学品提供理论指导，比如农村中难以降解的秸秆、餐厨垃圾、废弃塑料等，通过混菌体系(多细胞体系)的合理设计和构建，可实现将其转化为有用化学品。