碳一氣體生物利用進(jìn)展

胡禮珍，王 佳，袁 波，朱佛代，費(fèi) 強(qiáng)，傅容湛

(1.西安交通大學(xué) 化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710049;2.西北大學(xué) 化工學(xué)院，陜西 西安 710069)

碳一氣體生物利用進(jìn)展

胡禮珍1，王 佳1，袁 波1，朱佛代1，費(fèi) 強(qiáng)1，傅容湛2

(1.西安交通大學(xué) 化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710049;2.西北大學(xué) 化工學(xué)院，陜西 西安 710069)

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們對(duì)于資源需求的增長，化石燃料的使用越來越多，這一方面加劇了能源的過度消耗，另一方面導(dǎo)致了環(huán)境污染和溫室效應(yīng)加重。為了在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)有效地利用資源，越來越多的研究集中在通過細(xì)胞工廠平臺(tái)進(jìn)行能源和化學(xué)品的生物合成。利用特定的微生物(如嗜甲烷菌、微藻和梭菌等)可以將溫室氣體和合成氣中的碳一成分通過發(fā)酵過程轉(zhuǎn)化為能源和化學(xué)品。本文中，筆者詳細(xì)討論了不同微生物轉(zhuǎn)化3種碳一氣體(CH4、CO2和CO)的生物代謝途徑、關(guān)鍵合成酶、最終代謝產(chǎn)物和生物轉(zhuǎn)化過程的優(yōu)化及放大。

碳一氣體利用；生物固碳；細(xì)胞工廠；節(jié)能減排；生物轉(zhuǎn)化

隨著分子生物學(xué)技術(shù)和細(xì)胞工廠平臺(tái)的迅速發(fā)展，人們已廣泛開展了對(duì)大氣廢氣、工業(yè)尾氣和溫室氣體的生物開發(fā)和利用。煉鋼產(chǎn)業(yè)中的尾氣以及氣化作用獲得的合成氣中都含有大量的CO，而溫室氣體(greenhouse gases,GHGs)主要包括CO2和CH4。近年來，溫室氣體排放量的大幅增加導(dǎo)致了環(huán)境的改變，為人類和其他物種帶來了巨大的危害[1]。研究表明，人口和經(jīng)濟(jì)的增長加大了對(duì)能源的消耗，預(yù)計(jì)到21世紀(jì)中葉，消耗量將至少是目前的兩倍[2]。當(dāng)前，已有大量研究成果表明化石能源消耗、溫室氣體排放與全球環(huán)境變化之間的關(guān)系，相關(guān)結(jié)果同時(shí)指出環(huán)境變化對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)等各個(gè)方面造成的影響不容忽視[3]。除此之外，煤深加工、頁巖氣和天然氣開采、工業(yè)生產(chǎn)和生物質(zhì)氣化過程中產(chǎn)生的合成氣被排放或低效利用，也導(dǎo)致了環(huán)境的變化和資源的浪費(fèi)。

碳一氣體(CH4、CO2和CO)的生物利用(生物固碳)是一項(xiàng)極具潛力和競爭力的技術(shù)，主要體現(xiàn)在：一方面，利用碳一氣體的生物轉(zhuǎn)化技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一系列生物燃料和化學(xué)品生物合成，例如乙酸鹽、異丁醇、乙醇、乙酸、單細(xì)胞蛋白和類異戊二烯烴等[4-6]。目前，基因工程菌株的研究促進(jìn)了碳一氣體向生物燃料和化學(xué)品的轉(zhuǎn)化，降低了生產(chǎn)成本，部分產(chǎn)品已經(jīng)通過了商業(yè)化生產(chǎn)的開發(fā)階段(實(shí)驗(yàn)室階段)。Straub等[7]對(duì)乙酸發(fā)酵菌株Acetobacteriumwoodii進(jìn)行基因改造，使其在自養(yǎng)條件下選擇性地產(chǎn)生乙酸鹽，通過Wood-Ljungdahl 途徑提升了CO2固定效率，最終乙酸鹽的質(zhì)量濃度達(dá)到了50 g/L，該項(xiàng)目由瓦克化學(xué)股份有限公司(慕尼黑，德國)和聯(lián)邦教育與研究部(柏林，德國)共同贊助，隸屬于生物技術(shù)2021計(jì)劃(項(xiàng)目編號(hào)為0315192)；另一方面，碳一氣體的生物利用正處于發(fā)展期，從傳統(tǒng)的菌種選育到純培養(yǎng)和代謝調(diào)控、從基因工程技術(shù)的引入到氣體發(fā)酵平臺(tái)的搭建和優(yōu)化、從實(shí)驗(yàn)室小試初探到產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)等一系列重要的技術(shù)手段和方法仍需探索和改進(jìn)。

本文中，筆者將對(duì)微生物轉(zhuǎn)化碳一氣體生物合成生物燃料和化學(xué)品的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行介紹和分析,重點(diǎn)討論不同微生物轉(zhuǎn)化上述3種碳一氣體(CH4、CO2和CO)的生物代謝途徑、關(guān)鍵合成酶和生物轉(zhuǎn)化過程的優(yōu)化及其技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性。

1 碳一氣體的生物利用

1.1 CH4的生物轉(zhuǎn)化

CH4是全球碳循環(huán)中一個(gè)重要組成部分，是最具開發(fā)潛力的溫室氣體之一。研究表明，致使全球變暖的溫室氣體中，CH4的比例達(dá)到了20%[8]，而以20年期計(jì)算，CH4的全球變暖潛值是CO2的86倍。CH4的來源廣泛(圖1[9])，垃圾填埋廠厭氧降解、秸稈與糞便微生物發(fā)酵、采煤過程中都會(huì)產(chǎn)生CH4，而來源于天然氣和石油開采的CH4占據(jù)CH4總排放量的1/3[10]。近年來，隨著頁巖氣的發(fā)展，天然氣成本顯著降低。與其他高成本的碳源相比，利用天然氣(CH4)生物合成燃料和化學(xué)品成為較理想的選擇[11]。嗜甲烷菌(methanotrophic bacteria)則可以通過其特有的合成酶和生物代謝途徑利用CH4作為其生長的碳源和能源物質(zhì)，合成燃料和化學(xué)品[12-13]。

圖1 美國甲烷排放來源及比例Fig.1 Methane emissions in the United States

嗜甲烷菌廣泛存在于農(nóng)田[14]、森林[15]、垃圾填埋場[16]、沼澤、湖泊、地下水和海洋[17]中。依據(jù)甲醛同化途徑的不同，嗜甲烷菌可以分為Ⅰ型和Ⅱ型嗜甲烷菌[18]。Ⅰ型嗜甲烷菌采用核酮糖單磷酸途徑(ribulose monophosphate pathway,RuMP)同化甲醛(圖2[19])，Ⅱ型嗜甲烷菌則采用絲氨酸途徑同化甲醛(圖3[11])。

HPS—3-己酮糖-6-磷酸合酶；PHI—6-磷酸-3-己酮糖激酶圖2 嗜甲烷菌核酮糖單磷酸途徑(RuMP)Fig.2 Formaldehyde ribulose monophosphatepathway in bacteria

RuMP途徑主要包括3個(gè)階段：1)在3-己酮糖-6-磷酸合酶(3-hexulose-6-phosphate synthase,HPS)作用下，甲醛與5-磷酸核酮糖(ribulose 5-P,Ru5P)縮合產(chǎn)生6-磷酸己酮糖(hexulose 6-P,Hu6P)，6-磷酸-3-己酮糖激酶(6-phospho-3-hexuloisomerase,PHI)催化Hu6P異構(gòu)化產(chǎn)生6-磷酸果糖(fructose 6-P,F6P)[19]；2)F6P斷裂形成3-磷酸甘油醛(glyceraldehyde 3-P,GAP)和磷酸二羥丙酮(dihydroxyacetone phosphate,DHAP)，DHAP進(jìn)入細(xì)胞中心途徑合成細(xì)胞組分[19]；3)GAP和F6P在轉(zhuǎn)酮醇酶催化下反應(yīng)生成5-磷酸木酮糖(xylulose 5-P,Xu5P)和4-磷酸赤蘚糖(erythrose 4-P,E4P)，E4P在轉(zhuǎn)醛醇酶催化下和另一個(gè)F6P反應(yīng)生成7-磷酸景天庚酮糖(septulose 7-P,S7P)和GAP[19]。第三階段的產(chǎn)物S7P和GAP通過醛縮酶的催化作用生成Xu5P和5-磷酸核糖(ribose 5-P,Ri5P)，Xu5P和Ri5P分別在磷酸核酮糖3-差向異構(gòu)酶和5-磷酸核糖異構(gòu)酶的催化作用下再生成Ru5P[19]。由于RuMP途徑的所有反應(yīng)均是放能的，所以同化甲醛的效率比絲氨酸途徑或核酮糖二磷酸途徑高[20]。

虛線箭頭表示用于生物合成反應(yīng)代謝物可能的出口點(diǎn)，帶陰影英文縮寫為關(guān)鍵酶。MDH—甲醇脫氫酶；H4MPTP—亞甲基四氫；MtdA—亞甲基四氫甲蝶呤脫氫酶；FDH—甲酸脫氫酶；STHM—絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶；HPR—羥丙酮酸還原酶；MD—蘋果酸脫氫酶；MTK—蘋果酸硫激酶；MCL—蘋果酰輔酶A裂解酶圖3 絲氨酸途徑同化甲醛Fig.3 Serine pathway for formaldehyde assimilation

絲氨酸循環(huán)開始于亞甲基四氫葉酸的羥基化反應(yīng)及甘氨酸合成絲氨酸的反應(yīng)[21]，絲氨酸進(jìn)一步轉(zhuǎn)化生成2分子2-磷酸甘油酸，其中1分子被同化進(jìn)入細(xì)胞，1分子轉(zhuǎn)化生成磷酸烯醇丙酮酸，后者通過羧化作用產(chǎn)生草酰乙酸，接著生成蘋果酸和蘋果酰輔酶A，在蘋果酰輔酶A裂解酶的作用下，蘋果酰輔酶A生成乙醛酸和乙酰-輔酶A。乙酰-輔酶A通過乙丙基甲酰亞胺途徑的氧化作用完成了這一氧化過程[22]。

嗜甲烷菌中的特定酶——甲烷單加氧酶(methane monooxygenases,MMO)具有催化甲烷氧化生成甲醇的作用(圖4[23])。MMO具有2種不同的類型：存在于細(xì)胞質(zhì)中可溶性的單加氧化酶(soluble methane monooxygenases,sMMO)以及與膜結(jié)合顆粒狀的單加氧化酶(particulate methane m o n o o x y g e n a s e s,pMMO)[24]。目前，許多研究集中在甲烷單加氧化酶的結(jié)構(gòu)與功能上，探討其活性位點(diǎn)及代謝機(jī)制[25-27]。不同的單加氧化酶具有不同的最適反應(yīng)條件，包括溫度、pH和溶液中離子的種類等。Culpepper等[25]研究發(fā)現(xiàn)，如果銅離子的濃度較高，則pMMO的活性將會(huì)占主導(dǎo)地位，而sMMO只有在低銅離子濃度時(shí)才能高效表達(dá)。但需要注意的是，MMO催化甲烷氧化生成甲醇的過程具有O2依賴性。Hakemian等[26]研究發(fā)現(xiàn)：在O2受限的條件下，嗜甲烷菌生長不受影響，同時(shí)會(huì)促進(jìn)甲烷向其他產(chǎn)品和H2的轉(zhuǎn)化(圖5[26])。嗜甲烷菌具有獨(dú)特的代謝途徑和關(guān)鍵合成酶系可以利用CH4作為唯一碳源合成生物燃料及化學(xué)品，為實(shí)現(xiàn)高效碳一氣體工業(yè)生物轉(zhuǎn)化提供新策略。

H4F—四氫葉酸通路；H4MPT—四氫青opter素途徑；MeDH—甲醇脫氫酶；RuBisCO—核酮糖1,5-二磷酸羧化酶圖4 甲烷催化氧化過程概述Fig.4 Overview of methane oxidation

1.2 CO2的生物轉(zhuǎn)化

隨著人口和經(jīng)濟(jì)的快速增長，產(chǎn)生和排放到大氣中的CO2數(shù)量在不斷地上升[28]，其中絕大部分來源于化石燃料的燃燒。當(dāng)前，化石燃料燃燒釋放的CO2總量可以達(dá)到7×109t，而大氣中所含的CO2年均濃度推測值在2016年已超過400×10-6(每百萬400單位)[10]。若CO2的排放量按照當(dāng)前的速度繼續(xù)上升，到2050年其釋放量會(huì)是現(xiàn)在的2倍[10]。溫室效應(yīng)已導(dǎo)致全球溫度上升、冰川融化、生物棲息地毀滅和海平面上升，未來將直接對(duì)人類和其他生物的生存造成威脅。

藻類含有葉綠體和光合色素，可以通過光合作用固定CO2(圖6)。微藻具有較高的產(chǎn)油能力，因此在生產(chǎn)第三代生物燃料方面具有很大的應(yīng)用潛力[29]。微藻產(chǎn)油主要利用光合作用，代謝CO2作為碳源轉(zhuǎn)化為油脂，最后通過物理或化學(xué)方法將細(xì)胞內(nèi)的油脂提取并精煉加工成生物燃料[30]。微藻油脂中還富含多不飽和脂肪酸，是許多生物生長必需的營養(yǎng)物質(zhì)，比如二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面可以促進(jìn)魚、蝦和雙殼類動(dòng)物的生長發(fā)育[31]。

圖5 M. alcaliphilum 20Z的甲烷氧化過程Fig.5 Methane oxidation process in M. alcaliphilum 20Z

NADP+—輔酶Ⅱ；NADPH—還原輔酶Ⅱ；ADP—二磷酸腺苷；ATP—三磷酸腺苷；Pi—磷酸鹽圖6 光合作用各階段與葉綠體結(jié)構(gòu)聯(lián)系示意Fig.6 Photosynthesis and the structure of chloroplast

光合作用的光反應(yīng)階段(Hill reaction，希爾反應(yīng))，首先發(fā)生的是原初反應(yīng)，吸收和傳遞光能到由光合色素組成的光反應(yīng)中心。隨后光反應(yīng)中心的光系統(tǒng)I(PSI)和光系統(tǒng)II(PSII)區(qū)域進(jìn)行電子傳遞，進(jìn)而在與光合磷酸化偶聯(lián)的過程中產(chǎn)生能量，光反應(yīng)的終產(chǎn)物包括O2、NADPH和ATP等。在暗反應(yīng)階段(卡爾文循環(huán)，Calvin-Benson-Bassham,CBB)，固定CO2并利用光反應(yīng)階段的產(chǎn)物NADPH和ATP，通過草酰乙酸(C4)循環(huán)生成糖。

在CBB循環(huán)中，核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/o x y g e nase,RuBP羧化酶)是該反應(yīng)的關(guān)鍵酶，是催化反應(yīng)的起始。核酮糖-1,5-二磷酸易分解成2個(gè)3-磷酸甘油酸(PGA)，PGA接著形成甘油醛-3-磷酸(glyceraldehyde-3-phosphate,G3P)，G3P通過一系列的反應(yīng)實(shí)現(xiàn)核酮糖-1,5-二磷酸的再生。CO2與磷酸烯醇丙酮酸在磷酸烯醇丙酮酸羧化酶(phosphoenolpyruvate carboxylase,PEPC)作用下轉(zhuǎn)化成C4，后者在維管束鞘細(xì)胞中又可釋放出CO2，循環(huán)供給RuBP羧化酶利用。C4循環(huán)的目的是通過控制CO2儲(chǔ)存與釋放，保證光合作用效率最大。

1.3 合成氣的生物轉(zhuǎn)化

除煉鋼廠產(chǎn)生的尾氣外，秸稈等生物質(zhì)的氣化過程也可以產(chǎn)生大量以CO為主要成分的合成氣[32]。合成氣中的CO通常占30%～60%，而隨著氣化條件的不同，也會(huì)伴隨著CO2和CH4等碳一氣體的生成。部分微生物如梭狀芽孢桿菌則可以利用合成氣中的碳一氣體作為碳源合成乙醇和高級(jí)醇等化學(xué)品[33]。微生物代謝合成氣生物合成乙醇為厭氧氣體發(fā)酵過程，與化學(xué)方法相比,生物轉(zhuǎn)化合成氣生產(chǎn)乙醇發(fā)酵具有節(jié)能、節(jié)耗、產(chǎn)物純度高和生產(chǎn)安全性好等特點(diǎn)[34-35]。此外，生物轉(zhuǎn)化合成氣生產(chǎn)乙醇與原先尾氣燃燒發(fā)電相比，效益明顯提高。而生物乙醇作為一種清潔能源，在歐美等國家被廣泛用作汽車燃料。但我國出于糧食安全原因，已停止玉米提煉生物乙醇的新項(xiàng)目。因此，合成氣合成乙醇，不僅節(jié)約了糧食資源，同時(shí)也降低了生產(chǎn)成本。

嗜溫性微生物比如梭菌屬(芽孢桿菌科的一種)可以將合成氣發(fā)酵生成生物燃料和化學(xué)品，該類型微生物的最適生長溫度在37 ℃左右，pH偏中性。除此之外，一些嗜熱性微生物比如Moorellathemoacetica,可以將CO轉(zhuǎn)化成乙酸，該類型微生物生長溫度在55～80 ℃。

梭狀芽孢桿菌(Clostridiumljungdahlii)可以通過Wood-Ljungdahl 途徑(亦稱乙酰-輔酶A途徑)生物轉(zhuǎn)化合成氣生成乙醇、乙酸、丁醇和丁酸[36]。如圖7[36-37]所示，CO2在甲酸脫氫酶(FDH)作用下形成甲酸,甲酸在甲酰四氫葉酸合成酶(CDDP)的作用下形成甲酰四氫葉酸。后者在甲?；臍淙~酸環(huán)化水解酶(FDF)的作用下,形成亞甲基四氫葉酸,接著在亞甲基四氫葉酸脫氫酶(DHC)和亞甲基四氫葉酸還原酶(MTHFR)的作用下形成甲基四氫葉酸。甲基基團(tuán)在甲基轉(zhuǎn)移酶(SHMT)的作用下，被轉(zhuǎn)移到1個(gè)含有類咕啉協(xié)同因子、鐵硫簇和類咕啉鐵硫蛋白的蛋白上。甲基類咕啉鐵硫蛋白和CO在一氧化碳脫氫酶(CODH)或乙酰輔酶A脫羧酶(ACC)作用下生成乙酰輔酶A。后者在磷酸乙酰轉(zhuǎn)移酶(PTA)和乙酸激酶(ACK)的作用下形成乙酸,NADH將乙酸還原成乙醛,乙醛還原成乙醇。

圖7 Wood-Ljungdahl 代謝途徑Fig.7 Wood-Ljungdahl synthetic pathway

2 科研進(jìn)展、工業(yè)化程度及相關(guān)難點(diǎn)

2.1 微生物的改造

利用微生物(如微藻、梭菌和嗜甲烷菌)合成生物燃料和化學(xué)品已成為解決能源和環(huán)境問題的方法之一。目前，許多研究人員通過分子生物學(xué)和基因工程技術(shù)改造微生物，實(shí)現(xiàn)碳一氣體向生物能源和化學(xué)品的高效轉(zhuǎn)化[38]。

基因工程方法主要包括密碼子優(yōu)化、啟動(dòng)子選擇和載體構(gòu)建等，目的是提高相關(guān)合成酶的表達(dá)量及活性，充分提升酶在微生物發(fā)酵過程中的催化效率。Henard等[39]在嗜甲烷菌中合成磷酸轉(zhuǎn)酮酶基因，使磷酸轉(zhuǎn)酮酶在嗜甲烷菌中過表達(dá)，間接提高了生物合成途徑的關(guān)鍵中間體乙酰輔酶A的生成量，為CH4轉(zhuǎn)化生成生物能源和化學(xué)品提供了一種經(jīng)濟(jì)可行的途徑[39]。微藻生物技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了轉(zhuǎn)基因微藻工業(yè)的應(yīng)用，許多公司已通過微藻細(xì)胞工廠平臺(tái)生產(chǎn)出一些有價(jià)值的代謝物，如脂肪酸和藥物蛋白[40]。

2.2 工藝優(yōu)化

發(fā)酵過程需要綜合考慮眾多因素的影響：底物發(fā)酵效率的影響、氣液生物質(zhì)的轉(zhuǎn)移對(duì)發(fā)酵速率的影響以及溫度、pH和溶氧對(duì)發(fā)酵過程的影響。培養(yǎng)條件的選擇是優(yōu)化生物轉(zhuǎn)化平臺(tái)的有效方法之一，有利于微生物的生長和最終產(chǎn)物的合成[41]。培養(yǎng)條件主要涉及pH、溫度和培養(yǎng)時(shí)間等多個(gè)方面。不同微生物生長的最適pH不同，M.buryatense5G能夠在pH在6.8～10.5范圍內(nèi)生長，最適pH為9.5；M.alcaliphilum20Z 生長的最適pH為9.0～9.5[11]。pH也是調(diào)節(jié)底物代謝、改變生理參數(shù)和膜電位的重要參數(shù)之一[42]。相關(guān)研究表明，C.carboxidivorans通過Wood-Ljungdahl途徑將合成氣轉(zhuǎn)化生成乙醇和高級(jí)醇，發(fā)酵過程中，pH 在4.75～6.00時(shí)可以促進(jìn)酸的積累和增長，同時(shí)提高醇的生產(chǎn)率[32]；微生物培養(yǎng)溫度也是一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)，溫度會(huì)影響菌體生長的速度、碳一氣體利用效率和產(chǎn)物的積累。 除此之外，微生物生長過程中代謝產(chǎn)物可能會(huì)影響最終產(chǎn)物的積累，因此消除代謝產(chǎn)物的副效應(yīng)也是優(yōu)化生物轉(zhuǎn)化過程的一種重要方法。過高的溶解氧抑制微藻的生長，Bilanovic等[43]將硝化細(xì)菌與微藻共培養(yǎng)，消除了O2的抑制作用，使得最終油脂的生產(chǎn)量提高了23%。

氣體生物反應(yīng)器的優(yōu)化可以促進(jìn)碳一氣體高效轉(zhuǎn)化為生物燃料和化學(xué)品，提高最終產(chǎn)物濃度。反應(yīng)器的設(shè)計(jì)通常遵循兩大基本準(zhǔn)則：第一，實(shí)現(xiàn)單位發(fā)酵體積的高密度發(fā)酵；第二，保證較高細(xì)胞密度的前提下提高傳質(zhì)效率。為了最大限度提高氣體的利用和轉(zhuǎn)化效率，作為碳源的氣體分子必須轉(zhuǎn)移到氣-液界面，然后通過細(xì)胞膜擴(kuò)散至細(xì)胞內(nèi)，從而進(jìn)行代謝反應(yīng)。而氣液傳質(zhì)效率低是碳一氣體高效利用和轉(zhuǎn)化的主要挑戰(zhàn)之一[11]。在利用合成氣發(fā)酵過程中，氣液傳質(zhì)速率是影響發(fā)酵效率的一個(gè)關(guān)鍵因素，Lee等[44]利用中空纖維素膜從每單位發(fā)酵體積所用膜面積(A/V)、水流速率(VL)和氣體傳輸速率(Vg)3個(gè)方面優(yōu)化了傳質(zhì)速率，CO最大的傳質(zhì)系數(shù)為385 L/h，最終以較低的氣體供應(yīng)率實(shí)現(xiàn)較高的傳質(zhì)系數(shù)。

2.3 經(jīng)濟(jì)分析

第一代生物煉制過程中，微生物所需碳源大多來自于可食用的農(nóng)作物，而農(nóng)作物作為碳源導(dǎo)致了食物價(jià)格的上升，最終形成食物和燃料之間的競爭關(guān)系。目前，可用的替代碳源原料包括木質(zhì)纖維素或以廢氣為主的原料，它們作為碳源并不會(huì)產(chǎn)生食物燃料之間的競爭困境[32,45]。微生物發(fā)酵過程中，碳源的成本約占總成本的60%以上，因此，利用低成本的碳源(碳一氣體)并提高其利用率，最終完成能源與化學(xué)品高效合成，對(duì)實(shí)現(xiàn)生物過程產(chǎn)業(yè)化有著至關(guān)重要的作用[32]。當(dāng)前，利用碳一氣體生物合成生物燃料和化學(xué)品的研究較多，如表1[4]所示，許多天然和重組工程產(chǎn)品都已在不同碳一利用微生物體內(nèi)通過的厭氧和好氧發(fā)酵平臺(tái)實(shí)現(xiàn)生物合成。

碳一氣體為微生物發(fā)酵過程提供了廉價(jià)而豐富的碳源，降低了工業(yè)生產(chǎn)的成本。除此之外，還可以通過優(yōu)化培養(yǎng)方案、反應(yīng)器設(shè)計(jì)和提高轉(zhuǎn)化效率等方面降低工業(yè)生產(chǎn)的總成本[44,69]。Cui等[69]采用曲面響應(yīng)法(RSM)對(duì)影響油脂合成的溫度、pH和甘油濃度這3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了研究，考察這些關(guān)鍵參數(shù)之間的相互效應(yīng)，優(yōu)化了Cryptococcuscurvatus合成油脂的培養(yǎng)條件，使最終油脂含量達(dá)到了38.53%。

3 結(jié)論與展望

本文主要通過介紹碳一氣體的生物利用進(jìn)展以及利用微生物(嗜甲烷菌、微藻和梭菌等)固定碳一氣體合成能源和化學(xué)品的前沿技術(shù)，著重討論了不同微生物的典型代謝途徑、關(guān)鍵合成酶、最終理想產(chǎn)物和生產(chǎn)工藝的優(yōu)化與放大，最后展望了碳一生物利用的經(jīng)濟(jì)性和發(fā)展方向。21世紀(jì)，隨著工業(yè)生物制造業(yè)的崛起，開發(fā)新穎的生物轉(zhuǎn)化平臺(tái)和降低生產(chǎn)成本已成為其是否能持續(xù)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急[70]。微生物固定碳一氣體合成生物燃料和化學(xué)品還會(huì)面臨如原料的收集、微生物的改造、代謝路徑的選擇、發(fā)酵條件的優(yōu)化等多個(gè)技術(shù)方面的挑戰(zhàn)。從生物工程的角度來看，新型合成酶的發(fā)現(xiàn)與設(shè)計(jì)、微生物代謝途徑的優(yōu)化和碳一生物轉(zhuǎn)化平臺(tái)改良，將會(huì)促進(jìn)碳一氣體合成生物燃料和化學(xué)品相關(guān)研究的進(jìn)一步發(fā)展。

表1 碳一氣體生產(chǎn)生物燃料和化合物

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(責(zé)任編輯 荀志金)

ProductionofbiofuelsandchemicalsfromC1gasesbymicroorganisms:statusandprospects

HU Lizhen1,WANG Jia1,YUAN Bo1,ZHU Fodai1,FEI Qiang1,FU Rongzhan2

(1.School of Chemical Engineering and Technology,Xi'an Jiaotong University,Xi′an 710049,China;2.School of Chemical Engineering,Northwest University,Xi′an 710069,China)

With the rapid economic development and the growth in demand for resources,the combustion of fossil fuels has resulted in an increase in greenhouse gases (GHGs),that are closely associated with environmental pollution and global warming.Greenhouse gases (CH4and CO2) and syngas (CO) can be used effectively for the production of biofuels and chemicals by microorganisms.In this review,we discuss various microorganisms including methanotroph,microalgae,and clostridium capable of converting C1 gaseous substrates (CH4,CO2and CO) into biofuels and chemicals.We also outline multiple biological and metabolic pathways as well as the optimization of bioconversion processes.A preliminary economic analysis presents a great potential of bioconversion of C1 gaseous substrates into biofuels and chemicals in terms of production cost and greenhouse gas emission reduction.

C1 gases utilization;carbon biofixation;cell factory;greenhouse gases emission reduction;bioconversion

10.3969/j.issn.1672-3678.2017.06.003

2017-09-03

陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017GY-146)

胡禮珍(1989—)，女，江蘇宿遷人，博士研究生，研究方向：生物固碳；費(fèi) 強(qiáng)(聯(lián)系人)，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail:feiqiang@xjtu.edu.cn

Q819； X701

A

1672-3678(2017)06-0017-09