在全球?qū)で蠡剂咸娲返谋尘跋?,利用海藻等海洋生物質(zhì)生產(chǎn)生物乙醇和生物氫等可再生能源已成為重要方向。傳統(tǒng)上,生物乙醇和生物氫的生產(chǎn)過程是分開的,而利用產(chǎn)乙醇菌發(fā)酵褐藻協(xié)同生產(chǎn)氫氣和乙醇是一種極具潛力的新興技術(shù)。然而,該過程的效率受到細胞內(nèi)電子載體(如NADH)數(shù)量和電子供給能力的雙重限制,現(xiàn)有的基因工程或環(huán)境調(diào)控策略往往會增加菌株的代謝負擔或工業(yè)化成本,成為該技術(shù)走向應用的主要瓶頸。
本研究提出了一種“輔因子與氧化還原協(xié)同工程”新策略,通過外源添加煙酸(NA)和納米零價鐵(nZVI),成功突破了生物燃料生產(chǎn)中的瓶頸。研究發(fā)現(xiàn),煙酸作為合成輔因子NAD 的前體,能夠擴大細胞內(nèi)的總NAD池,增加電子載體的“容量”;而納米零價鐵作為外部電子供體,則能提供額外的電子“供給”。當兩者協(xié)同作用時,發(fā)酵褐藻水解液的生物能源轉(zhuǎn)化效率(BioECE)達到了33.57%,相較于對照組提升了84.65%。研究進一步揭示,該策略的效果具有底物依賴性,在電子產(chǎn)出較少的葡萄糖發(fā)酵中效果更為顯著,這闡明了協(xié)同策略的核心優(yōu)勢在于同時解決了“電子載體容量”和“電子供給”兩個不同層面的限制因素。這項研究首次證實了通過協(xié)同調(diào)控輔因子庫和氧化還原狀態(tài)來克服代謝瓶頸的可行性,為從海洋生物質(zhì)中高效回收生物能源提供了經(jīng)濟且有效的新途徑。
該研究成果以“Unlocking synergistic hydrogen-ethanol co-production from brown algae through nicotinic acid-mediated NAD pool expansion”為題發(fā)表于International Journal of Hydrogen Energy雜志。中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所李偉明研究員為第一作者兼通訊作者,卞夢陽、金燦、賈永鋒為共同作者,曾祥峰為共同通訊。該研究得到了國家自然科學基金(42477248,52200041,42377251)、中國科學院百人計劃、遼寧省優(yōu)青項目(2024JH3/10200025)等項目的資助。
圖1 煙酸(NA)與零價鐵對褐藻發(fā)酵的影響:(a)甘露醇消耗,(b)累計產(chǎn)氫量,(c)乙醇產(chǎn)量,以及(d)產(chǎn)物選擇性。
圖2 煙酸對煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)合成及氧化還原調(diào)節(jié)的影響。(a) E. harbinense中的NAD合成途徑。(b) 通過qPCR測定煙酸磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶(NAPRT)和煙酰胺單核苷酸腺苷酸轉(zhuǎn)移酶(NMNAT)的相對基因表達量。NaMN:煙酸單核苷酸;NMNAT:煙酸單核苷酸腺苷酸轉(zhuǎn)移酶;NaAD:煙酸腺嘌呤二核苷酸;NADS:NAD合成酶。(c) 48小時時的總NAD濃度。(d) 48小時時的NADH與NAD?的比值。(e) 8天發(fā)酵過程中的氧化還原電位曲線
版權(quán)聲明: 1.依據(jù)《服務條款》,本網(wǎng)頁發(fā)布的原創(chuàng)作品,版權(quán)歸發(fā)布者(即注冊用戶)所有;本網(wǎng)頁發(fā)布的轉(zhuǎn)載作品,由發(fā)布者按照互聯(lián)網(wǎng)精神進行分享,遵守相關法律法規(guī),無商業(yè)獲利行為,無版權(quán)糾紛。 2.本網(wǎng)頁是第三方信息存儲空間,阿酷公司是網(wǎng)絡服務提供者,服務對象為注冊用戶。該項服務免費,阿酷公司不向注冊用戶收取任何費用。 名稱:阿酷(北京)科技發(fā)展有限公司 聯(lián)系人:李女士,QQ468780427 網(wǎng)絡地址:www.arkoo.com 3.本網(wǎng)頁參與各方的所有行為,完全遵守《信息網(wǎng)絡傳播權(quán)保護條例》。如有侵權(quán)行為,請權(quán)利人通知阿酷公司,阿酷公司將根據(jù)本條例第二十二條規(guī)定刪除侵權(quán)作品。 |