通訊單位：瑞士伯爾尼應(yīng)用技術(shù)大學(xué)1．通過曝氣膜反應(yīng)器，將固體狀態(tài)的木頭轉(zhuǎn)化為丁酸等低碳脂肪酸（C2~C6）2．篩選并構(gòu)建了5種微生物組成的二級(jí)級(jí)聯(lián)反應(yīng)體系，在一個(gè)反應(yīng)器中將固體木頭中的木質(zhì)素轉(zhuǎn)化為可溶性的聚合態(tài)多糖，隨后進(jìn)一步分解為羧酸3．在膜反應(yīng)器中構(gòu)建隨空間含氧量梯度變化的環(huán)境，從而將好氧、厭氧微生物能夠協(xié)同進(jìn)行催化反應(yīng)。由多種微生物組成的微生物群（Microbial consortia），有較大希望用于復(fù)雜生物轉(zhuǎn)化過程，但是不同微生物的工作環(huán)境有所不同，瑞士伯爾尼應(yīng)用技術(shù)大學(xué)Michael H. Studer等開發(fā)了一種多種微生物協(xié)同工作體系（consortium-based strategy），將木質(zhì)纖維素（lignocellulose）轉(zhuǎn)化為乳酸鹽，然后進(jìn)一步分解為短鏈脂肪酸，并且該過程在同一個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行。構(gòu)建多種微生物協(xié)同工作的體系，將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為重要化工品。如何將不同環(huán)境的反應(yīng)組裝到一個(gè)反應(yīng)器中？學(xué)習(xí)并模擬自然界中的協(xié)同穩(wěn)定工作機(jī)制，通過一種生物膜反應(yīng)器，構(gòu)建含有非生物因子空間分辨梯度（O2濃度梯度變化）。通過合理的安排讓好氧、厭氧的微生物能夠在不同空間區(qū)域分布，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)具有5種微生物同時(shí)進(jìn)行工作。通過這種協(xié)同的生物處理過程，將木質(zhì)素轉(zhuǎn)化為短鏈脂肪酸SCFA（short-chain fatty acid）。其中，在每噸木材中獲得198 kg丁酸。該乳酸合成體系展示了模塊化處理的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)?fù)雜物種轉(zhuǎn)化為高價(jià)值的生物化學(xué)品。圖1. 生物曝氣膜反應(yīng)器Scheme示意圖
首先，把木頭中的固體狀態(tài)木質(zhì)素變成可溶性的木糖、纖維素：通過里氏木霉（Trichoderma reesei）分泌纖維素分解酶，將木質(zhì)素固體分解為可溶性糖類物種（木糖低聚物、纖維素等）。通過戊糖乳桿菌（Lactobacillus pentosus）進(jìn)一步得到乳酸混合物。作者通過對(duì)關(guān)鍵乳酸的分解反應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)在酪丁酸梭菌（Clostridium tyrobutyricum）、韋榮球菌屬（Veillonella criceti）、埃爾氏巨球菌（Megasphaera elsdenii）多種微生物組裝到乳酸鹽分解平臺(tái)中，有較好的效果。當(dāng)對(duì)17.5 g L-1纖維素、9.32 g L-1木酸進(jìn)行分解，在280 h中得到4.3 g L-1乙酸、1.2 g L-1丙酸、5 g L-1丁酸、1.3 g L-1己酸，每克可發(fā)酵的糖得到0.46±0.01 g短鏈脂肪酸。總之，該體系為設(shè)計(jì)空間范圍內(nèi)pH值、溫度、光等參數(shù)變化的復(fù)雜催化反應(yīng)體系提供了參考，為生物質(zhì)轉(zhuǎn)化提供了新的思路。Robert L. Shahab, Simone Brethauer, Matthew P. Davey, Alison G. Smith,Silvia Vignolini, Jeremy S. Luterbacher, Michael H. Studer*. A heterogeneous microbial consortium producing short-chain fatty acidsfrom lignocellulose, Science 2020, 369, eabb1214DOI: 10.1126/science.abb1214https://science.sciencemag.org/content/369/6507/eabb1214
