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從青島能源所獲悉，該所代謝物組學(xué)團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于熱纖梭菌等纖維素降解菌的遺傳改造及代謝工程研究，通過對(duì)熱纖梭菌及其纖維素降解酶系——纖維小體的定向改造，構(gòu)建了新型的工程菌株，可以作為全菌催化劑實(shí)現(xiàn)農(nóng)林廢棄物中木質(zhì)纖維素底物到可發(fā)酵糖的高效轉(zhuǎn)化，促進(jìn)了木質(zhì)纖維素生物轉(zhuǎn)化的工業(yè)化進(jìn)程。

植物通過光合作用積累了大量的纖維素，而木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的工業(yè)化、規(guī)模化和商業(yè)化應(yīng)用仍未真正展開，其主要原因在于尚未突破木質(zhì)纖維素高效、低成本轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵糖的這一瓶頸步驟。

具體來說，纖維素鏈之間通過氫鍵網(wǎng)形成的結(jié)晶體是纖維素降解的第一道關(guān)卡。另外，在植物細(xì)胞壁中，纖維素被包埋在由果膠、木質(zhì)素、半纖維素等組成的基質(zhì)中，阻隔了纖維素酶與纖維素鏈的直接接觸，是纖維素降解的第二道關(guān)卡。

神奇細(xì)菌熱纖梭菌

熱纖梭菌的胞外的纖維小體能高效降解纖維素，在生物能源領(lǐng)域具有重要價(jià)值。熱纖梭菌產(chǎn)生的纖維素酶可使得纖維素鏈發(fā)生斷裂，產(chǎn)生少量的纖維二糖和纖維糊精。研究發(fā)現(xiàn)熱纖梭菌能以細(xì)胞表面的碳水化合物結(jié)合模塊(CBM)作為信號(hào)接收器,感應(yīng)到環(huán)境中的纖維二糖后，經(jīng)過一系列信號(hào)傳導(dǎo)，就會(huì)啟動(dòng)纖維小體的合成。一個(gè)纖維小體上載著不同種類的纖維素水解酶，大致分為兩類：一類是內(nèi)切酶，負(fù)責(zé)從纖維素鏈內(nèi)部進(jìn)行切割；另一類是外切酶，負(fù)責(zé)從纖維素鏈末端進(jìn)行切割。而且，根據(jù)底物纖維素的狀態(tài)，熱纖梭菌可以調(diào)整纖維小體上各種水解酶的比例和空間分布，把酶與酶之間的協(xié)同效應(yīng)發(fā)揮到極致，不斷分解纖維素。

纖維素變乙醇汽油

熱纖梭菌利用纖維小體切割纖維素鏈，最終產(chǎn)物為葡萄糖分子，后經(jīng)過一系列的代謝途徑，葡萄糖轉(zhuǎn)化為乙醇。生物乙醇制備完成后，再與汽油按照1:9的比例混合，制成最終產(chǎn)品“乙醇汽油”。這一產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)：一是由于勾兌量較少，目前汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)無需改造就可直接使用；二是乙醇的辛烷值較高，可以取代原先汽油中污染環(huán)境的含鉛添加劑，并且改善汽油防爆性能；三是能有效消除火花塞、氣門等部位積碳，避免因積碳過多而引起發(fā)動(dòng)機(jī)故障，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命。

非糧木質(zhì)纖維素的高效利用是亟待解決的全球性問題，對(duì)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。