Деградация ароматических соединений, полученных из лигнина, с помощью Rhodococcus aetherivorans N1. Кредит: BioDesign Research (2024). DOI: 10.34133/bdr.0044
Поскольку глобальный толчок к устойчивому биотопливу усиливается, лигноцеллюлозная биомасса стала главным кандидатом на биотопливо и биохимикаты благодаря ее распространенности и возобновляемости. Эта биомасса, полученная из растительных материалов, имеет большие перспективы в качестве сырья для производства биотоплива. Однако процесс предварительной обработки, необходимый для расщепления лигноцеллюлозы, часто дает токсичные побочные продукты, такие как лигнин-производные фенольные соединения и фуранилальдегиды.
Эти побочные продукты могут серьезно подавлять микробную ферментацию, критически важный этап в производстве биотоплива, тем самым снижая общую эффективность. Эффективная детоксикация этих побочных продуктов имеет важное значение для оптимизации процесса преобразования и превращения лигноцеллюлозной биомассы в жизнеспособную альтернативу ископаемому топливу.
Чтобы решить проблему токсичности побочных продуктов, исследователи из Нанкинского технологического университета (Китай) провели исследование, сосредоточившись на потенциале двух штаммов микроорганизмов — штамма Rhodococcus aetherivorans N1 и его генетически модифицированного варианта, штамма N1-S.
Исследование было опубликовано в журнале BioDesign Research15 августа 2024 года и исследует способность этих штаммов детоксифицировать вредные соединения, присутствующие в производных лигноцеллюлозы, и их последующее влияние на производство янтарной кислоты, ценного прекурсора биотоплива. Оценивая их способность к детоксикации, исследование направлено на устранение текущих ограничений методов детоксикации и повышение эффективности производства биотоплива.
Исследование использовало многогранный подход, включающий лабораторные эксперименты для проверки способности штаммов N1 и N1-S к деградации. Штамм N1 анализируется на предмет его способности деградировать ряд токсичных соединений в контролируемых условиях. Метаболические пути, вовлеченные в эти процессы деградации, картируются, чтобы понять, как эти микроорганизмы обрабатывают различные побочные продукты.
Кроме того, оценивается штамм N1-S, генетически модифицированный штамм, специально предназначенный для усиления деградации сиреневого альдегида — сложного соединения, плохо перерабатываемого естественным штаммом N1. Оба штамма тестируются с использованием производных кукурузных початков, полученных путем предварительной обработки разбавленной кислотой, имитируя реальный сценарий обработки лигноцеллюлозной биомассы.
Профессор Вэньмин Чжан, старший автор этого исследования, говорит: «Результаты показали, что штамм N1 продемонстрировал сильные способности к деградации, эффективно разрушая несколько ключевых соединений, полученных из лигнина, а именно p-гидроксибензоат, p-кумарат, ферулат и фурфурол, в течение 24 часов. Он также частично разлагал ванилин, конифериловый спирт, сиреневый альдегид и 5-гидроксиметилфурфурол, при этом скорость деградации составляла от 59% до 84%». Несмотря на свою общую эффективность, штамм N1 имеет ограниченную способность к деградации синапата.
«Напротив, сконструированный штамм N1-S продемонстрировал значительно улучшенную способность к деградации сиреневого альдегида и его побочных продуктов, эффективно преодолевая ограничения, с которыми сталкивается встречающийся в природе штамм», — добавляет профессор Чжан, обсуждая далее. Это улучшение подчеркивает потенциал конструирования штамма для решения конкретных проблем детоксикации при переработке лигноцеллюлозной биомассы.
Эти результаты имеют решающее значение для смягчения ингибирования ферментов, вызванного накоплением сирингата, что является распространенной проблемой при переработке лигноцеллюлозной биомассы. Эффективность детоксикации штамма N1-S была дополнительно подчеркнута, когда он успешно снизил токсичные фенольные соединения и фуранилальдегиды на 50–80 % в производном кукурузного початка. Это детоксифицированное производное затем используется в качестве субстрата для производства янтарной кислоты E. coli suc260, что дает 35,3 г/л янтарной кислоты, что в 6,5 раза больше, чем выход, полученный из недетоксифицированного производного.
Впечатляющие возможности деградации штамма N1 и улучшенные характеристики штамма N1-S подчеркивают их практический потенциал в производстве биотоплива. Успех штамма N1-S в детоксикации производных лигноцеллюлозы и значительном повышении производства янтарной кислоты иллюстрирует его ценную роль в продвижении технологий биотоплива. Повышая эффективность детоксикации и увеличивая выход прекурсоров биотоплива, штамм N1-S представляет собой существенное достижение по сравнению с традиционными методами.
«Наше исследование подчеркивает потенциал масштабирования штамма N1-S для промышленного применения, предлагая более эффективный и экономичный подход к переработке биомассы. Расширенные возможности деградации штамма N1-S могут привести к значительным улучшениям в технологиях переработки биомассы, сделав их более жизнеспособными для крупномасштабного применения», — делится профессор Фэнсюэ Синь.
Эти результаты могут трансформировать технологии возобновляемой энергии, расширяя их применение в различных биотехнологических процессах и способствуя разработке устойчивых энергетических решений.
В заключение следует отметить, что данное исследование демонстрирует эффективность штамма R. aetherivorans N1 и его генетически модифицированного варианта N1-S в решении основных проблем переработки лигноцеллюлозной биомассы. Более того, штамм N1-S обладает способностью разлагать широкий спектр токсичных соединений и значительно усиливать выработку янтарной кислоты, что делает его ключевым инструментом для продвижения устойчивых технологий биотоплива.
Результаты этого исследования могут проложить путь для будущих исследований по оптимизации микробных штаммов для использования лигноцеллюлозы, что потенциально приведет к более эффективным и экономически выгодным методам производства биотоплива.
Дополнительная информация: Ванькуй Цзян и др., Биодетоксикация гидролизата лигноцеллюлозы для прямого использования в производстве янтарной кислоты, Исследование биодизайна (2024). DOI: 10.34133/bdr.0044
Предоставлено Нанкинским сельскохозяйственным университетом
