基于聚合物微纳介孔基质的类生物膜体系构建及其生物转化性能研究

Fabricating a biotransformative and recyclable biofilm analogue system through the attachment and growth of microbe on carriers is a promising method to achieve the green synthesis of chemicals in industry. However, the application of this system is limited because the growth of microbe is uncontrollable, and the influence of carriers’ physicochemical properties on microbe adhesion and biotransformation processes is still unknown. This project aims at building a controllable, efficient and stable biofilm analogue system with polymeric micro/nano-sized mesoporous matrix via the combination of experimental research and kinetic simulations. Firstly, a self-assembly monolayer surface is constructed to systematically simulate its interactions with the model microbe A. succinogenes to shed light on the compatibility between the surface and microbe. Then a 3D polymeric micro/nano-fiber matrix through the combination of polymer blending and microstructure regulation is constructed. The fiber morphology and surface properties are regulated, and the colonization of microbe on the fiber membrane surface as well as the secretion process of the extracellular polymeric substance is studied. Also, the relationship between the biofilm growth stage and its mass transport, biotransformation ability, and stability should be figured out. This research helps to elucidate the mechanism and method of constructing a biomimic system which can achieve efficient biotransformation.

通过将微生物在载体上附着、生长来构建兼具物质转化和可回收性能的类生物膜体系以实现化学品的绿色合成是一种极具潜力的工业化生产手段。然而微生物生长过程的不可控以及载体物化性质对微生物粘附及其物质转化过程的影响未知是限制该体系应用的关键问题。本项目拟通过实验研究和动力学模拟相结合，构筑可控、高效、稳定的聚合物微纳介孔基质类生物膜体系。首先建立分子组装模型表面，系统研究模型微生物琥珀酸放线杆菌与其结合的行为，获得菌体在表面稳定状态的参数，阐明表面化学性质与微生物的匹配性。在此基础上，组合聚合物共混和微结构调控方法，构筑三维结构与天然细胞外基质中的蛋白纤维相似的聚合物微纳纤维膜，调控纤维形貌和表面性质，研究微生物在纤维膜表面的定殖及胞外聚合物的分泌过程，明确生物膜生长阶段与其物质传输与转化，以及稳定性之间的联系。通过本项目的研究，有助于深入阐明实现高效生物转化的仿生体系构建机理与方法。

本项目针对构建类生物膜体系以实现目标化学品的绿色合成这一研究目标，通过发掘琥珀酸放线杆菌A. succinogenes与模型表面相互作用的规律，进而描述A. succinogenes在纤维表面的定殖以及类生物膜形成过程，解析类生物膜发酵生产丁二酸的特征，在此基础上构建类生物膜反应器以实现丁二酸的高效、稳定生产。首先采用硫-金体系混合自组装法成功构筑十二烷基硫醇和11-巯基-1-十一醇混合单分子层，通过改变自组装溶液中组分比例实现了单分子层亲疏水性能的调控。通过耗散型石英晶体微天平技术实时监测 A. succinogenes在单分子层上的吸附过程，发现A. succinogenes更易于在疏水程度较高的载体上吸附，且菌体生命力更强。当单分子层全部由十二烷基硫醇构成时，培养48 h之后微生物浓度为0.78 gL-1，生成丁二酸的浓度为2.64102 mgL-1。分别采用具有微纳介孔结构的醋酸纤维素纤维和聚丙烯纤维作为载体，研究A. succinogenes在载体表面的吸附和生长行为，发现带正电荷的聚丙烯微纳纤维膜对A. succinogenes的吸附和生长效果最好，其生成丁二酸的浓度为37.5 gL-1，转化率高达82.4%。随着微生物培养时间的增加，纤维膜表面逐渐形成生物膜，且膜内菌体保持良好的短杆状形貌，有助于菌体活力的保持以及目标产物的生成。构建了基于类生物膜的内置式转动纤维床反应器，并将其应用于发酵生产丁二酸，可以实现丁二酸生产的高生产强度（4.27 gL-1h-1）以及高转化率（90.0%）。通过连续发酵考察类生物膜反应器的运行稳定性，可以实现丁二酸生产浓度最高为98.7 g·L-1，其生产强度为2.77 gL-1h-1，转化率为89%，同时实现了高产酸浓度、高转化率和高生产效率。此外，利用工业废弃资源右旋糖酐发酵废液和农业废弃资源甘蔗渣，初步形成了以工农业废弃原料为基础的类生物膜纤维床反应器高效生产丁二酸的工艺。