基于磁性铁氧化物负载的醌型介质原位调控戊糖生物产氢效能与机理研究

A low efficiency of biohydrogen production from pentose i.e. xylose is the main obstacle of biohydrogen production from lignocellulosic hydrolysates. Recently, the development of synthetic technology of insoluble redox mediator (RM), biohydrogen production from xylose stimulated by reduced RM, as well as the quinoid respiration theory of microorganism, which may potentially solve the main problem of the biohydrogen production from lignocellulosic hydrolysates. In this project, xylose and Klebsiella oxytoca will be used as substrate and model strain, respectively, and magnetic modification of iron oxides coupled with humic acid will be used as insoluble RM. To explore the metabolic flux trend at every metabolic node in presence of reduced RM will be achieved by the metabolic flow model and analytical methods such as optical spectrum, chromatogram and electrochemistry. On this basis, with the aid of quinoid respiration characteristic of the strain, the theory of in-situ recovery of reduced RM and the mechanism of xylose biohydrogen production stimulated by insoluble RM will be accomplished. Information from this project may provide theoretical basis and technological support for the real application of insoluble RM and Klebsiella oxytoca on the biohydrogen production from lignocellulosic hydrolysates. Moreover, it may offer a new cost-effective way to enhance the biohydrogen production from lignocellulosic hydrolysates.

以木糖为代表的戊糖生物产氢效率低下是当前综合利用木质纤维素水解液高效生物产氢技术所面临的一个主要难题。近年来，随着固相氧化还原介质(RM)的合成技术、还原态RM促进木糖生物产氢理论以及微生物“醌呼吸”原理的不断发展，约束着利用木质纤维素水解液进行高效生物产氢的这一瓶颈问题将很有可能得到解决。本项目拟选用木糖为生物产氢基质、克雷伯氏菌为模式菌株，将磁性改造的铁氧化物负载腐殖酸系统作为固相RM，通过代谢流分析模型的引入，借助光谱、色谱以及电化学等分析手段，明确在还原态RM 存在条件下，木糖产氢途径中各代谢节点的代谢通量分布的变化趋势。在此基础上，结合该菌株的“醌呼吸”原理和特点，阐明还原态RM的原位实现原理以及固相RM促进木糖生物产氢效率的微观机制。通过本课题的研究，可为固相RM与克雷伯氏菌的联合实际应用提供理论基础与技术支持，并且有望为木质纤维素水解液生物产氢提供一条高效、低成本的新方法。

以木糖为代表的戊糖生物产氢效率低下是当前综合利用木质纤维素水解液高效生物制氢所面临的的一个主要难题。利用功能微生物和生物亲和型材料协同强化生物制氢是解决这一问题的有效手段。本项目成功地合成了固相氧化还原介质(RM)-磁性纳米腐殖酸材料(MHA)，并对其进行了化学基团和电化学性质的综合表征，结合污染物降解动力学、微生物胞外电子传递(EET)理论以及半连续流反应器的长期运行结果，验证了MHA对EET的促进效率，获得了基于纳米级醌型介质联合微生物对污染物的降解模型，并为生物产氢过程促进EET的可行性奠定了理论基础。同时，针对克雷伯氏菌利用木糖制氢的代谢途径特点，结合已报道的文献和产氢实验数据，利用电子平衡核算法，通过对各代谢节点产物的定量分析，建立了木糖产氢过程中代谢流分布模型，计算了在羧基类染料和磺酸基染料存在条件下的各个全反应方程的吉布斯自由能，证明了木糖制氢全反应过程中的限速步骤，首次创立了基于甲酸裂解途径产氢的菌株在厌氧条件下利用木糖产氢的生化反应的全反应方程。在醌型纳米材料制备、全反应方程构建方法学等完成的基础上，利用混合微生物考察了在醌型介质(AQS)存在条件下的木糖产氢过程，借助代谢通量分析、电子平衡核算和化学计量学分析，验证了生物生成的AH2QS更有利于提高氢化酶催化的氢气生成，较少影响通过甲酸裂解途径的氢气生成，而在混合培养的生物产氢系统中，则有利于提高整个系统的产氢速率和氢气产量，通过高通量测序、产氢动力学等分析，验证了醌型化合物对混合微生物产氢的促进作用，并提出了产氢微生物群落在AQS存在条件下协同产氢的机理模型。