近期，學(xué)院資源與環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)室張永奎教授課題組在《Bioresource Technology》、《Carbohydrate Polymers》、《Renewable Energy》等國際知名期刊上發(fā)表了多篇有關(guān)廢棄生物質(zhì)（餐廚垃圾）生物轉(zhuǎn)化為多糖和油脂的研究論文，分別為“Effect of pretreatment on the enzymatic hydrolysis of kitchen waste for xanthan production”（第一作者：李盼禹， 通訊作者：張永奎；Bioresource Technology，IF=5.651，四川大學(xué)B級）、“Biosynthesis of xanthan gum by Xanthomonas campestris LRELP-1 using kitchen waste as the sole substrate” （第一作者：李盼禹，通訊作者：張永奎；Carbohydrate Polymers，IF=4.811）、“Enhanced lipid production and nutrient utilization of food waste hydrolysate by mixed culture of oleaginous yeast Rhodosporidium toruloides and oleaginous microalgae Chlorella vulgaris”（第一作者：曾宇，通訊作者：張永奎；Renewable Energy，IF=4.357）、“Utilization of food waste hydrolysate for microbial lipid and protein production by Rhodosporidium toruloides Y2”（第一作者：曾宇，通訊作者：謝通慧；Journal of Chemical Technology and Biotechnology，IF=3.135）和“Bioconversion of welan gum from kitchen waste by a two-step enzymatic hydrolysis pretreatment”（第一作者：李盼禹，通訊作者：張永奎；Applied Biochemistry and Biotechnology，IF=1.751）。該系列研究系統(tǒng)介紹了餐廚垃圾的高效酸、酶水解過程及預(yù)處理影響機(jī)制，并利用功能性微生物將其中的有機(jī)質(zhì)高效轉(zhuǎn)化為附加值高的微生物多糖和油脂，揭示了生物轉(zhuǎn)化系統(tǒng)條件調(diào)節(jié)機(jī)制，為廢棄生物質(zhì)的資源化利用、高附加值化學(xué)品合成和生物能源發(fā)展提供技術(shù)和理論基礎(chǔ)。
餐廚垃圾是城市固體垃圾的主要組成部分之一，具有高有機(jī)含量、高油脂含量、高水分含量和高鹽分含量等特性，容易腐爛變質(zhì)污染水資源和散發(fā)惡臭，進(jìn)而嚴(yán)重影響人們的身體健康和生活質(zhì)量。傳統(tǒng)的餐廚垃圾處理方法，包括填埋、焚燒和直接喂養(yǎng)動物等都容易產(chǎn)生二次污染，并且浪費(fèi)了餐廚垃圾中的糖類和蛋白質(zhì)等潛在的生物質(zhì)資源。而生物法可以較好地利用餐廚垃圾中的有機(jī)質(zhì)，生產(chǎn)附加值較高的化學(xué)品，同時兼具廢棄物資源化處理和化學(xué)品的廉價原料生產(chǎn)兩大優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)受到人們的廣泛重視。
在微生物轉(zhuǎn)化之前，一般需要對餐廚垃圾進(jìn)行水解預(yù)處理，使有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)液相轉(zhuǎn)化。由于成分的復(fù)雜性，餐廚垃圾的水解率一直不高，嚴(yán)重制約了其資源化處理效率；微生物多糖和油脂是重要的日?；て泛蜕锊裼颓膀?qū)體，但是目前的合成方法成本較高或環(huán)境危害性較大，嚴(yán)重制約了相關(guān)精細(xì)化工品生產(chǎn)和新能源的發(fā)展?；诖?，資源與環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)研究了餐廚垃圾的水解預(yù)處理過程及影響機(jī)制，并以功能性微生物為生物轉(zhuǎn)化平臺，實(shí)現(xiàn)了餐廚垃圾的高效資源化利用。
圖1 餐廚垃圾生物轉(zhuǎn)化技術(shù)路線圖
通過系列研究發(fā)現(xiàn)，化學(xué)法預(yù)處理可以改變餐廚垃圾的特性，提高酶的可及性，進(jìn)而對隨后的酶水解過程產(chǎn)生較大影響，溫度越高，影響越大。酸預(yù)處理可以對餐廚垃圾中有效物質(zhì)進(jìn)行初步水解，釋放可溶性還原糖，最終有效提高碳源回收率；堿預(yù)處理可以有效提高氮源回收率。采用擬一階方程對酶水解過程進(jìn)行動力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，預(yù)處理 (特別是高溫堿預(yù)處理) 對酶水解的速率常數(shù)影響較大，預(yù)處理實(shí)驗(yàn)組酶水解速率常數(shù)達(dá)到了2.769 h-1，是未預(yù)處理實(shí)驗(yàn)組的2.55倍。
課題組以篩選的野油菜黃單胞菌Xanthomonas campestris LRELP-1為多糖生物合成平臺，實(shí)現(xiàn)了自餐廚垃圾向黃原膠的高效轉(zhuǎn)化（碳源利用率和轉(zhuǎn)化率分別達(dá)到了94.82%和67.07%）。以圓紅冬孢酵母為油脂生物合成平臺，實(shí)現(xiàn)了餐廚垃圾向微生物油脂的高效轉(zhuǎn)化（油脂產(chǎn)量7.3 g L-1）。研究發(fā)現(xiàn)，微生物產(chǎn)油過程中，傳統(tǒng)的單獨(dú)培養(yǎng)某一種微生物存在一些短板和不足，例如微藻對有機(jī)物的去除效果較弱，而酵母對營養(yǎng)鹽的去除效率較低。針對這一問題，課題組設(shè)計了混合培養(yǎng)策略，耦合不同微生物的作用機(jī)制，將有機(jī)物和營養(yǎng)鹽同時有效地除去。此外，當(dāng)酵母和微藻在光照條件下混合培養(yǎng)時，會產(chǎn)生協(xié)同作用。酵母的氧化代謝能為微藻提供光合作用所需的二氧化碳，同時，微藻的光合作用能消耗這些二氧化碳并為混合培養(yǎng)體系提供氧氣，這些氧氣又能促進(jìn)酵母的有氧呼吸。相對單獨(dú)培養(yǎng)酵母，混合培養(yǎng)的時間縮短了40%，油脂產(chǎn)量提高了12%，氮利用率提高了23%，還原糖利用率提高了17%。證明混合培養(yǎng)策略能增加水解液培養(yǎng)微生物生產(chǎn)油脂的效率。
圖2 混合培養(yǎng)策略示意圖
該系列研究獲得了國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目（21506132）和四川省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目（2015JY0241）的資助。
原文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852416314419
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0144861716306804
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960148118304282
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/jctb.5049
https://link.springer.com/article/10.1007/s12010-017-2466-8
資源與環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)室 供稿
李天友 審核
高敏 編輯
beat365
2018年5月28日
