1、第十二章微生物與廢物資源化,微生物濕法冶金,微生物冶金的發(fā)展 微生物浸礦原理 冶金用浸礦微生物 微生物浸礦的影響因素 微生物浸礦工藝,9,菌體與礦物表面的相互作用,影響吸附效率的因素主要有： ）菌體的生理狀態(tài) ）菌體表面的電荷 ）胞外聚合物的影響,10,菌體內(nèi)氧化還原酶的作用,浸出菌的呼吸鏈上，電子傳遞部位在細(xì)胞質(zhì)膜上按特定部位排列。細(xì)菌體內(nèi)存在的這種氧化酶氧化系統(tǒng)及其決定的氧化還原反應(yīng)，都與呼吸鏈偶聯(lián)，推動 的合成，提供細(xì)菌生理活動能量。,11,浸礦微生物目前大多數(shù)為化能自養(yǎng)型細(xì)菌，耐酸，在 值小于時仍能生存。以硫化細(xì)菌為最常見。 浸礦微生物可能存在的地點 礦山、礦堆、尾礦中流出的酸性水；

2、被開采的礦石； 溫泉等。,12,冶金用浸礦微生物,生物質(zhì)能(biomass energy ) 太陽能以化學(xué)能形式貯存在生物質(zhì)中的能量形式,即以生物質(zhì)為載體的能量。它直接或間接地來源于綠色植物的光合作用,可轉(zhuǎn)化為常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料,微生物與可再生生物質(zhì)能源,光合作用,生物光解,發(fā)酵制氫,發(fā)酵產(chǎn)酒精,太陽能固定,催化水解,微生物制氫技術(shù),光解生物制氫 直接光解生物制氫 間接光解生物制氫 發(fā)酵生物制氫,光解制氫方法,1.直接光解技術(shù)（藍(lán)藻）,在厭氧條件下，可以利用氫作為電子供體用于二氧化碳的固定或釋放氫氣,綠色植物、綠藻、藍(lán)細(xì)菌等光合作用 light 6H2O+6CO2 C6H12O6+6O

3、2+能量,光解與光合作用差別,綠藻的光解作用產(chǎn)氫 氫化酶hydrogenase 2H+ + 2e H2,藍(lán)細(xì)菌和光合細(xì)菌光解作用產(chǎn)氫 固氮酶nitrogenase N2+8H+8e-+能量 2NH3 + H2,藍(lán)藻光解水制氫機制,氫酶基因,氧對氫酶的嚴(yán)重抑制，必須將光合放氧和光合放氫在時間上或空間上分開，可以通過部分抑制PSII光化學(xué)活性來實現(xiàn)： 元素調(diào)控，如：硫、磷 PSII抑制劑，如：DCMU、CCCP、FCCP 代表性藻株有:Chlamydomonas reinhardtii 產(chǎn)氫速率為：7.95mmol H2/L ,100h.,2.間接光解產(chǎn)氫（藍(lán)細(xì)菌）,固氮酶：催化還原氮氣成氨，氫氣

4、作為副產(chǎn)物產(chǎn)生,吸氫酶：氧化由固氮酶催化產(chǎn)生的氫氣,可逆氫酶：能夠氧化合成氫氣,發(fā)酵法生物制氫 Fermentative H2 Production,產(chǎn)氫-產(chǎn)酸發(fā)酵細(xì)菌對碳水化合物的代謝途徑 N. Ren, B. Wang, J. C. Huang. 1997, Biotech. & Bioeng., 54(5): 428,產(chǎn)氫-產(chǎn)酸發(fā)酵原理,經(jīng)典生物產(chǎn)氫機理（一） Gray和Gest提出的梭桿菌型專性厭氧菌產(chǎn)氫,經(jīng)典生物產(chǎn)氫機理（二） Gray和Gest提出的腸桿菌型兼性厭氧菌產(chǎn)氫,經(jīng)典生物產(chǎn)氫機理（三） Tanisho提出產(chǎn)氫NADH平衡調(diào)節(jié)產(chǎn)氫,發(fā)酵法生物產(chǎn)氫 H2 理論產(chǎn)量 C6H12

5、O6 + 2H2O 2CH3COOH + 2CO2+ 4H2,Kalia et al said “Hydrogen is a strong contender as a future fuel. Biological hydrogen production ranges from 0.37 to 3.3 mole-H2/mole-Glucose and, considering the high theoretical values of production (4.0 mole-H2/mole-Gglucose), it is worth exploring approaches to in

6、crease hydrogen yields.” TRENDS in Biotechnology Vol.21 No.4 April 2003,關(guān)鍵問題: 提高產(chǎn)氫能力，利用廉價原料，降低制氫成本，適應(yīng)商業(yè)化需求 菌種改良，建立高效產(chǎn)氫菌群 高效連續(xù)流反應(yīng)器 基于代謝工程的高產(chǎn)氫收率的生化途徑 開發(fā)廉價原料,方案一：代謝阻斷或基因敲除（代謝工程）,方案二：理想的生物產(chǎn)氫機理(代謝工程),方案三：生物發(fā)酵法與光解法耦聯(lián),分體耦聯(lián)底物梯級利用 一體耦聯(lián)互生關(guān)系,原理：發(fā)酵法生物制氫殘液(有機酸和醇)作為光解法生物制氫的供氫體,木質(zhì)纖維素生物質(zhì)能源化與資源化的系統(tǒng)工藝流程,生物質(zhì),糖化液,燃料酒精,

7、殘液,沼氣,回用水,木質(zhì)素 和殘渣,有機肥,生物絮凝劑,燃燒為系統(tǒng)提供熱源,H2,糖化,發(fā)酵生物制氫,生產(chǎn) 乙醇,生產(chǎn)生物絮凝劑,厭氧產(chǎn)甲烷,廢水深度處理,補充水,微生物燃料乙醇,植物的纖維素和半纖維素可作為乙醇發(fā)酵的原料。轉(zhuǎn)化過程如圖所示：,研究存在的問題,針對野生型纖維素降解菌株進(jìn)行改造策略,經(jīng)典的微生物發(fā)酵產(chǎn)乙醇代謝路徑圖,基于代謝工程方法：如采用基因敲除(geneout)，阻斷有害代謝產(chǎn)物的生成途徑 利用乙醇等刺激因子進(jìn)行耐受誘導(dǎo)：添加小劑量的乙醇，可以適當(dāng)增強菌株在大量發(fā)酵時對乙醇的耐受性 構(gòu)建重組基因工程菌：擴大重組菌的底物利用范圍，提高糖的利用率：引入戊糖代謝途徑；將高效的產(chǎn)乙醇

8、關(guān)鍵酶引入能代謝混合糖但乙醇產(chǎn)量低的菌種,Lee R. Lynd, et al，Microbial Cellulose Utilization: Fundamentals and Biotechnology.2002, 66: 548-549,針對無纖維素降解性能的乙醇發(fā)酵菌株的 工程菌構(gòu)建改造策略 在細(xì)菌中異源表達(dá)纖維素酶 在運動發(fā)酵單胞菌中異源表達(dá)纖維素酶 在腸道細(xì)菌中異源表達(dá)纖維素酶 在真菌中異源表達(dá)纖維素酶 在釀酒酵母中異源表達(dá)纖維素酶,Lejeune, A., D. E. Eveleigh, and C. Colson. 1988. Expression of an endogluc

9、anasegene of Pseudomonas fluorescens var. cellulosa in Zymomonas mobilis. FEMS Microbiol. Lett. 49:363366. Skipper, N., M. Sutherland, R. W. Davies, D. Kilburn, R. C. Miller, A.Warren, and R. Wong. 1985. Secretion of a bacterial cellulase by yeast. Science 230:958961. Hinchliffe, E., and W. G. Box.

10、1984. Expression of the cloned endo-1,31,4-glucanase gene of Bacillus subtilis in Saccharomyces cerevisiae. Curr.Genet. 8:471475.,微生物燃料乙醇 Bio-fuel Ethanol,一些國家的政策和舉措,研究的歷史沿革,發(fā)酵產(chǎn)乙醇代謝途徑及改造策略,經(jīng)典的微生物發(fā)酵產(chǎn)乙醇代謝路徑圖,基于代謝工程方法：如采用基因敲除(geneout)，阻斷有害代謝產(chǎn)物的生成途徑 利用乙醇等刺激因子進(jìn)行耐受誘導(dǎo)：添加小劑量的乙醇，可以適當(dāng)增強菌株在大量發(fā)酵時對乙醇的耐受性 構(gòu)建重組基因工

11、程菌：擴大重組菌的底物利用范圍，提高糖的利用率：引入戊糖代謝途徑；將高效的產(chǎn)乙醇關(guān)鍵酶引入能代謝混合糖但乙醇產(chǎn)量低的菌種,Lee R. Lynd, et al，Microbial Cellulose Utilization: Fundamentals and Biotechnology.2002, 66: 548-549,植物的纖維素和半纖維素可作為乙醇發(fā)酵的原料。轉(zhuǎn)化過程如圖所示：,研究存在的問題,發(fā)展趨勢及熱點,目前，以纖維素原料制取燃料酒精的研究熱點是一體化生物工藝(Consolidated Bio-Processing, CBP,固定化酶糖化發(fā)酵法)，即生物質(zhì)的水解和發(fā)酵是由一種菌完成

12、的。在酶水解方法中，酶的成本太高，而CBP的優(yōu)點是不必生產(chǎn)纖維素酶，從而大大降低了生產(chǎn)成本。,Lynd, L. R., R. T. Elander, and C. E. Wyman. 1996. Likely features and costs of mature biomass ethanol technology. Appl. Biochem. Biotechnol. 5758:741761.,針對無纖維素降解性能的乙醇發(fā)酵菌株的 工程菌構(gòu)建改造策略 在細(xì)菌中異源表達(dá)纖維素酶 在運動發(fā)酵單胞菌中異源表達(dá)纖維素酶 在腸道細(xì)菌中異源表達(dá)纖維素酶 在真菌中異源表達(dá)纖維素酶 在釀酒酵母中異源表達(dá)

13、纖維素酶,Lejeune, A., D. E. Eveleigh, and C. Colson. 1988. Expression of an endoglucanasegene of Pseudomonas fluorescens var. cellulosa in Zymomonas mobilis. FEMS Microbiol. Lett. 49:363366. Skipper, N., M. Sutherland, R. W. Davies, D. Kilburn, R. C. Miller, A.Warren, and R. Wong. 1985. Secretion of a b

14、acterial cellulase by yeast. Science 230:958961. Hinchliffe, E., and W. G. Box. 1984. Expression of the cloned endo-1,31,4-glucanase gene of Bacillus subtilis in Saccharomyces cerevisiae. Curr.Genet. 8:471475.,生物柴油 Biodiesel,生物柴油是一種以植物油、動物脂肪為主要原料，性質(zhì)和普通柴油十分相似的燃油 生物柴油的優(yōu)點 來源于生物質(zhì)，可再生 燃燒后產(chǎn)生的CO2、CO及有毒物質(zhì)含量

15、低，不含硫，不產(chǎn)生SOx污染問題 本身無毒、無害，能自行分解 閃點較高，運輸和存儲安全,生物柴油概述,生物柴油主要成分為脂肪酸甲酯，通過植物油(棉籽油、棕櫚油、椰子油、菜籽油、野生植物油以及海藻等)與甲醇酯交換制得,酯交換(醇解)法反應(yīng)機理,生物柴油的制備原理,工藝復(fù)雜、反應(yīng)溫度高、生產(chǎn)成本高 排放廢液、產(chǎn)生二次污染 后續(xù)處理麻煩、產(chǎn)品分離困難 原料中的水分和游離脂肪酸對產(chǎn)品的收率和品質(zhì)有負(fù)面影響,傳統(tǒng)工藝的缺點,優(yōu)點：反應(yīng)條件溫和、醇用量小、催化劑易分離、甘油易回收以及不發(fā)生副反應(yīng)。 存在的技術(shù)問題： 脂肪酶催化效率不高 酶的壽命低，反應(yīng)物甲醇容易導(dǎo)致酶失活，副產(chǎn)物甘油影響酶反應(yīng)活性及穩(wěn)定性

16、 酶制劑成本高,制備新技術(shù)：生物酶催化酯交換工藝,生物酶催化劑的應(yīng)用形式 脂肪酶的固定化技術(shù) 全細(xì)胞生物催化劑技術(shù),具有良好的發(fā)展前景,優(yōu)點：脂肪酶固定化技術(shù)具有穩(wěn)定性高、可重復(fù)使用；能提高酶的催化活性；容易從產(chǎn)品中分離等。 研究重點：解決固定化脂肪酶易失活的問題，以增加其實際應(yīng)用價值。,脂肪酶固定化技術(shù),優(yōu)點： 無需酶的提取純化，節(jié)省成本 經(jīng)過簡單培養(yǎng)就能制取，且分離簡單 產(chǎn)生脂肪酶的絮凝性微生物，在培養(yǎng)中能自發(fā)地固定在載體上，省卻了人為的固定化過程 國內(nèi)外研究熱點： 尋找表達(dá)脂肪酶的合適的細(xì)胞載體 通過基因技術(shù)提高脂肪酶表達(dá)水平 在胞外構(gòu)建脂肪酶的技術(shù) 增加載體通透性的處理方法,酶催化劑新的應(yīng)用形式：全細(xì)胞生物催化劑,Kazuhiro Ban e tal, Biochemical Engineering Journal 8 (2001),全細(xì)胞催化劑在生物支撐顆粒（BSP）的表面和橫斷面顯微照片,許多微藻種類能夠在生長晚期