关于利用微生物用于木质纤维素生物质转化为燃料乙醇的研究进展综述

关于利用微生物用于木质纤维素生物质转化为燃料乙醇的研究进展综述

摘 要：木质纤维素生物质是一种廉价、易得的可持续发展的潜在新能源材料，随着能源危机的加剧，由木质纤维素生物质转化为燃料乙醇成为开发新能源的一个新突破口。国内外近年来在这个领域都有很多研究成果。本文就微生物在木质纤维素生物质转化为燃料乙醇的预处理、水解中的应用作出综述，分析了现在木质纤维素生物质转化为燃料乙醇要想实现产业化所遇到的问题，并提出几条对策。

关键词：木质纤维素、燃料乙醇、发酵、纤维素酶、研究进展 随着现代工业与经济的发展，能源需求日益增加。特别是石油能源，由于人类社会的不断开采，石油资源目前面临着枯竭的危险。据2010年11月8号《环境科学与技术杂志》发表的研发报告显示，以当前的使用速度，化石燃料原料将在2050年前枯竭，而石油开采量下降10%～15%足以令发达工业国家的经济完全瘫痪1。这就意味着，要想保证人类社会的继续发展，寻求清洁、可持续的新能源已经成为了人类一项必须要完成的任务。因此，越来越多的国家已将生物质能源产业作为国家的一项重大战略推进，纷纷投入巨资进行生物质能源的研发。20世纪70年代石油危机以来，一些国家开始尝试利用生物质资源生产液体燃料2。 继美国和巴西用玉米和甘蔗生产燃料乙醇成功后，欧盟、日本、加拿大、印度等国家和地区也先后加大用粮食制备燃料乙醇的投入，2006年，仅美国由玉米淀粉生产乙醇的产量就达到了50亿加仑3。然而，随着随着世界耕地面积的缩小和人口数量的急剧增多，世界粮食价格也在近年出现大幅攀升。如何寻求价格低廉且来源广泛的替代原料来生产燃料乙醇，成为了发展生物质能转化为乙醇新能源亟待解决的问题。木质纤维素生物质如农林牧业加工废弃物，是可再生、价廉易得和来源丰富的资源和能源。全球每年光合作用的产物高达1500-2000亿吨，其中80%以上为木质纤维素生物质(如秸秆、草类、树木等)4。利用木质纤维素生物质生产乙醇不仅有利于环境保护和资源再利用，而且可减少温室气体的排放和缓解化石能源的危机，因此成为了一条解决新能源问题的新途径，其研究得到了世界各国的大力支持，并且也取得了很多阶段性的进展。本文就木质纤维素类生物质来制备燃料乙醇的研究现状及进展进行了综述（主要以微生物研究方向为主）。

1 纤维素生物质的主要成分 木质纤维素生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其中，用于处理制取燃料乙醇的主要是纤维素和半纤维素。纤维素分子是由葡萄糖分子通过β-1,4糖苷键连接而成的链状高分子聚合物，是地球上最丰富的生物聚合物，其水解产物是葡萄糖。半纤维素是无定型的生物高聚物，是由包括六碳糖(葡萄糖、半乳糖、甘露糖)和五碳糖(木糖、阿拉伯糖)等不同糖基组成的，在温和条件下很容易水解成单糖5。在植物体内，木质素与半纤维素经共价键结合，将纤维素分子包埋其中，使多糖成分不易被降解6。由于其葡萄糖单体之间特殊的糖苷键，纤维素结构稳定，不易分解，常用于构成植物体稳定的骨架结构。

2 从纤维素生物质来制备燃料乙醇的工艺 目前，从木质纤维素生物质制备燃料乙醇的基本工艺可以分为预处理、水解、发酵和纯化4个部分7。预处理主要是为了破坏木质纤维素结构，释放出纤维素和半纤维素，主要方法包括物理预处理法、化学预处理法、物理-化学预处理法和生物预处理法。水解主要是为了将纤维素等多糖水解转化为单糖，主要方法包括酸水解法和生物酶水解法。发酵工艺主要是用微生物将单糖酵解为乙醇。结合水解和发酵过程，此工艺主要可分为分步水解发酵工艺（separate hydrolysis and fermentation，SHF）、同步糖化发酵工艺（simultaneous saccharificationand fermentation，SSF）8和固定化微生物水解发酵法 (consolidated bio-processing，CBP）9。纯化过程主要是通过蒸馏、过滤等手段，获得纯度较高的乙醇。在这四个过程中，主要以预处理、水解成本耗费较大。由于在这两步过程中使用微生物发酵相对于物理、化学处理有较大的成本优势，因此有关木质纤维素转化为燃料乙醇的大量研究集中在如何利用微生物和用微生物产生的纤维素酶对木质纤维素进行预处理、分解以及发酵过程中微生物选育的优化上。本文就木质纤维素生物质制备燃料乙醇方法中的预处理、水解所涉及的微生物研究进行总结。

3 微生物在预处理过程中的应用 真菌类的白腐担子菌类和某些放线菌类能产生降解木质素的木质素降解酶，如木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶或漆酶10。这些酶类能破坏木质纤维素中复杂的网状结构，使得一般的物理化学方法很难处理的木质素轻松脱离出来并被降解。能降解木质素的担子菌类主要包括： Phanerochaete chrysosporium11，Daldinia concentrica，Daedalea flavida12， Postia plancenta ， Panus tigrinus13 ， Rigidoporus lignosus14 。其它白腐菌类包括Pleurotus ostreatus15 ， Ceriporiopsis subvermispora。放线菌类主要包括Streptomyces viridosporus，S. lividans TK 64.116。 目前，国内外对能有效降解木质素的微生物研究较多的主要是担子菌类的黄孢原毛平革菌。它可以分泌胞外的木质素过氧化物酶和锰过氧化物酶来破坏和降解木质素，再者，根据真菌可以在固相表面生长的特点，黄孢原毛平革菌已经被成功应用于木质素降解的固相发酵工艺17。用微生物进行生物预处理法具有成本低、条件温和等独特的优势，使得这一方法具有较大的前景。但是这种方法现在还停留在试验阶段，而且这种方法的周期一般较长，过程中糖损耗较大，要实现工业化还有一定距离要走。

4 微生物在纤维素水解过程中的应用 微生物在纤维素水解过程中的应用机制主要是由某些微生物分泌的能够水解纤维素至葡萄糖的纤维素酶来完成。纤维素酶是一种高效的复合酶，可根据其催化功能不同分为：①内切葡萄糖苷酶（EC3.2.1.4，也称Cx酶），该酶的作用位点为β-1,4糖苷键，能随机切割β-1,4糖苷键，将长链纤维素分子水解为数个短链；②外切葡萄糖苷酶（EC3.2.1.91，也称C1酶），主要作用于纤维素分子的还原或非还原端，切割糖苷键，生成纤维二糖；③β-葡萄糖苷酶（EC3.2.1.21，也称纤维二糖酶），其作用为切割纤维二糖为单个葡萄糖分子。这三种酶协同作用，共同将纤维素分子降解成葡萄糖。 目前发现的能产生纤维素酶的微生物主要为细菌和真菌类，细菌类主要可分为三大类：①厌氧型，如热纤梭菌（Clostridium thermocellum）、解纤维梭菌（Clostridium cellulolyticum）等；②好氧型，如纤维弧菌属（Cellvibrio）18；③好氧滑动菌，如噬胞菌属（Cytophaga）19。国内外研究较多的主要集中在细菌中厌氧嗜热型的热纤梭菌（ Clostridium thermocellum）20。但由于细菌所产纤维素酶一般存在于细胞质基质或者吸附在细菌细胞壁上，只有很少一部分分泌到培养液中，再加上厌氧菌生长慢，无法工业化生产。因此，此类微生物大多用于实验室。 真菌类产纤维素酶的真菌，目前国内外研究较多的是木霉属（Trichoderma）、曲霉属（Aspergillus）和青霉属（Penicillium）。木霉可以产生胞外的纤维素酶，并且易分离提纯，酶活性也较高，可在工业生产上广泛应用。其中应用的较多的主要有里氏木霉（Trichoderma reesei）、绿色木霉（Trichoderma viride）、康氏木霉（Trichoderma koningi）和黑曲霉（Aspergillus niger）21。由于某些担子菌类如黄孢原毛平革菌既可以产生降解木质素的木质素酶，同时可以产生降解纤维素的纤维素酶22，因此也有研究者培育专门用于纤维素预处理和分解的黄孢原毛平革菌菌株，国内外在这方面也有很多研究报道。

5 利用微生物用于木质纤维素生物质转化产业化所遇到的问题 现阶段，大规模工业化将微生物发酵用于木质纤维素生物质转化为燃料乙醇还存在着几个亟待解决的关键性问题。①木质纤维素预处理过程复杂：天然纤维素材料的结构性质非常复杂，纤维素不仅被半纤维素和木质素所包裹，且其本身也存在着高度结晶性和木质化,阻碍了酶与纤维素的接触，使其难以直接被微生物降解23；②酶的催化效率偏低，成本偏高：目前生产所运用的菌株所产生的纤维素酶活性大多偏低，因此需要较大的酶投入量，无形中增大了催化成本。其纤维素酶的热不稳定性也使得纤维素酶的催化效率偏低、成本过高。

6 利用微生物用于木质纤维素生物质转化产业化的发展对策 通过对纤维素酶的高效菌株进行选育、改造，可产生具有高催化效率的纤维素酶菌株。可主要通过基因重组及定位突变技术对优良菌株进行改造，从而选育出适合工业生产的高效能菌株。目前对纤维素酶基因的研究主要集中在产纤维素酶的高产真菌及耐热细菌上。有报道称，将编码Erwinia chrysanthemi P86021 endoglucanase的基因序列重组到Escherichia coli KO11 质粒中24，可以使表达的纤维素酶产率大大提高。随着生物化学和分子生物学的发展，高效能产纤维素酶微生物的研究将取得一个新的里程碑。 对纤维素酶作用机理进行进一步研究，可以从其分子结构上了解其催化的机理，进而提高其催化效率。由于纤维素酶的空间结构复杂，加之纤维素酶不易分离纯化、结晶难，如果能在分离纯化技术和研究方法上进行进一步突破，就能更好地了解纤维素酶的机理，从而改造纤维素酶，提高转化效率。 总之，利用微生物进行木质纤维素生物质制备燃料乙醇的研究取得了很多重大的进展，但还有很多技术问题需要解决。其中包括成本过高、工艺复杂等诸多问题。但是随着科学技术的发展和进步，这些关键技术一定会在某一天被攻破，顺利实现木质纤维素生物质制备燃料乙醇的工业化生产，并为人类带来一个和谐、稳定发展的社会。

参 考 文 献

1 刘锋 祁文 纤维素生物质能源的发展之路 安徽科技，2011年第4期. 2 高凤芹 孙启忠 刑启明 木质纤维素乙醇的研究进展 理论与研究，2009年第4期. 3-5 李祖明 李鸿玉 厉重先 刘雪峥 张洪勋 纤维素酶转化木质纤维素生物质生产乙醇的研究进展 科学研究.

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