【摘要】：我國(guó)是農(nóng)作物種植大國(guó),每年產(chǎn)生的農(nóng)作物秸稈和其它農(nóng)作物廢棄物高達(dá)7億噸以上。而種類多、數(shù)量巨大的農(nóng)作物秸稈尚未進(jìn)行大規(guī)模有效的開發(fā)利用,甚至被焚燒造成嚴(yán)重環(huán)境污染。利用這些豐富廉價(jià)的農(nóng)作物秸稈可以代替糧食生產(chǎn)非糧燃料乙醇,其中甜高粱(Sorghum bicolor(L)Moench)是最有發(fā)展?jié)摿Φ哪茉醋魑�。甜高粱種質(zhì)資源豐富,種植范圍廣,抗逆境能力強(qiáng),莖稈產(chǎn)量高,莖汁含糖量高,同時(shí)也是生物量最高的作物之一。甜高粱作為生物質(zhì)能源有很好的發(fā)展前景,其秸稈榨汁含糖量高,其榨汁和渣都可以生產(chǎn)乙醇。利用其秸稈渣水解物中的木糖發(fā)酵為乙醇才能提高作物秸稈纖維素乙醇的生產(chǎn)效益,同時(shí)降低農(nóng)民的種植成本,構(gòu)建高效代謝木糖的釀酒酵母(Sacc-haromyces cerevisiae)菌株,利用甜高粱等作物秸稈發(fā)酵燃料乙醇能緩解能源危機(jī)和保護(hù)環(huán)境。本研究以甜高粱秸稈為原材料,構(gòu)建釀酒酵母工程菌,以甜高粱莖稈榨汁及渣混合原料進(jìn)行同步糖化乙醇發(fā)酵并進(jìn)行條件優(yōu)化,提高甜高粱秸稈乙醇產(chǎn)量,為作物秸稈綜合利用提供模式。1.對(duì)釀酒酵母T1308進(jìn)行遺傳背景分析,其5.8S rDNA-ITS序列與數(shù)據(jù)庫中釀酒酵母序列同源性100%,確定該出發(fā)菌株為酵母;其子囊孢子美藍(lán)染色及對(duì)MAT基因座序列分析,確定酵母為是雜合型二倍體(aα)。通過同源重組敲除其尿嘧啶合成酶關(guān)鍵基因URA3,獲得尿嘧啶營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株T1308-U。2.利用粳稻及真菌木糖異構(gòu)酶基因構(gòu)建木糖異構(gòu)酶表達(dá)載體在釀酒酵母里獲得表達(dá),分析重組菌株木糖異構(gòu)酶酶活,確定真菌木糖異構(gòu)酶基因更適合在酵母里表達(dá)及其啟動(dòng)子。重組菌株木糖利用率分別是出發(fā)菌株的1.78-1.99倍,乙醇產(chǎn)率可達(dá)0.31g/g消耗糖。3.構(gòu)建具有抗性標(biāo)記kanMX和尿嘧啶合成酶基因URA3不同篩選標(biāo)記的兩種強(qiáng)啟動(dòng)子TPI的載體,并將啟動(dòng)子直接插入釀酒酵母的木酮糖激酶基因及非氧化磷酸戊糖途徑(PPP)關(guān)鍵基因之前,再轉(zhuǎn)入粳稻或真菌的木糖異構(gòu)酶表達(dá)載體,獲得的木糖代謝流增強(qiáng)的重組菌株,與出發(fā)菌株相比,重組菌株P(guān)XI-T1308-U轉(zhuǎn)錄水平上木酮糖激酶表達(dá)增強(qiáng)了4.08倍,磷酸戊糖途徑非氧化階段的磷酸戊酮糖差向異構(gòu)酶、核糖-5-磷酸異構(gòu)酶、轉(zhuǎn)醛酶、轉(zhuǎn)酮酶表達(dá)分別增強(qiáng)了4.17、17.36、1.62和3.98倍。木糖利用率比出發(fā)菌株提高了3.28倍,乙醇產(chǎn)率達(dá)到0.33g/g消耗糖。4.以甜高粱秸稈為原料,對(duì)其莖稈榨汁及渣同步糖化乙醇發(fā)酵工藝進(jìn)行優(yōu)化,按最優(yōu)發(fā)酵條件,重組菌株發(fā)酵的乙醇濃度達(dá)到31.79g/L,這比單純以甜高粱莖汁為原料發(fā)酵所得乙醇濃度提高了5.45g/L。本研究首次以甜高粱莖稈榨汁和渣為原料,并利用基因重組酵母厭氧條件下進(jìn)行同步糖化乙醇發(fā)酵,并對(duì)甜高粱莖稈渣汁同步糖化發(fā)酵工藝進(jìn)行優(yōu)化。選擇粳稻木糖異構(gòu)酶基因及重組酵母構(gòu)建等方面的研究具有應(yīng)用前景,相關(guān)結(jié)果為促進(jìn)甜高粱等能源作物的轉(zhuǎn)化利用緩解能源危機(jī)及降低秸稈燃料乙醇的生產(chǎn)成本提供參考。
【圖文】：

圖 1-1. 2011 年世界主要能源需求（左；IEA, 2013）及用于生物質(zhì)燃料的固體生物質(zhì)供給份額，產(chǎn)能的原料以及新政策方案（右; WEO, 2012)Fig. 1-1. World primary energy demand in 2011 (left; IEA, 2013) and share of solid biomass sup-ply for biofuels and power generation by feedstocks in 2011 and in the New Policies Scenario (ri-ght; WEO, 2012).超過三分之二的生物質(zhì)能來源于產(chǎn)自土地的原料（圖 1-1），導(dǎo)致人們對(duì)與糧及爭(zhēng)地和爭(zhēng)水資源的競(jìng)爭(zhēng)高度關(guān)注，以及對(duì)纖維素產(chǎn)品和別的環(huán)境問題與土地使用變化的關(guān)注(Gasparatos et al., 2013; IEA, 2010)。因此使用廢棄物生產(chǎn)生物質(zhì)能也越來越受到許多國(guó)家和地區(qū)關(guān)注。潛在的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)各不相同，利用取決于類型、豐度和生物原料價(jià)格，，處理技術(shù)的成本效率及能源需求的模式。1.2 木質(zhì)纖維素乙醇許多國(guó)家從能源安全戰(zhàn)略方面考慮，尋求可再生能源以期替代石油資源。經(jīng)過幾十年的探索，已經(jīng)達(dá)成共識(shí)生物質(zhì)生產(chǎn)生物燃料是目前最可行的選擇之一。目前使用的生

圖 1-2 世界燃料乙醇產(chǎn)量Fig.1-2 World fuel ethanol production.1 國(guó)外纖維素乙醇的研究應(yīng)用現(xiàn)狀目前巴西和美國(guó)是對(duì)燃料乙醇研究比較深入，生產(chǎn)規(guī)模也在全世界范圍內(nèi)處具備很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力（Helena L., et al 2001）。2006 年美國(guó)能源部提出今后將在纖維素乙醇替代汽油研究方面大力投入(王素
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：S216.2

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本文編號(hào)：2669529