胞内生物传感器提高微生物细胞工厂的精细调控

在当今倡导化合物绿色制造的背景下，利用微生物细胞工厂合成新化合物或提高化合物的产量是绿色化工技术发展的重要方向之一。但目标化合物的低产是微生物细胞工厂合成的常见问题。解决这个瓶颈的有效方法之一是在微生物细胞中设计生物传感器来监测和调控化合物的生物合成。详细介绍了胞内生物传感器的种类和作用机制，重点阐释了生物传感器如何与微生物细胞工厂中产物合成途径设计相结合，从而提高细胞工厂的精细调控和目标产物的合成能力。最后还讨论了目前胞内生物传感器设计所面临的挑战和可行的解决方案。     

微生物细胞工厂碳流调控进展

随着代谢工程技术的进步,越来越多微生物细胞工厂可用于化学品发酵生产。微生物细胞生产化学品具有生产条件温和、环境友好等优势,是实现化学品绿色可持续生产的重要手段。为了提高微生物细胞工厂的产量、得率和生产强度,传统代谢工程手段主要采用基因过表达或基因敲除方式增大目标代谢路径碳代谢流。然而由于代谢流调控精度不足,易导致细胞生产能力下降。本文主要针对微生物细胞工厂碳流调控中存在的瓶颈问题,从代谢流改造靶点选择、细胞生长与产物合成碳流平衡、副产物路径与产物合成竞争、产物合成效率强化四个角度,系统综述微生物细胞工厂碳代谢流调控的最新进展。并从高精度、仿生学、智能化、多任务、快响应调控工具的设计出发,对未来微生物细胞工厂的发展趋势进行展望。     

代谢工程改造微生物合成生物基单体的进展与挑战

单体是合成聚合物所用的小分子基础原料,目前主要来源于化石燃料。利用微生物制备生物基单体具有生产条件温和、环境友好、可持续的优势,是实现高分子材料行业绿色制造的重要途径。借助代谢工程和合成生物学元件,目前已经实现了多种单体的微生物制造,然而与石油基生产工艺相比,这些单体微生物细胞工厂的生产性能普遍较低。围绕代谢工程改造微生物合成生物基单体过程中存在的瓶颈问题,本文基于具体案例分析,从廉价底物的高效利用、提高生物基单体合成效率、强化细胞环境耐受性三个方面,总结了改造微生物合成单体的最新研究进展。同时,讨论了单体微生物细胞工厂目前存在的挑战和未来发展方向。     

生物燃气生产技术研究进展

阐述了近年来以生物质为原料厌氧转化生物燃气(氢气和甲烷的统称)技术的研究进展.有效的生物质预处理是生物燃气生产的基础,包括物理、化学及生物等各种有效的预处理手段.影响高效生物燃气生产的因素包括环境、发酵底物、菌种、反应器设计等.细胞表面工程、微生物混合群落分析、细胞荧光定量分析等技术的发展会进一步促进生物燃气的高效生物转化技术的发展.从经济学角度考虑.氢气和甲烷发酵联产将最大程度提高生物质原料的利用率.在生物燃气发酵生产过程中.必须考虑整个过程从原料开始到最终的生物燃气和废渣的利用,从系统工程考虑生产和产物综合利用问题.     

生物制造过程中的微生物生长与调控

提高生物基产品的产量和生产效率是生物制造发展的目标。由于微生物具有生长快、营养要求简单和基因操作简便等特点,常用作生物基产品制造过程中的底盘宿主,因此,产品制造过程中微生物细胞的生长与调控尤为重要,其生长调控会直接或间接地影响生物基产品的合成效率。微生物的生长不仅受外界环境如温度、溶氧量、pH等的影响,而且还受微生物本身的生长与调控机制如细胞分裂调控、必需基因表达调控、程序化死亡等的影响。本文综述了利用分子生物学、合成生物学和系统生物学等方法对微生物细胞生长和分裂过程进行分子调控,以提高生物反应速率和目标产物的产量,为化工、食品、生物医药以及环境保护等领域构建高效的生物制造工艺提供新思路。     

生物基化学品的微生物电合成研究进展

微生物电合成是结合微生物学与电化学的新兴研究方向。电化学活性菌株以直接或间接的方式吸收人工提供的外源电子,打破胞内代谢原有的氧化还原平衡,定向催化底物合成还原性目的产物。近年来,基于生物基化学品的微生物电合成取得广泛关注。本文综述了生物基化学品微生物电合成的基本原理及最新研究进展,并讨论了电化学活性菌株的种类、电子传递机制以及典型的菌株培养方式,同时结合菌株代谢途径,讨论了微生物电合成促进乙酸、1,3-丙二醇、丁醇、琥珀酸等生物基化学品的作用机理及研究现状。最后指出了电子传递机制、电子传递效率及成本是限制该技术发展的关键问题及未来的发展趋势,旨在推动该技术应用于生物基化学品的发酵工业中。     

微生物合成鼠李糖脂生物表面活性剂的研究进展

微生物合成的鼠李糖脂是一类重要的生物表面活性剂,具有易被生物降解、表面活性良好等优点,应用前景广阔。目前用于发酵合成鼠李糖脂的菌株主要为假单胞菌属。综述了产鼠李糖脂菌株的发现与筛选、鼠李糖脂的生物合成途径与代谢调控关系、鼠李糖脂发酵过程的优化与控制、高产鼠李糖脂工程菌株的构建等方面的研究进展,并对其研究趋势进行了展望。     

微生物菌群在生物有机肥制备中研究进展

发酵微生物菌群和复合功能微生物菌群是两个重要的微生物功能菌群,在制备生物有机肥中有着广泛的用途。本文评述了国内外在微生物菌群应用于生物有机肥制备方面的研究进展。基于固体有机废弃物组成的复杂性,同时兼顾除臭和减少营养元素流失的要求,发酵微生物菌已由单一的菌株向菌群发展。而在以腐熟物料制备生物有机肥的过程中,可以添加固氮、解磷等功能微生物满足肥料的功能要求。文章指出,微生物菌群在组成和功能上将逐渐由单一走向多元化。     

生物法制造丁二酸研究进展

丁二酸因其C₄分子结构在化工领域的潜在价值,被认为是一种具有广阔应用前景的生物基平台化合物。结合生物基丁二酸的产业现状,综合分析了丁二酸生产菌种及菌株改造、生物过程优化和丁二酸分离纯化这三个方面的研究现状。重点介绍以大肠杆菌、产琥珀酸放线杆菌、解脂耶氏酵母为代表的主要生产菌株及其改造策略;低值生物质利用及控制发酵过程中CO₂ 供给和pH 调节等生物过程优化策略;包括钙盐法、电渗析法、直接分离法等方法在内的丁二酸分离工艺。同时指出未来的研究重点将综合考虑经济性与能耗问题,将菌株与发酵和分离全过程整合,提高丁二酸产量,降低发酵及分离成本,进一步拓展生物基丁二酸市场应用领域。     

微生物细胞工厂生产化学品的研究进展——以几种典型小分子和大分子化学品为例

微生物细胞工厂的创制和优化改造是绿色生物制造的重要内容。基于构建高效微生物细胞工厂的主要使能技术及其新发展,以几种典型小分子和大分子化学品为例,综述了微生物细胞工厂生产化学品的研究进展。讨论了启动子工程、代谢流分析等经典的使能技术和CRISPR基因编辑、诱变耦合高通量筛选、基于人工智能的生物信息学等新技术对于微生物细胞工厂构筑的重要作用。分别以有机醇、有机酸、有机胺小分子和多糖、聚酯类生物大分子的微生物合成为例,分析了如何面向不同特点的产物分子,设计实施不同的基因改造策略,并概述了近年来代表性菌株的生产性能。进一步展望了未来微生物细胞工厂生产化学品的总体发展趋势和应用前景。     

Synthetic biological system construction and green intelligent biological manufacturing

The production of chemicals in microbial cell factories is one of the effective ways to solve energy and environmental problems. Many chemical products have been produced by synthetic biology, but production ability and robustness of the strains still needs to been improved. Development of intelligent cell factory and realizing intelligent biological manufacturing is an important approach to improve the production and robustness. This review introduces the research status of intelligent biological manufacturing from five following aspects: protein design, biosensor, metabolism regulation, strain evolution and fermentation process. The development of biological “intelligence” will make an important contribution to improving the production level of industrial biological processes and process energy saving and emission reduction.     

污水厌氧生物处理监控技术研究进展

在厌氧生物处理技术中,通过对各类厌氧菌在工艺运行期间的形态变化及其在污泥中的分布的实时监控,合理把握厌氧工艺进程,充分发挥厌氧菌的各自优势,对废水处理效率的提高具有重要意义。本文介绍了厌氧工艺进程实时监控技术的研究进展,从反应器启动运行中常规指标监测、菌群形态学监测方法及分子生物学监测技术三方面对监控技术加以论述;归纳比较了各方法在监测准确度和灵敏度上的差异,并在此基础上提出了将传统监测方法和分子生物学技术进行结合、将荧光探针标记靶点转移到细胞膜表面等建议,展望了分子生物学技术在污水厌氧生物处理监控领域的应用前景。     

甜菜碱对高盐废水的生物除磷影响初探

在高盐废水的生物处理中,由于高盐度胁迫作用,生物除磷效能普遍偏低。针对SBR系统生物除磷过程,通过监测出水总磷、磷酸盐、亚硝态氮的浓度,探究了甜菜碱的投加时期和投加量对高盐废水生物除磷的影响。研究结果表明:投加适量的甜菜碱能有效应对环境和盐度突变对系统除磷带来的负效应,增强SBR系统的鲁棒性;甜菜碱关键作用于好氧阶段,在曝气开始时投加甜菜碱更有利于生物除磷;在盐度突变的情况下,增加甜菜碱的投加量正反馈于磷酸盐去除率,但持续性不高。     

基于ORP的控制策略在废水生物处理中的应用

在废水生物处理的过程中,氧化还原电位(ORP)与污染物的浓度以及生化反应进行的程度有着良好的相关关系,其对判断反应器的运行状态,节省能源,提高反应器的运行效果具有重要的指导作用.介绍了ORP作为有机物降解过程及硝化过程的控制参数在好氧生物处理中的控制策略,ORP作为反硝化过程的控制参数在缺氧生物过程中的控制策略,以及O...     

高效生物硝化工艺研究进展

高效生物脱氮工艺是废水处理领域的研究热点,生物硝化是废水生物脱氮工艺的重要环节,也是废水去除氨氮的有效手段。国内外研究人员先后开发了全程硝化工艺、全量短程硝化工艺和半量短程硝化工艺等高效生物硝化工艺,有力推动了废水生物脱氮技术的发展。综述了全程硝化工艺、全量短程硝化工艺和半量短程硝化工艺的原理、性能和操作等内容,对各工艺的特征和优势进行了比较,以期为高效生物硝化工艺的研发和应用提供借鉴。     

生物支架系统在合成生物学中的应用

合成生物学作为一种新兴的工程化生物学,可以在底盘细胞中引入外源基因模块实现新功能。但是如何将多种外源模块（酶）进行有效地组装从而提高其协同催化功能是急需解决的一个重大问题。由于异源酶在新宿主中存在内源环境适应性问题,限制了酶的生物活性。生物支架系统作为一种有效手段,可以提供有效的多酶组装系统。恰当的生物支架能够提供适应环境的柔性平台,实现多酶体系的表达调控,稳定性组装,利于酶与底物结合的区域化设计。本综述对不同类型的生物支架的研究进展进行了系统的总结。文中根据不同类型支架（蛋白型、核酸型）的特点,介绍了典型的应用范例,论述了每种支架的优势与不足,并对生物支架的常见工作机制做了详细讨论。最后对生物支架在人工细胞器设计和复杂聚合物降解等方面的应用做出展望。     

Control and selectivity of photosensitized singlet oxygen production: challenges in complex biological systems

Singlet molecular oxygen is a reactive oxygen species that plays an important role in a number of biological processes, both as a signalling agent and as an intermediate involved in oxidative degradation reactions. Singlet oxygen is commonly generated by the so-called photosensitization process wherein a light-absorbing molecule, the sensitizer, transfers its energy of excitation to ground-state oxygen to make singlet oxygen. This process forms the basis of photodynamic therapy, for example, where light, a sensitizer, and oxygen are used to initiate cell death and ultimately destroy undesired tissue. Although the photosensitized production of singlet oxygen has been studied and used in biologically pertinent systems for years, the photoinitiated behaviour is often indiscriminate and difficult to control. In this Concept, we discuss new ideas and results in which spatial and temporal control of photosensitized singlet oxygen production can be implemented through the incorporation of the sensitizer into a conjugate system that selectively responds to certain triggers or stimuli.     

生物法制氢

利用生物法制氢提供了解决能源问题的新途径。它既可有效地处理废弃物、充分利用资源，又具有高选择性、高产率、低能耗的优点。所利用的生物体主要包括：化学转化细菌、向光性细菌和藻类。各种生物体具有自身的优点，利用它们生产氢能受到越来越多的关注。     

生物固定化技术处理金属废水研究进展

传统的物理化学方法在去除重金属方面存在二次污染和投资成本大等不足。而生物固定化是一种可有效处理含金属废水的技术,在处理含重金属废水时表现出卓越性能。生物固定化技术是通过包埋法和交联法等物理或化学方法将微生物或酶等生物催化剂限定在某一特定区域,并使其保持活性,能够不断循环利用。通过生物固定化技术处理含重金属的废水,介绍生物固定化技术处理镉、铅和铬几种类型重金属的国内外研究现状。采用生物固定化处理重金属污染具有细胞流失少、反应过程易控制、处理效率高和产物易分离等优势。逐渐成熟的生物固定化技术将对工业、农业和医学产生深远的影响。     

生物微电解-高效接触氧化工艺处理生物制药废水

采用生物微电解与高效接触氧化工艺相结合,利用WJ20型高效生物微电解填料和LK40型生物亲和性组合填料对生物制药废水进行了处理,并采用化学法对磷进行进一步处理。该工艺简单,挂膜好,处理效果稳定,处理成本低。实际运行结果表明,该工艺在进水CODCr500mg/L、BOD5250mg/L、氨态氮30mg/L、磷酸盐(以P计)15mg/L的条件下,处理后的出水CODCr<90mg/L、BOD5<20mg/L、悬浮物<60mg/L、pH6~9、氨态氮<10mg/L、磷酸盐(以P计)<0.5mg/L,完全达到DB44/26—2001中的一级标准。