important 曲音波木质纤维素资源高效生物降解转化中的关键科学问题研究

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1、项目名称：曲音波木质纤维素资源高效生物降解转化中的关键科学问题研究首席科学家：山东大学起止年限：2011.1至2015.8依托部门：教育部山东省科技厅二、预期目标总体目标：提出3-5套新的木质纤维素类生物质生物转化液体燃料和化学品的生物炼制技术方案，培养一支高水平的基础研究和技术开发队伍，最终为在我国建立大规模利用木质纤维素资源转化液体燃料和大宗化学品的新型工业体系，实现社会经济可持续发展提供理论与技术基础。五年预期目标：1）通过阐述植物生物质抗生物降解的组成和结构特征，建立起改造纤维生物质组成和结构以

2、提高降解效率的理论体系；解析预处理技术对提高纤维生物质降解性的结构基础，提出高效、经济和实用的预处理技术方案；2）研究微生物对天然或预处理后底物的降解机理，特别是纤维素解聚机理、去结晶化途径以及提高纤维素酶的持续化降解能力的途径等，探讨采用现代系统生物技术，从复杂纤维质降解多酶体系中，筛选和发现新的高效、耐逆、适合工业要求的纤维质降解酶类；为降解不同的木质纤维素资源研制出低成本且高效的复合酶系；3）选育适于转化纤维质糖分为平台化合物的微生物，研究其代谢调控机理与机制，指导构建高效代谢工程菌，研究定向转化

3、平台化合物的过程及相关产品的利用途径；进而通过对预处理、产酶、酶解和发酵的反应动力学、工程学和方法论的研究，将预处理技术、生物反应与分离过程耦合起来，提出新的生物炼制技术方案。4）从木质纤维素生物降解转化角度，构建纤维素降解和糖转化利用的数据库，其中包括木质纤维素原料组成与结构特征、纤维素降解微生物类群与特性、纤维素酶、半纤维素酶和木素酶及复合酶系，新型糖代谢的功能微生物等，建立专门的信息共享平台和网站，为实现大规模降解转化木质纤维素资源提供理论、技术和信息支撑。五年的可考核指标:提出2-3种新的高效、

4、低能耗、少抑制物的预处理方案；筛选到5-10种新的关键酶或非酶降解因子，构建出高效的纤维素降解酶系，使酶解转化率大于90%；使吨乙醇用酶成本从2000元以上降到800元以下；构建出能全糖共利用、表达纤维降解相关酶组分的统合生物加工工程菌株3-5株，发酵性能达到国际先进水平；综合前述进展，设计出多技术集成、全组分利用、多产品选择、经济上有竞争力的木质纤维素生物炼制技术路线3-5条；发表相关研究论文200篇以上，包括SCI影响因子超过5的论文5-10篇，总影响因子超过300；三、研究方案1）学术思路：以研究

5、植物木质纤维素类生物质对生物降解的抗性屏障及其破解之道为核心，深入研究微生物的多种多样的降解天然纤维的策略，探索人类干预生物降解过程，认识降解产物的复杂性，提高其降解转化效率，实现全部降解糖类的代谢转化，使之转而为人类可持续发展服务的可能途径。该学术思想可以用下图简示：物理化学措施（预处理技术）l蒸汽爆碎l酸碱处理l有机溶剂l综合法预处理l植物的防御屏障l纤维素结晶结构l多种高分子聚集l细胞壁分层构造生物学措施l新降解因子发现l酶分子设计改造l复合酶系的重构l微生物代谢工程微生物的破解策略l单酶组分分解

6、反应l游离复合多酶体系l多酶组分协同作用l固定多酶组合构造l生物之间协同作用工程技术措施l单一过程优化l复合过程集成l综合评价标准l精炼方案设计2）技术途径：以植物有效防止微生物及酶降解的抗性屏障为切入点，从宏观（细胞）、微观（大分子）层次分析纳米级生物催化剂在降解过程效率低下的原因出发，研究可能的物理化学预处理途径，使之有利于纳米级酶分子的作用（扩散、持续性降解与酶分子协同作用），同时，加强对微生物降解机理及其多样性、酶系组分协同作用及其合成调控机理的研究，对微生物酶分子和复合酶系进行定向进化或理性改

7、造，加强对纤维降解糖类代谢网络的研究和代谢（进化）工程菌的构建研究，进而将一系列的工程技术手段集成起来，建立起高效的复合生物炼制转化系统。总的技术途径可以用下图表示：天然超分子结构分析抗降解性研究预处理样品结构分析酶解过程构效关系酶系重构研究降解机理研究代谢工程改造代谢网络分析糖化、发酵工程技术研究酶系合成调控研究天然植物生物质预处理的木质纤维素材料纤维水解糖过程耦合集成代谢工程菌株纤维降解酶非酶降解因子高效降解酶系纤维素降解微生物发酵微生物燃料与化学品3)创新点与特色：（1）提出木质纤维素的抗降解性是

8、生物质难以高效转化的核心问题，从纳米尺度和生物降解角度来研究木质纤维素超分子结构；（2）深入研究生物质的微生物降解的多样性，寻找新的生物降解因子，设计出高效的复合生物催化剂；（3）使用分子生物学改造相关的产酶和发酵微生物，设计和构建工程微生物，实现全糖定向生物转化为生物基产品，并使应用生物转化过程的成本及投资明显降低；（4）完成木质纤维素类生物质生物转化技术的优化、耦合和系统集成，为生物质综合生物炼制产业的建立构建理论和实践基础。课题设置课