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一株同步硝化反硝化菌株的筛选及其生物电化学脱氮性能研究

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南京农业大学学报 2024年

作者：田瑞瑞付欢郑云黄新琦周俊雍晓雨南京工业大学生物与制药工程学院南京师范大学地理科学学院

目的获得具有高效脱氮性能的异养硝化-好氧反硝化(Heterotrophic nitrification - aerobic denitrification，HN-AD)功能菌株，构建生物电化学-同步硝化反硝化(bio-electrochemical systems - simultaneous nitrification and denitrification，BES-SND)耦合系统，实现脱氮效率的提升。方法从活性污泥中筛选HN-AD菌株，鉴定后通过摇瓶试验分析其脱氮性能。然后进一步研究碳源、C/N、溶解氧等外界因素对菌株同步硝化反硝化性能的影响。最后将菌株接种到微生物燃料电池(microbial fuel cells， MFCs)的生物阴极，分析低C/N条件下BES-SND体系的脱氮性能。结果从活性污泥中筛选出一株具有同步硝化反硝化性能的HN-AD菌株，命名为Alcaligenes aquatilis N3。确定该菌株发生SND反应的最适碳源为乙酸钠、C/N为20、溶解氧为3.70 mg·L-1。在BES-SND脱氮体系中，C/N为2、4、6、8时，菌株A. aquatilis N3的TN去除率分别为20.51%、26.67%、37.76%和48.50%。在C/N=2的试验条件下，BES-SND系统的TN去除速率在第5天仍为1.79 mg·L-1·d-1。结论在低碳环境下，A. aquatilis N3菌株依然可以在BES-SND耦合脱氮体系中实现脱氮，降低了脱氮过程对碳源的依赖性，具有一定的实际环境应用潜力。

关键词：同步硝化反硝化异养硝化-好氧反硝化生物电化学低C/N比微生物燃料电池

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新型高丝氨酸脱氢酶的挖掘与改造研究

食品与发酵工业 2024年第12期50卷 9-16页

作者：吴硕黄新燕李梦雅徐宁魏亮刘君中国科学院天津工业生物技术研究所天津300308 河北师范大学生命科学学院河北石家庄050024 南京农业大学生命科学学院江苏南京210000

高丝氨酸脱氢酶(homoserine dehydrogenase,HSD)是L-高丝氨酸和L-苏氨酸等天冬氨酸家族氨基酸生物合成的关键酶,然而由于其活性较低且受到L-苏氨酸等的反馈抑制作用,严重制约了L-高丝氨酸和L-苏氨酸等氨基酸的生物合成水平。该研究通过... 详细信息

高丝氨酸脱氢酶(homoserine dehydrogenase,HSD)是L-高丝氨酸和L-苏氨酸等天冬氨酸家族氨基酸生物合成的关键酶,然而由于其活性较低且受到L-苏氨酸等的反馈抑制作用,严重制约了L-高丝氨酸和L-苏氨酸等氨基酸的生物合成水平。该研究通过数据库检索,挖掘了8个不同来源的高丝氨酸脱氢酶。通过酶活测定分析法发现,来源于二穗短柄草(Brachypodium distachyon)的高丝氨酸脱氢酶BdHSD具有最高的催化活性,达到7.6 U/mg,且不受L-苏氨酸的反馈抑制,其催化最适pH值为10.5,最适催化温度为38℃。随后该研究进一步对BdHSD进行定向进化,提高BdHSD的催化活性。通过多轮筛选获得了3个具有更高催化活性的BdHSD突变体T186A、N283K、A137T/I188V,其中突变体T186A酶活性达到10.3 U/mg,比野生型提高了35.6%。通过L-高丝氨酸发酵分析发现,BdHSD突变体能有效提升L-高丝氨酸的合成水平。综上所述,该研究挖掘和改造了一个具有高效催化特性的高丝氨酸脱氢酶BdHSD,为L-高丝氨酸、L-苏氨酸和L-蛋氨酸等天冬氨酸家族氨基酸的高效生物合成提供了有力的催化元件。

关键词：高丝氨酸脱氢酶酶进化二穗短柄草 L-高丝氨酸抗苏氨酸

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多功能生物材料蛛丝蛋白的一级结构特征和生物合成进展

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生物工程学报 2024年第3期40卷 687-704页

作者：林宝杨熊永吉陈惠宇韦晟楠任芃芃成骋何冰芳南京工业大学生物与制药工程学院江苏南京211800 南京工业大学药学院江苏南京211800

蜘蛛丝是已知复合性能最强的天然纤维,兼具极高的抗拉伸强度与韧性,有着“生物钢”之美誉,且具有优良的生物相容性和形状记忆性能,在生物医药、组织工程等多个领域有着巨大的应用潜力。蜘蛛丝由一类富有结构多样性的高分子蛛丝蛋白所组... 详细信息

蜘蛛丝是已知复合性能最强的天然纤维,兼具极高的抗拉伸强度与韧性,有着“生物钢”之美誉,且具有优良的生物相容性和形状记忆性能,在生物医药、组织工程等多个领域有着巨大的应用潜力。蜘蛛丝由一类富有结构多样性的高分子蛛丝蛋白所组成,天然蛛丝蛋白基因GC含量高、重复核心区氨基酸序列高度重复、特定氨基酸含量高以及分子量大等特点给其异源表达带来了较大的困难。本文重点阐述了蛛丝蛋白重复单元中重复核心区特征基序与其结构、纺丝性能和异源表达之间的相关性。对重组蛛丝蛋白的序列进行优化设计,结合异源表达策略,极大地促进了多功能蛛丝蛋白生物合成的发展。本综述可为重组蛛丝蛋白的理性设计与高效合成提供思路。

关键词：重组蛛丝蛋白序列设计表达策略结构特征分类

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枯草芽孢杆菌NRCB002发酵液的促生效应及高产乙偶姻发酵条件优化

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南京农业大学学报 2024年

作者：李林梅刘柠马长义胡椿李珊珊沈慧高南南京工业大学生物与制药工程学院

[目的] 旨在明确枯草芽孢杆菌发酵液组分对番茄幼苗生长的影响，针对有效代谢产物进行发酵条件优化，为制备高效微生物肥料提供技术支持。[方法] 以枯草芽孢杆菌枯草亚种(Bacillus subtilis subsp. subtilis)NRCB002为供试菌株，通过温... 详细信息

[目的] 旨在明确枯草芽孢杆菌发酵液组分对番茄幼苗生长的影响，针对有效代谢产物进行发酵条件优化，为制备高效微生物肥料提供技术支持。[方法] 以枯草芽孢杆菌枯草亚种(Bacillus subtilis subsp. subtilis)NRCB002为供试菌株，通过温室盆栽试验，明确NRCB002发酵液组分对番茄幼苗生长和根系形态的影响；以NRCB002菌株生长量及代谢产物乙偶姻产量为评价指标，通过单因素优化法确定碳源和氮源的种类、浓度、发酵温度和发酵时间，通过正交试验设计和极差分析优化无机盐成分。[结果] 与去离子水和发酵培养基对照相比，重悬菌液、发酵液上清、发酵液及含乙偶姻的重悬菌液均显著提高了株高、茎粗、叶面积、根冠比、总根长、总根表面积、总根体积、侧根数、地上部和根部的干重；其中，发酵液上清及含乙偶姻的重悬菌液处理的番茄幼苗地上部干重显著高于重悬菌液处理幼苗地上部干重；发酵液上清、发酵液及含乙偶姻的重悬菌液处理的番茄幼苗根部干重显著高于重悬菌液处理幼苗根部干重。NRCB002菌株以80g ·L–1蔗糖为碳源、以25 g·L–1酵母浸粉为氮源时NRCB002的生物量和乙偶姻产量均较高；最优无机盐组合为：KH2PO41.5 g·L–1、MgSO4·7H2O 1.0 g·L–1和MnSO4·H2O 0.2 g·L–1；优选的发酵温度为37 ℃，发酵时间96 h。使用优化后的发酵条件，用1 L摇瓶进行发酵，NRCB002生物量(OD600)为15.70，乙偶姻产量为29.65 g·L–1，分别是初始发酵培养基的3.4倍和11.8倍。[结论] 菌株NRCB002发酵液对番茄的生长具有良好的促生作用，乙偶姻是其发酵液中关键的促生物质；优化后的发酵培养基为：蔗糖80 g·L–1、酵母浸粉为25 g·L–1、KH2PO41.5 g·L–1、MgSO41.0 g·L–1和MnSO4·H2O 0.2 g·L–1；发酵温度37 ℃，发酵时间96 h。可为制备功能稳定的芽孢杆菌类微生物肥料提供一定的借鉴。

关键词：枯草芽孢杆菌植物根际促生菌乙偶姻发酵条件优化微生物肥料

碱金属改性催化剂室温催化甲醛及抑菌性能研究

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化工新型材料 2024年

作者：李慧 Levi Sahaka Gbofuiah 袁庆路范梦婕钱静玉陈英文南京工业大学环境科学与工程学院南京工业大学生物与制药工程学院

甲醛和微生物是典型的室内空气污染物，研究室温下2种污染物的同步去除对于净化室内环境具有重要意义。通过溶胶-凝胶法制备了MnCeZn(记为M)催化剂，并通过碱金属（Ca、Cs、Mg、Li）对其改性，考察了不同碱金属对催化剂室温催化氧化甲... 详细信息

甲醛和微生物是典型的室内空气污染物，研究室温下2种污染物的同步去除对于净化室内环境具有重要意义。通过溶胶-凝胶法制备了MnCeZn(记为M)催化剂，并通过碱金属（Ca、Cs、Mg、Li）对其改性，考察了不同碱金属对催化剂室温催化氧化甲醛及抑菌性能影响，通过扫描电子显微镜、X射线衍射仪等分析了催化剂的形貌和结构。结果表明，当Cs掺杂量为3%(摩尔分数)时，3% Cs-M催化剂表现出最佳的室温催化氧化活性，24 h内甲醛去除率达90%，同时兼有优异的抑制大肠杆菌生长的作用，其抑菌圈直径可达24 mm。掺杂摩尔分数3% 的Cs改变了金属氧化物的分布状态和团聚程度，使3% Cs-M催化剂具有甲醛去除和细菌抑制双重作用。

关键词：甲醛室温催化氧化碱金属抑菌

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产甲烷古菌的分类及代谢途径研究进展

中国生物工程杂志 2024年

作者：任师杰孔令豆刘骏李乐张勍陈集双周俊南京工业大学生物与制药工程学院江西农业大学生物科学与工程学院

产甲烷古菌通常指主要以二氧化碳、乙酸、甲基类化合物（甲基歧化型）作为底物的广古菌门Euryarchaeota中的一类厌氧代谢产甲烷的古核生物。随着全世界的学者对产甲烷古菌进一步研究，陆续发现了氢依赖甲基型产甲烷古菌、专性甲硫醇型... 详细信息

产甲烷古菌通常指主要以二氧化碳、乙酸、甲基类化合物（甲基歧化型）作为底物的广古菌门Euryarchaeota中的一类厌氧代谢产甲烷的古核生物。随着全世界的学者对产甲烷古菌进一步研究，陆续发现了氢依赖甲基型产甲烷古菌、专性甲硫醇型、甲氧基型、烷基型和利用甲烷发酵生长的同时又能产生甲烷的产甲烷古菌等；并且除广古菌门Euryarchaeota外，科学家也陆续在热原体门Thermoplasmatota、奇古菌门Thaumarchaeota和TACK超门中发现了产甲烷古菌。因此产甲烷古菌应定义为以二氧化碳、乙酸、甲基类化合物、甲氧基化合物、烷基类化合物作为底物，广泛分布于广古菌门Euryarchaeota、热原体门Thermoplasmatota、奇古菌门Thaumarchaeota和TACK超门中的一类厌氧代谢产甲烷的古核生物。

关键词：甲烷产甲烷古菌营养类型代谢途径微生物分类

我国设施生态农业主要模式及配套技术的研究与实践

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浙江大学学报（农业与生命科学版） 2024年第2期50卷 149-160页

作者：李萍萍韩建刚陈欣高丽红南京林业大学生态与环境学院江苏南京212013 浙江大学生命科学学院浙江杭州310058 中国农业大学园艺学院北京100193

设施生态农业是指在设施种植和设施养殖中采用清洁、绿色、健康生产方式,以提高资源利用效率、农产品产量与质量、环境效益为目标的生态农业模式。2002年农业部重点推广的设施生态农业模式主要有两大类:一类是种养沼三结合的“四位一体... 详细信息

设施生态农业是指在设施种植和设施养殖中采用清洁、绿色、健康生产方式,以提高资源利用效率、农产品产量与质量、环境效益为目标的生态农业模式。2002年农业部重点推广的设施生态农业模式主要有两大类:一类是种养沼三结合的“四位一体”生态模式,从最初以农户为单位的单体日光温室到以村庄为单位的种养结合生态温室群模式,拓展到在一个大区域内将大型猪场的粪污进行工业化沼气并网发电,沼液通过管道输送到农田来减少化肥施用和改良土壤的宏观生态农业模式,相关的结构配置、配套的种养殖技术和装备也在不断研发和提升中。另一类是采用综合性生态农业技术的设施生态农业模式,包括:采用各类立体/垂直栽培技术提高土地资源利用率;通过各种轮作栽培技术减少设施蔬菜土壤连作障碍和降低农药使用量;采用土壤健康栽培技术,通过有机肥的合理施用改善土壤性状;采用有机基质栽培技术,用农林废弃物发酵后的物料作为栽培基质为作物提供养分;采用覆盖防虫网、色板诱杀、灯光诱杀、高温封棚、蒸气消毒、有色膜覆盖土壤、天敌昆虫生物防治等病虫草害生态防治技术来减少有害生物发生。期望通过相关配套装备技术的进一步研发提高设施生态农业的信息化、自动化水平,实现设施农业的可持续发展。

关键词：设施生态农业 “四位一体”生态模式种养沼结合立体栽培轮作栽培有机基质栽培生态防治

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合成生物学改造酵母驱动丁二酸绿色生物制造

化工学报 2024年第4期75卷 1382-1393页

作者：孙涛孙美莉陆然余一梓王凯峰纪晓俊南京工业大学生物与制药工程学院材料化学工程国家重点实验室江苏南京211816

丁二酸是一种重要的C_(4)平台化合物,采用微生物以可再生生物质资源为原料制造丁二酸具有显著的优势,是当前国内外的研究热点。合成丁二酸的微生物主要包括细菌和酵母两大类,与细菌相比,虽然酵母的丁二酸生产得率低于细菌,但酵母对酸性... 详细信息

丁二酸是一种重要的C_(4)平台化合物,采用微生物以可再生生物质资源为原料制造丁二酸具有显著的优势,是当前国内外的研究热点。合成丁二酸的微生物主要包括细菌和酵母两大类,与细菌相比,虽然酵母的丁二酸生产得率低于细菌,但酵母对酸性等逆境的抗性更强,可以在低pH条件下合成丁二酸,不用添加中和剂,从而使丁二酸的下游纯化过程更简单、成本更低。本文综述了近年来利用酵母类微生物合成丁二酸的研究进展,重点介绍以酿酒酵母、解脂耶氏酵母和东方伊萨酵母为代表的酵母类生产菌株的合成生物学改造策略,在此基础上展望通过构建酵母细胞工厂绿色生物制造丁二酸的未来发展方向。

关键词：酵母丁二酸细胞工厂代谢工程合成生物学生物技术

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微生物电合成转化二氧化碳研究进展

合成生物学 2024年

作者：陈雨张康邱以婧程彩云殷晶晶宋天顺谢婧婧南京工业大学材料化学工程国家重点实验室南京工业大学生物与制药工程学院

为了实现碳中和绿色经济，人们利用生物炼制技术对二氧化碳(CO2)进行转化利用。其中，微生物电合成(MES)是通过电能驱动生物催化剂将CO2转化为化学品的新兴技术。目前MES仍存在微生物固碳效率低、电子传递机制未明确、产品合成速率低、... 详细信息

为了实现碳中和绿色经济，人们利用生物炼制技术对二氧化碳(CO2)进行转化利用。其中，微生物电合成(MES)是通过电能驱动生物催化剂将CO2转化为化学品的新兴技术。目前MES仍存在微生物固碳效率低、电子传递机制未明确、产品合成速率低、反应器元件适用性差等问题，这成为其规模化应用的限制因素。本文基于阴极微生物获得电子的途径，系统地综述了电极、H2、甲酸、CO以及其他电子供体在MES系统内的电子供给机制。通过合成生物学改造电活性微生物的导电纳米线、优化微生物相关氢化酶、甲酸脱氢酶和CO脱氢酶的表达是提高电子传递效率的有效方法。进一步通过阴极修饰，强化微生物-电极间电子传递速率、提高生物相容性，提供更多的还原力有利于高附加值产物的生成。除了增强阴极的电子传递效率，构建具有高效气液固传质和电子传递的反应器、降低阳极电解水电位和调控微生物活性等也被证明是提高MES性能的重要策略。未来需要进一步解析微生物电子传递机制，利用合成生物群落的方式强化MES的性能。并构建更加高效的电极界面，兼顾电子传递速率、底物传质和生物相容性。反应装置放大方面，可通过多种方式的结合来提升电子传递和气体传质，并将产物的分离也融合在一起，推动该技术的进一步发展，为“双碳”目标的实现提供新思路。

关键词：微生物电合成 CO2转化电子传递机制化学品