【正文】 項(xiàng)目名稱：木質(zhì)纖維素資源高效生物降解轉(zhuǎn)化中的關(guān)鍵科學(xué)問題研究首席科學(xué)家：曲音波 山東大學(xué)起止年限：依托部門：教育部 山東省科技廳二、預(yù)期目標(biāo)總體目標(biāo)：提出35套新的木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)生物轉(zhuǎn)化液體燃料和化學(xué)品的生物煉制技術(shù)方案，培養(yǎng)一支高水平的基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)隊伍，最終為在我國建立大規(guī)模利用木質(zhì)纖維素資源轉(zhuǎn)化液體燃料和大宗化學(xué)品的新型工業(yè)體系，實(shí)現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供理論與技術(shù)基礎(chǔ)。五年預(yù)期目標(biāo)：1）通過闡述植物生物質(zhì)抗生物降解的組成和結(jié)構(gòu)特征，建立起改造纖維生物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)以提高降解效率的理論體系；解析預(yù)處理技術(shù)對提高纖維生物質(zhì)降解性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，提出高效、經(jīng)濟(jì)和實(shí)用的預(yù)處理技術(shù)方案；2）研究微生物對天然或預(yù)處理后底物的降解機(jī)理，特別是纖維素解聚機(jī)理、去結(jié)晶化途徑以及提高纖維素酶的持續(xù)化降解能力的途徑等，探討采用現(xiàn)代系統(tǒng)生物技術(shù)，從復(fù)雜纖維質(zhì)降解多酶體系中，篩選和發(fā)現(xiàn)新的高效、耐逆、適合工業(yè)要求的纖維質(zhì)降解酶類；為降解不同的木質(zhì)纖維素資源研制出低成本且高效的復(fù)合酶系；3）選育適于轉(zhuǎn)化纖維質(zhì)糖分為平臺化合物的微生物，研究其代謝調(diào)控機(jī)理與機(jī)制，指導(dǎo)構(gòu)建高效代謝工程菌，研究定向轉(zhuǎn)化平臺化合物的過程及相關(guān)產(chǎn)品的利用途徑；進(jìn)而通過對預(yù)處理、產(chǎn)酶、酶解和發(fā)酵的反應(yīng)動力學(xué)、工程學(xué)和方法論的研究，將預(yù)處理技術(shù)、生物反應(yīng)與分離過程耦合起來，提出新的生物煉制技術(shù)方案。4）從木質(zhì)纖維素生物降解轉(zhuǎn)化角度，構(gòu)建纖維素降解和糖轉(zhuǎn)化利用的數(shù)據(jù)庫，其中包括木質(zhì)纖維素原料組成與結(jié)構(gòu)特征、纖維素降解微生物類群與特性、纖維素酶、半纖維素酶和木素酶及復(fù)合酶系，新型糖代謝的功能微生物等，建立專門的信息共享平臺和網(wǎng)站，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模降解轉(zhuǎn)化木質(zhì)纖維素資源提供理論、技術(shù)和信息支撐。五年的可考核指標(biāo): 提出23種新的高效、低能耗、少抑制物的預(yù)處理方案；篩選到510種新的關(guān)鍵酶或非酶降解因子，構(gòu)建出高效的纖維素降解酶系，使酶解轉(zhuǎn)化率大于90%；使噸乙醇用酶成本從2000元以上降到800元以下；構(gòu)建出能全糖共利用、表達(dá)纖維降解相關(guān)酶組分的統(tǒng)合生物加工工程菌株35株，發(fā)酵性能達(dá)到國際先進(jìn)水平；綜合前述進(jìn)展，設(shè)計出多技術(shù)集成、全組分利用、多產(chǎn)品選擇、經(jīng)濟(jì)上有競爭力的木質(zhì)纖維素生物煉制技術(shù)路線35條；發(fā)表相關(guān)研究論文200篇以上，包括SCI影響因子超過5的論文510篇，總影響因子超過300；三、研究方案1）學(xué)術(shù)思路： 以研究植物木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)對生物降解的抗性屏障及其破解之道為核心，深入研究微生物的多種多樣的降解天然纖維的策略，探索人類干預(yù)生物降解過程，認(rèn)識降解產(chǎn)物的復(fù)雜性，提高其降解轉(zhuǎn)化效率，實(shí)現(xiàn)全部降解糖類的代謝轉(zhuǎn)化，使之轉(zhuǎn)而為人類可持續(xù)發(fā)展服務(wù)的可能途徑。該學(xué)術(shù)思想可以用下圖簡示：物理化學(xué)措施（預(yù)處理技術(shù)）l 蒸汽爆碎l 酸堿處理l 有機(jī)溶劑l 綜合法預(yù)處理l植物的防御屏障l 纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)l 多種高分子聚集l 細(xì)胞壁分層構(gòu)造生物學(xué)措施l 新降解因子發(fā)現(xiàn)l 酶分子設(shè)計改造l 復(fù)合酶系的重構(gòu)l 微生物代謝工程微生物的破解策略l 單酶組分分解反應(yīng)l 游離復(fù)合多酶體系l 多酶組分協(xié)同作用l 固定多酶組合構(gòu)造l 生物之間協(xié)同作用工程技術(shù)措施l 單一過程優(yōu)化l 復(fù)合過程集成l 綜合評價標(biāo)準(zhǔn)l 精煉方案設(shè)計2）技術(shù)途徑： 以植物有效防止微生物及酶降解的抗性屏障為切入點(diǎn)，從宏觀（細(xì)胞）、微觀（大分子）層次分析納米級生物催化劑在降解過程效率低下的原因出發(fā)，研究可能的物理化學(xué)預(yù)處理途徑，使之有利于納米級酶分子的作用（擴(kuò)散、持續(xù)性降解與酶分子協(xié)同作用），同時，加強(qiáng)對微生物降解機(jī)理及其多樣性、酶系組分協(xié)同作用及其合成調(diào)控機(jī)理的研究，對微生物酶分子和復(fù)合酶系進(jìn)行定向進(jìn)化或理性改造，加強(qiáng)對纖維降解糖類代謝網(wǎng)絡(luò)的研究和代謝（進(jìn)化）工程菌的構(gòu)建研究，進(jìn)而將一系列的工程技術(shù)手段集成起來，建立起高效的復(fù)合生物煉制轉(zhuǎn)化系統(tǒng)?？偟募夹g(shù)途徑可以用下圖表示：天然超分子結(jié)構(gòu)分析抗降解性研究預(yù)處理樣品結(jié)構(gòu)分析酶解過程構(gòu)效關(guān)系酶系重構(gòu)研究降解機(jī)理研究代謝工程改造代謝網(wǎng)絡(luò)分析糖化、發(fā)酵工程技術(shù)研究酶系合成調(diào)控研究天然植物生物質(zhì)預(yù)處理的木質(zhì)纖維素材料纖維水解糖過程耦合集成代謝工程菌株纖維降解酶非酶降解因子高效降解酶系纖維素降解微生物發(fā)酵微生物燃料與化學(xué)品3) 創(chuàng)新點(diǎn)與特色： （1）提出木質(zhì)纖維素的抗降解性是生物質(zhì)難以高效轉(zhuǎn)化的核心問題，從納米尺度和生物降解角度來研究木質(zhì)纖維素超分子結(jié)構(gòu)；（2）深入研究生物質(zhì)的微生物降解的多樣性，尋找新的生物降解因子，設(shè)計出高效的復(fù)合生物催化劑；（3）使用分子生物學(xué)改造相關(guān)的產(chǎn)酶和發(fā)酵微生物，設(shè)計和構(gòu)建工程微生物，實(shí)現(xiàn)全糖定向生物轉(zhuǎn)化為生物基產(chǎn)品，并使應(yīng)用生物轉(zhuǎn)化過程的成本及投資明顯降低；（4）完成木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)生物轉(zhuǎn)化技術(shù)的優(yōu)化、耦合和系統(tǒng)集成，為生物質(zhì)綜合生物煉制產(chǎn)業(yè)的建立構(gòu)建理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。課題設(shè)置課題植物生物質(zhì)抗生物降解屏障解析與破解途徑探索研究內(nèi)容：1. 植物纖維類生物質(zhì)抗降解屏障的定量解析高通量、快速纖維生物質(zhì)結(jié)構(gòu)和組成分析。利用近紅外（NIR）結(jié)合GCMS細(xì)胞壁組份分析等技術(shù)建立高通量分析、快速測定生物質(zhì)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的技術(shù)，為明確生物質(zhì)結(jié)構(gòu)和組成與纖維生物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化之間的關(guān)系以及鑒定經(jīng)分子改良的優(yōu)良品系提供便捷的分析手段。2. 植物細(xì)胞壁生物質(zhì)特性與降解轉(zhuǎn)化效率的關(guān)系建立表征細(xì)胞壁超分子組成與結(jié)構(gòu)的方法，測定木質(zhì)纖維素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中基本的物理化學(xué)限制因子；利用木素酶、半纖維素酶、纖維素酶等處理，研究細(xì)胞壁超分子結(jié)構(gòu)中不同組分的構(gòu)效關(guān)系；基于木質(zhì)纖維素超分子結(jié)構(gòu)研究纖維素酶催化過程的定量構(gòu)效關(guān)系，與酶分子催化動力學(xué)過程，基于定向進(jìn)化、定點(diǎn)突變等新技術(shù)提高酶組分的活力。3．預(yù)處理過程中降解屏障的解構(gòu)過程及其優(yōu)化研究預(yù)處理技術(shù)對降解屏障的影響，建立高效打開酶分子通道的可行方案?？疾觳煌A(yù)處理?xiàng)l件下的底物成分變化（如纖維素、半纖維素、木素含量變化）和結(jié)構(gòu)變化（纖維素結(jié)晶度、聚合度變化）以及對可降解性能的影響。探討預(yù)處理過程中發(fā)酵抑制物的生成動力學(xué)。經(jīng)費(fèi)比例：15%承擔(dān)單位：中國科學(xué)院過程工程研究所、山東大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：陳洪章學(xué)術(shù)骨干：趙建、王祿山、邱衛(wèi)華課題木質(zhì)纖維素生物降解多樣性、新降解因子及相關(guān)機(jī)理研究內(nèi)容：1. 結(jié)晶纖維素結(jié)構(gòu)解聚的分子機(jī)理及相關(guān)生物因子的分離鑒定與特征化在生化分離分析的基礎(chǔ)上，通過對特定菌種或群落的不同酶活組分及非酶組分的組合配比，借助蛋白質(zhì)組學(xué)定性和定量分析鑒定技術(shù)，分離鑒定能提高木質(zhì)纖維素協(xié)同酶解活性的關(guān)鍵組分；結(jié)合底物超微結(jié)構(gòu)觀察及酶分子吸附模擬，深入研究闡述酶