近期，学院资源与环境微生物实验室张永奎教授课题组在《Bioresource Technology》、《Carbohydrate Polymers》、《Renewable Energy》等国际知名期刊上发表了多篇有关废弃生物质（餐厨垃圾）生物转化为多糖和油脂的研究论文，分别为“Effect of pretreatment on the enzymatic hydrolysis of kitchen waste for xanthan production”（第一作者：李盼禹， 通讯作者：张永奎；Bioresource Technology，IF=5.651，四川大学B级）、“Biosynthesis of xanthan gum by Xanthomonas campestris LRELP-1 using kitchen waste as the sole substrate” （第一作者：李盼禹，通讯作者：张永奎；Carbohydrate Polymers，IF=4.811）、“Enhanced lipid production and nutrient utilization of food waste hydrolysate by mixed culture of oleaginous yeast Rhodosporidium toruloides and oleaginous microalgae Chlorella vulgaris”（第一作者：曾宇，通讯作者：张永奎；Renewable Energy，IF=4.357）、“Utilization of food waste hydrolysate for microbial lipid and protein production by Rhodosporidium toruloides Y2”（第一作者：曾宇，通讯作者：谢通慧；Journal of Chemical Technology and Biotechnology，IF=3.135）和“Bioconversion of welan gum from kitchen waste by a two-step enzymatic hydrolysis pretreatment”（第一作者：李盼禹，通讯作者：张永奎；Applied Biochemistry and Biotechnology，IF=1.751）。该系列研究系统介绍了餐厨垃圾的高效酸、酶水解过程及预处理影响机制，并利用功能性微生物将其中的有机质高效转化为附加值高的微生物多糖和油脂，揭示了生物转化系统条件调节机制，为废弃生物质的资源化利用、高附加值化学品合成和生物能源发展提供技术和理论基础。
餐厨垃圾是城市固体垃圾的主要组成部分之一，具有高有机含量、高油脂含量、高水分含量和高盐分含量等特性，容易腐烂变质污染水资源和散发恶臭，进而严重影响人们的身体健康和生活质量。传统的餐厨垃圾处理方法，包括填埋、焚烧和直接喂养动物等都容易产生二次污染，并且浪费了餐厨垃圾中的糖类和蛋白质等潜在的生物质资源。而生物法可以较好地利用餐厨垃圾中的有机质，生产附加值较高的化学品，同时兼具废弃物资源化处理和化学品的廉价原料生产两大优点，目前已经受到人们的广泛重视。
在微生物转化之前，一般需要对餐厨垃圾进行水解预处理，使有机营养物质液相转化。由于成分的复杂性，餐厨垃圾的水解率一直不高，严重制约了其资源化处理效率；微生物多糖和油脂是重要的日常化工品和生物柴油前驱体，但是目前的合成方法成本较高或环境危害性较大，严重制约了相关精细化工品生产和新能源的发展。基于此，资源与环境微生物实验室系统研究了餐厨垃圾的水解预处理过程及影响机制，并以功能性微生物为生物转化平台，实现了餐厨垃圾的高效资源化利用。
图1 餐厨垃圾生物转化技术路线图
通过系列研究发现，化学法预处理可以改变餐厨垃圾的特性，提高酶的可及性，进而对随后的酶水解过程产生较大影响，温度越高，影响越大。酸预处理可以对餐厨垃圾中有效物质进行初步水解，释放可溶性还原糖，最终有效提高碳源回收率；碱预处理可以有效提高氮源回收率。采用拟一阶方程对酶水解过程进行动力学分析发现，预处理 (特别是高温碱预处理) 对酶水解的速率常数影响较大，预处理实验组酶水解速率常数达到了2.769 h-1，是未预处理实验组的2.55倍。
课题组以筛选的野油菜黄单胞菌Xanthomonas campestris LRELP-1为多糖生物合成平台，实现了自餐厨垃圾向黄原胶的高效转化（碳源利用率和转化率分别达到了94.82%和67.07%）。以圆红冬孢酵母为油脂生物合成平台，实现了餐厨垃圾向微生物油脂的高效转化（油脂产量7.3 g L-1）。研究发现，微生物产油过程中，传统的单独培养某一种微生物存在一些短板和不足，例如微藻对有机物的去除效果较弱，而酵母对营养盐的去除效率较低。针对这一问题，课题组设计了混合培养策略，耦合不同微生物的作用机制，将有机物和营养盐同时有效地除去。此外，当酵母和微藻在光照条件下混合培养时，会产生协同作用。酵母的氧化代谢能为微藻提供光合作用所需的二氧化碳，同时，微藻的光合作用能消耗这些二氧化碳并为混合培养体系提供氧气，这些氧气又能促进酵母的有氧呼吸。相对单独培养酵母，混合培养的时间缩短了40%，油脂产量提高了12%，氮利用率提高了23%，还原糖利用率提高了17%。证明混合培养策略能增加水解液培养微生物生产油脂的效率。
图2 混合培养策略示意图
该系列研究获得了国家自然科学基金青年科学基金项目（21506132）和四川省应用基础研究项目（2015JY0241）的资助。
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852416314419
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0144861716306804
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960148118304282
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/jctb.5049
https://link.springer.com/article/10.1007/s12010-017-2466-8
资源与环境微生物实验室 供稿
李天友 审核
高敏 编辑
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2018年5月28日
