电发酵系统代谢调控机制与强化污泥酸化产氢烷

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基本信息

  • 批准号:
    31870114
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    59.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    C0106.微生物与环境互作
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

An electro-fermentation system (EFS) is defined as a bioelectrochemical systems (BES) in which EF controls self-driven fermentation. Compared to fermentation, a low current can trigger the fermentation process under unbalanced conditions, and the metabolite spectrum can be controlled by changing NADH/NAD+ balance and selecting specific populations in mixed bacteria electro-fermentation. Electro-fermentation (EF) as an additional tool can regulate any fermentation processes. It is of great theoretical and practical significance to carry out the study on the metabolic regulation mechanism of EF. The purpose of this project is to investigate the effect of interface conditions on the biofilm formation on the electrode surface, determine the interaction of bacteria and electrodes, bacteria and bacteria on the fermentation metabolites, and analyze the microbial community structure and function of the mixed bacteria EFS under different operating conditions. To reveal the mechanism of population interaction, explore the key microbial populations and functional genes related with metabolic regulation in the electrode biofilms and suspensions in EFS using metagenomic technology. The co-culture EFS was constructed based on potential interaction populations. The gene expression differences in co-culture and pure culture in electro-fermentation and fermentation processes will be compared based on transcriptomics and proteomics analyses to reveal the molecular mechanism of direct metabolism regulation of electro-fermentation. Development of a continuous-flow EFS to enhance biohythane production and acidogenesis using waste sludge and starch substrates, and to establish a directional control strategy for EF, which laid the theoretical foundation for the development of large-scale electro-fermentation systems.
电发酵系统是一种自驱动发酵的新型生物电化学系统,相对传发酵低电流可以触发非平衡条件下的发酵过程,通过改变NADH/NAD+平衡和混菌的种群筛选作用控制代谢谱。电发酵作为一个辅加的调控手段可以应用于所有的发酵过程,开展电发酵代谢调控机制研究具有重要理论和现实意义。本课题研究目的是考察界面条件对电极表面生物膜形成的影响,确定细菌与电极、细菌与细菌互作对电发酵代谢产物的影响;解析不同运行条件下混菌电发酵系统的微生物群落结构和功能类群;利用宏基因组学技术揭示电极生物膜和悬浮菌体重要菌群的代谢调控相关功能基因,揭示种群互作机制。基于潜在的互作种群构建共培养电发酵体系,利用转录组学和蛋白质组学比较共培养与纯培养在电发酵和发酵过程的基因表达差异,揭示电发酵代谢调控分子机制。开发连续流电发酵系统,实现强化电发酵污泥和淀粉等底物产酸产氢烷,建立电发酵的定向调控策略,为开发规模化电发酵系统奠定理论基础。

结项摘要

电发酵系统作为一种新兴的生物电化学系统,可以在低电流下调节氧化还原平衡来调节微生物代谢过程,从而实现种群筛选和代谢调控。电发酵作为一个辅助的调控手段可以应用于所有的发酵过程,亟待建立提高电发酵目标产物转化率的定向调控策略,因此开展电发酵代谢调控机制研究具有重要理论和现实意义。本课题考察了界面条件(电极电势,电极材料和不同底物)对电极表面生物膜形成的影响,确定细菌与电极、细菌与细菌互作对电发酵代谢产酸产氢烷的影响;解析不同运行条件下混菌电发酵系统的微生物群落结构和功能类群,探究了微生物电发酵过程种群互作机制;利用宏基因组学技术揭示电极生物膜和悬浮菌体重要菌群的代谢调控相关功能基因,揭示互养互作、呼吸互作及种间电子转移机制;构建纯培养(产氢产乙醇杆菌)和共培养电发酵(产氢产乙醇杆菌和电活性菌)产氢烷体系,利用转录组学比较纯培养与共培养在电发酵和发酵过程的基因表达差异,利用计算机模拟微生物电发酵过程中的生化反应动力学,构建动力学模型,揭示电发酵代谢调控分子机制;开发连续搅拌槽式电发酵反应器强化微生物电发酵污泥产酸产氢烷,优化系统运行条件(底物有机负荷、水力停留时间),实现强化电发酵污泥和厨余垃圾等底物产酸产氢烷,分析连续流电发酵产酸产氢烷系统生物膜和悬浮菌体微生物群落结构和种群互作机制,建立电发酵的定向调控策略,为开发规模化电发酵系统产氢烷奠定理论基础。在Water research,Environmental Science & Technology,Applied Catalysis B: Environmental,Chemical Engineering Journal,Biosensors and Bioelectronics等期刊发表学术论文33篇,其中SCI论文32篇,中文核心论文1篇,获得2020年黑龙江省科学技术一等奖,授权中国发明专利3项。

项目成果

期刊论文数量(32)
专著数量(0)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(0)
专利数量(3)
Insights on acetate-ethanol fermentation by hydrogen-producing Ethanoligenens under acetic acid accumulation based on quantitative proteomics
基于定量蛋白质组学的乙酸积累下产氢乙醇发酵乙酸乙醇的见解
  • DOI:
    10.1016/j.envint.2019.05.013
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Environment International
  • 影响因子:
    11.8
  • 作者:
    Li Huahua;Mei Xiaoxue;Liu Bingfeng;Li Zhen;Wang Baichen;Ren Nanqi;Xing Defeng
  • 通讯作者:
    Xing Defeng
MnO2/tourmaline composites as efficient cathodic catalysts enhance bioelectroremediation of contaminated river sediment and shape biofilm microbiomes in sediment microbial fuel cells
MnO2/电气石复合材料作为有效的阴极催化剂增强了受污染河流沉积物的生物电修复并形成沉积物微生物燃料电池中的生物膜微生物组
  • DOI:
    10.1016/j.apcatb.2020.119331
  • 发表时间:
    2020-12
  • 期刊:
    Applied Catalysis B: Environmental
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Li Wei;Zhu Jiageng;Lou Yu;Fang Anran;Zhou Huihui;Liu Bingfeng;Xie Guojun;Xing Defeng
  • 通讯作者:
    Xing Defeng
Magnet anode enhances extracellular electron transfer and enrichment of exoelectrogenic bacteria in bioelectrochemical systems
磁体阳极增强生物电化学系统中外产电细菌的细胞外电子转移和富集
  • DOI:
    10.1186/s13068-019-1477-9
  • 发表时间:
    2019-05
  • 期刊:
    Biotechnology for Biofuels
  • 影响因子:
    6.3
  • 作者:
    Zhou Huihui;Mei Xiaoxue;Liu Bingfeng;Xie Guojun;Xing Defeng
  • 通讯作者:
    Xing Defeng
Prediction of biogas production from food waste in a continuous stirred microbial electrolysis cell (CSMEC) with backpropagation artificial neural network
利用反向传播人工神经网络预测连续搅拌微生物电解池 (CSMEC) 中食物垃圾产生的沼气
  • DOI:
    10.1007/s13399-020-01179-x
  • 发表时间:
    2021-01
  • 期刊:
    Biomass Conversion and Biorefinery
  • 影响因子:
    4
  • 作者:
    Frank Koblah Quashie;Anran Fang;Li Wei;Felix Tetteh Kabutey;Defeng Xing
  • 通讯作者:
    Defeng Xing
A green strategy from waste red mud to Fe0-based biochar for sulfadiazine treatment by peroxydisulfate activation
过二硫酸盐活化处理磺胺嘧啶的废赤泥转Fe0基生物炭的绿色策略
  • DOI:
    10.1016/j.cej.2022.136944
  • 发表时间:
    2022-05
  • 期刊:
    Chemical Engineering Journal
  • 影响因子:
    15.1
  • 作者:
    Dongmei Ma;Jing Wang;Kun Feng;Bingfeng Liu;Guojun Xie;Defeng Xing
  • 通讯作者:
    Defeng Xing

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其他文献

磷酸盐浓度对产氢细菌Ethanoligenens harbinense YUAN-3生长和产气的影响
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  • 期刊:
    太阳能学报
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    王胜男
木质纤维素生物转化氢气技术及前
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    太阳能学报,2006.27(12)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    任南琪;宋佳秀;邢德峰
  • 通讯作者:
    邢德峰
不同16S rDNA 靶序列对DGGE 分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    环境科学,2006,27(7):163~167
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    任南琪;邢德峰;宋佳秀
  • 通讯作者:
    宋佳秀
The screening of microalgae mutant strain Scenedesmus sp Z-4 with a rich lipid content obtained by Co-60 gamma-ray mutation
Co-60 γ射线突变获得的富含脂质的微藻突变菌株Scenedesmus sp Z-4的筛选
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    RSC ADVANCES
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    刘冰峰;马超;肖若楠;邢德峰;任宏宇;任南琪
  • 通讯作者:
    任南琪
Enhanced lipid productivity of an oleaginous microalgal mutant strain Scenedesmus sp. Z-4 and the underlying differences responsible for its superior lipid accumulation over wild strain Scenedesmus sp. MC-1
产油微藻突变株栅藻的脂质生产力增强。
  • DOI:
    10.1016/j.algal.2019.101618
  • 发表时间:
    2019-09
  • 期刊:
    Algal Research
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    马超;任宏宇;邢德峰;谢国俊;任南琪;刘冰峰
  • 通讯作者:
    刘冰峰

其他文献

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邢德峰的其他基金

基于功能基因组学揭示自凝集产氢细菌代谢调控机制
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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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