Məlumat

E. coli -nin xammal ehtiyatlarını dəyişməsi nə qədər çəkir?

E. coli -nin xammal ehtiyatlarını dəyişməsi nə qədər çəkir?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Fermentasiyalarımızla bunun üçün nəzərəçarpacaq dərəcədə vaxt lazım olduğunu görürük E. coli (K12 variantı), amin turşuları üzərində metabolik olaraq düzəldilməkdən metabolik olaraq qlükoza qədər dəyişmək.

Bu cür mikroorqanizmlərin yeni bir yem ehtiyatına uyğunlaşması nə qədər çəkir?


Bu söz mövzusu şərtlərdən asılı olmalıdır, amma düşünürəm ki, çox uzun olmayacaq. E coli üçün bir nəslin müddəti 12 dəqiqə və ya 24 saat ola bilər, beləliklə tipik bir zaman haqqında bir fikir verir.

Ədəbiyyatda bu maraqlı hadisəni tapdım. Onlar aşkar etdilər ki, hətta siz e coli-ni minimum qida maddələrinə məruz qoysanız belə, onlar onları daha zəngin qida qarışığı üçün hazırlayan genləri ifadə edirlər. Bakteriyalar suksinat və ya amin turşuları olan karbohidratlar üçün hazırlanır.

Bu araşdırma, e coli'yi oxumadan əvvəl bir gecədə inkübe etdi, buna görə də bu, 12 saata yaxın bir sərhəd qoyur. Nəticə odur ki, əgər siz bakteriyaları zəngin mediaya köçürsəniz, onların log fazasının böyüməsinə qədər qısa müddət keçə bilər.

Praktikada LB lövhələrindən log faza artımına keçmək ümumiyyətlə 4 saat kimidir. Bu məqalə maraqlı şəkildə göstərir ki, soyuq uyğunlaşan E coli digər mediaya köçür, bir neçə saat ərzində reaksiya verir, lakin bir neçə gün sonra davranış dəyişikliklərini göstərə bilər.

Deyərdim ki, 4 saat tipik bir gözlənti ola bilər. 12 adətən ədəbiyyatda istifadə olunur.


Fəsil 6 Normal flora

Normal Floranın əhəmiyyəti

Normal flora, ev sahibinin anatomiyasına, fiziologiyasına, patogenlərə həssaslığına və xəstələnməsinə təsir göstərir.

Dəri Flora

Dərinin müxtəlif mühiti qram pozitiv orqanizmlərin (məsələn, stafilokoklar, mikrokoklar, difteroidlər) üstünlük təşkil etməsi ilə yerli sıx və ya seyrək populyasiyalarla nəticələnir.

Ağız və yuxarı tənəffüs yollarının florası

Ağız boşluğunda müxtəlif mikrob florası var və diş əti yarığında streptokok anaerobları yaşayır. Farenks üçün giriş və ilkin kolonizasiya nöqtəsi ola bilər Neisseria, Bordetella, Corynebacterium, və Streptokok spp.

Mədə -bağırsaq traktının florası

Mədədəki orqanizmlər adətən keçicidir və populyasiyaları turşuluğa görə aşağı səviyyədə saxlanılır (10 3 - 10 6 /g). Helicobacter pylori müəyyən ülser növlərinin meydana gəlməsində rol oynayan potensial mədə patogenidir. Normal ev sahiblərində duodenal flora seyrəkdir (tərkibində 0-10 3 /g). Bağırsağın tərkibində orta dərəcədə qarışıq bir flora var (tərkibində 10 6-10 10 8 /g). Yoğun bağırsağın florası sıxdır (10 9 - 10 11 /q tərkibi) və əsasən anaeroblardan ibarətdir. Bu orqanizmlər öd turşusunun çevrilməsində və yoğun bağırsaqda K vitamini və ammonyak istehsalında iştirak edirlər. Onlar həmçinin bağırsaq absesi və peritonitə səbəb ola bilər.

Urogenital flora

Vaginal flora fərdin yaşı, vaginal pH və hormon səviyyələri ilə dəyişir. Keçici orqanizmlər (məsələn, Candida spp.) tez -tez vajinitə səbəb olur. Distal uretrada seyrək qarışıq flora var, bu orqanizmlər sidik nümunələrində (10 4 /ml) mövcuddur, əgər təmiz, orta axın nümunəsi alınmazsa.

Konyunktival Flora

Konyunktiva çox az orqanizm saxlayır və ya yoxdur. HemofilStafilokok ən çox aşkar edilən cinslərdəndir.

Ev sahibi infeksiyası

Normal floranın bir çox elementi, xüsusən revmatik ürək xəstəliyi, immunosupressiya, radiasiya müalicəsi, kemoterapi, perforasiya olunmuş selikli qişalar və s. Kimi xəstəliklərə həssas olan ev sahiblərində fürsətçi patogenlər kimi çıxış edə bilər. əhali.


Protein İfadəsi və Arıtma Nüvəsi

Zülal istehsalını sürətləndirmək üçün biz müxtəlif etiketlər və/yaxud birləşmə partnyorları olan müxtəlif vektorlardan və müxtəlif E. coli host suşlarından zülalın paralel ifadə strategiyasını qəbul etmişik. Bu yanaşma bizə çox vaxt qazandırmaqla yanaşı, daha çox sayda uğurla ifadə olunan zülallarla nəticələnməlidir.

İfadə strategiyası aşağıdakı iki təcrübə dəstindən ibarətdir:

1. Fərqli etiketlər və/və ya qaynaşma ortaqları olan müxtəlif vektorlardan olan əsas E. coli ana suşunda bir zülalın ifadəsi.

İlk ekranımız, dəyişdirilmiş pET-vektorlarından BL21 (DE3) -də bir zülalı aşağıdakı etiketlər və birləşmə ortaqları seçimi ilə ifadə etməkdir:

Etiket qaynaşma tərəfdaşı
N-terminal His6-tag
N-terminal His6-etiket tioredoksin
N-terminal His6-etiket glutatyon-S-transferaza (GST)
N-terminal Onun6-etiket maltoza bağlayan zülal (MBP)
N-terminal Onun6-etiket disulfid oksidoreduktaza (DsbA)
N-terminal His6-tag NusA
C-terminal Onun6-etiket

2. Standart vektordan bir zülalın bir çox fərqli ifadəsi E. coli ev sahibi suşlar.

Ev sahibi ştammların seçimi daha çox heteroloji zülalın təbiətindən asılıdır. Aşağıdakı mülahizələr nəzərə alınmalıdır:

  • Zülal çox miqdarda varsa nadir E. coli kodonlar, bu nadir kodonların tRNA-larını birlikdə ifadə edən bir gərginlikdə ifadə etməyə çalışmağa dəyər. Ticarətdə bir neçə növ var:
  • Zülal bir və ya daha çox ehtiva edərsə disulfid bağları, daha çox oksidləşdirici sitoplazmik mühit ilə ev sahibi suşda düzgün qatlanma stimullaşdırılır. Novagen -dən satışda iki növ mövcuddur:

  • Əgər protein olarsa Toksik hüceyrəyə, ifadəni ehtiva edən bir gərginlik pLysS və ya pLysE vektor istifadə edərək ifadə sistemlərinin tənzimlənməsini sərtləşdirir T7 promouteri. Bu vektorlar T7 RNT polimerazanı bağlayan və təsirsiz hala gətirən lizozimi ifadə edir. Suşlar müxtəlif istehsalçılardan ticari olaraq mövcuddur.

İlk ekranımız dəyişdirilmiş pET-vektordan bir zülal ifadə etməkdir N-terminal Onun6-etiket aşağıdakı host suşlarında:

Host gərginliyi
BL21 (DE3)
BL21 (DE3) pLysS
BL21 (DE3) CodonPlus-RIL (-RP) və ya Rosetta (DE3)
Origami (DE3)

Fərqli vektorlardan və fərqli suşlardan ifadə səviyyələrinin və zülalların çözünürlüğünün sürətli bir şəkildə taranması üçün maqnit boncuklarında xromatoqrafiya istifadə edərək kiçik miqyaslı bir üsul hazırladıq.

İlk ekranın nəticələri, qənaətbəxş ifadə şərtləri tapılmadığı təqdirdə, başqa təcrübələr üçün bir başlanğıc nöqtəsi olacaq. İfadə səviyyələrini necə optimallaşdırmaq, zülal həllini artırmaq, zülal stabilliyini artırmaq və protein toksisitesini azaltmaq bu veb səhifənin digər fəsillərində müzakirə olunacaq.

İfadə üsulu

Tipik bir ifadə təcrübəsi aşağıdakı addımdan ibarətdir:

  • seçilməsi a tək koloniya rekombinant vektoru ehtiva edən ifadə sahibinin təzə zolaqlı lövhəsindən. Heteroloji zülal hüceyrələr üçün toksik olduqda, "plating" adlanan üsuldan istifadə etməklə daha yüksək ifadə səviyyələri əldə edilir.
  • Yetişən a başlanğıc mədəniyyəti. Seçilmiş koloniya ilə 50 ml-ə qədər zəngin mühitə (məsələn LB və ya 2xYT) uyğun antibiotik ehtiva edir. Daha böyük bir başlanğıc kulturası lazım olduqda, tək koloniya ilə 4 ml zəngin medianı 4-8 saat ərzində 37 ° C-də aşılayın və bundan başlanğıc mədəniyyətini aşılamaq üçün istifadə edin.

Mədəniyyətlərin bir gecədə 37 ° C-də böyüməsinə icazə verməyin! Gecə mədəniyyətlərini 30 ° C və ya daha aşağı temperaturda yetişdirmək daha yaxşıdır. Alternativ olaraq, kültür 37 ° C'de OD'ye qədər inkübe edilə bilər600 təqribən 1. Sonra mədəniyyəti 4 ° C -də bir gecədə saxlayın. Ertəsi gün səhər saatlarında hüceyrələri santrifüj edərək toplayın, təzə bir mühitdə yenidən süspansiyon halına salın və əsas mədəniyyəti aşılamaq üçün istifadə edin.

Ampisilinin istifadəsi xüsusi diqqət tələb edir. Seçilən marker, b -laktamaz, bütün ampisilini hidroliz etdiyi mühitə salınır. Mədəniyyət çətin ki, bulanıq olduqda bu nöqtəyə çatır. Bundan sonra, plazmid olmayan hüceyrələr öldürülməyəcək və mədəniyyəti böyüdə bilər (bu, plazmid sabitlik testi ilə sınaqdan keçirilə bilər). Bəzi mümkün həllər bunlardır:

  • 30 ° C və ya daha aşağı bir gecədə mədəniyyət yetişdirin.
  • b -laktamazanı çıxarmaq üçün bir gecədə mədəniyyətləri döndərin və pelleti təzə mühitdə yenidən dayandırın.
  • daha stabil istifadə edin karbenisilin ampisilin əvəzinə.
  • Əsas mədəniyyətin aşılanması və inkubasiya OD -ə qədər600 0.4-1-ə çatır. Optimal OD dəyəri mədəniyyət üsulundan və mühitdən asılıdır. LB-orta istifadə edən balon kulturaları üçün OD600-nin 0.6 tövsiyə olunur. Artım sürətini artırmaq üçün induksiya üçün OD-yə çatana qədər 37 ° C-də mədəniyyətləri həyata keçiririk. Sonra mədəniyyətlər buzlu suda induksiya temperaturuna qədər soyudulur.

Qeyd: Yaxşı havalandırma üçün, daha çox orta istifadə etməyin 20% balonun ümumi həcminin.

  • İndüksiyon protein ifadəsi. Protein ifadəsi, uyğun induktorun əlavə edilməsi və ya böyümə şərtlərinin dəyişdirilməsi ilə ortaya çıxır. Bu andan etibarən hüceyrələr resurslarının çoxunu hədəf zülalın istehsalı üçün istifadə edəcək və daha çox böyüməyəcəklər.

Ən çox istifadə edilən promotorlar üçün induksiya şərtləri aşağıda verilmişdir.

Promoter induksiya tipik vəziyyət diapazon
trc (hibrid) IPTG -nin əlavə edilməsi 0,2 mm 0.05 - 2.0 mm
araBAD l-arabinozun əlavə edilməsi 0.2% 0.002 - 0.4 %
PL temperaturun dəyişməsi 37 ilə 42 ° C arasında
T7-lac operator IPTG əlavə 0,2 mm 0,05 -2,0 mM

İndüksiyondan sonra mədəniyyətlər, induksiya temperaturundan asılı olaraq 3 saatdan bir gecəyə qədər inkübe edilir. Bələdçi xətləri aşağıda verilmişdir.


İçindəkilər

Ümumiyyətlə, zülallar az-çox səthində metal ionlarını əlaqələndirmək qabiliyyətinə malikdirlər və onların yaxınlıq fərqindən istifadə edərək zülalları xromatoqrafiya ilə ayırmaq mümkündür. Bu, 1975-ci ildə elan edilmiş immobilizə edilmiş metal ionlarına yaxınlıq xromatoqrafiyasıdır. [2] Sonrakı tədqiqatlar zülalları təşkil edən amin turşuları arasında histidinin metal ionları ilə koordinat bağında güclü iştirak etdiyini aşkar etdi. [3] Buna görə də, gen mühəndisliyi ilə zülalın sonuna bir sıra histidinlər əlavə olunarsa, zülalın metal ionuna yaxınlığı nəzərəçarpacaq dərəcədə artır və əsas fikir təmizlənmənin asanlıqla həyata keçirilə biləcəyidir. His-etiketinə malik olan bir protein, nikel kimi bir metal ionunun pH 8 və ya daha yüksək bir vəziyyətdə immobilizasiya edildiyi bir daşıyıcı ilə təmasda olduqda, histidin qalığı metal ionunu çelatlayır və daşıyıcıya bağlanır. Digər zülallar daşıyıcıya bağlanmadığından və ya çox zəif birləşdiyindən, daşıyıcını müvafiq tamponla yumaqla çıxarmaq olar. Bundan sonra, daşıyıcıdan imidazol və ya oxşar maddələri çıxarmaqla, His-taqına malik olan zülalın yüksək saflıqda bərpası mümkündür.

Praktiki seçim Redaktə edin

Operator Redaktəsi

Bazarda Ni - NTA agaroza (nikel - nitrilotriasetik turşu) kimi müxtəlif daşıyıcılar var. Bir sütuna yığılır və bir test borusunda mərkəzdənqaçma və maqnit ayırma ilə birlikdə istifadə olunur.

Metal ionları Redaktə edin

Metal ionu olaraq mis ən yüksək yaxınlığa malikdir və yaxınlıq nikel, sink və kobalt sırasına görə azalır [ sitat lazımdır ]. Nikel tez -tez adi məqsədlər üçün istifadə olunur və təmizlənmənin saflığını artırmaq istədikdə kobalt istifadə olunur.

Təmizləmə üsulu

His-etiketli zülalın daşıyıcıdan ayrılması üçün aşağıdakı kimi bir çox üsul var və o, məqsədə uyğun olaraq düzgün istifadə olunacaq. Zülalların denaturasiyasının qarşısını almaq üçün mümkün qədər yumşaq olması arzu edilir və imidazolun əlavə edilməsi bu baxımdan tez -tez istifadə olunur.

Edit analoqları ilə rəqabət

Histidin qalıqlarına bənzər bir quruluşa malik olan bir birləşmə yüksək konsentrasiyada əlavə edildikdə, protein metal ionunun koordinasiyası ilə rəqabət aparır, beləliklə protein daşıyıcıdan ayrılır. İmidazol, histidinin yan zəncirini təşkil edən bir birləşmədir və tez -tez 150 mM və ya daha çox konsentrasiyada istifadə olunur. Bundan əlavə, bəzi hallarda histidin və histamin istifadə edilə bilər.

PH Düzəlişində azalma

PH azaldıqda, histidin qalığı protonlanır və artıq metal etiketini koordinasiya edə bilmir, bu da zülalın ayrılmasına imkan verir. Nikel metal ionu kimi istifadə edildikdə, təxminən 4 -də, kobalt isə 6 -da süzülür.

Metal ionlarının çıxarılması Redaktə edin

Güclü bir şelatlaşdırıcı maddə əlavə edildikdə, daşıyıcıda immobilizasiya olunmuş metal ionu itdiyindən protein daşıyıcıdan ayrılır. EDTA yalnız istifadə olunur.

Zülalların təmizlənməsi Redaktə edin

Polihistidin etiketləri tez-tez polihistidin etiketli rekombinant zülalların yaxınlıq təmizlənməsi üçün istifadə olunur. Escherichia coli [4] və digər prokaryotik ifadə sistemləri. Bakterial hüceyrələr mərkəzdənqaçma yolu ilə toplanır və nəticədə meydana gələn hüceyrə pelleti ya fiziki vasitələrlə, ya da lizozim və ya bunların hər hansı bir birləşməsi kimi yuyucu vasitələr və fermentlər vasitəsi ilə parçalanır. Bu mərhələdə xam lizat bakteriya sahibindən yaranan bir çox digər zülallar arasında rekombinant zülal ehtiva edir. Bu qarışıq, müxtəlif növlərdə satılan, bağlanmış iki valentli nikel və ya kobalt ionları olan bir yaxınlıq qatranı ilə inkübe edilir. Nikel və kobalt oxşar xüsusiyyətlərə malikdir və bitişik olduqları üçün 4 keçid metalları (v. dəmir üçlüyü). Bu qatranlar ümumiyyətlə polihistidin etiketinin bağladığı kobalt üçün iminodiasetik turşu (Ni-IDA) və nitrilotriasetik turşu (Ni-NTA) və kobalt üçün karboksil-metil aspartat (Co-CMA) kimi bir şelatla işlədilən sefaroz/agarozdur. mikromolyar yaxınlıq ilə. Ernst Hochuli və başqaları. 1987-ci ildə NTA ligand və Nikel-ionlarını agaroz muncuqlarına bağladı. [5] Daha sonra kobalt və ya nikel ionu ilə xüsusi olaraq qarşılıqlı əlaqədə olmayan zülalları çıxarmaq üçün qatran fosfat tamponu ilə yuyulur. Ni əsaslı üsullarla, 20 mM imidazolun əlavə edilməsi ilə yuma səmərəliliyi artırıla bilər (zülallar adətən 150-300 mM imidazol ilə ayrılır). Ümumiyyətlə, nikel əsaslı qatranlar daha yüksək bağlama qabiliyyətinə malikdir, kobalt əsaslı qatranlar isə ən yüksək saflığa malikdir. Zülalın saflığı və miqdarı SDS-PAGE və Western blotting ilə qiymətləndirilə bilər. [ sitat lazımdır ]

Polihistidin etiketindən istifadə edərək qohumluq təmizlənməsi, rekombinant zülal prokaryotik orqanizmlərdə ifadə edildikdə ümumiyyətlə nisbətən saf zülalla nəticələnir. Protein qarşılıqlı təsirini öyrənmək üçün zülal komplekslərinin təmizlənməsi də daxil olmaqla aşağı axın tətbiqlərindən asılı olaraq, mayalar və ya digər eukariotlar kimi yüksək orqanizmlərdən təmizlənmə daha yüksək saflıq əldə etmək üçün iki etiketdən istifadə edərək tandem yaxınlığın təmizlənməsini [6] tələb edə bilər. Alternativ olaraq, nikel ionlarından daha çox immobilizasiya edilmiş kobalt ionlarından istifadə edərək bir mərhələli təmizləmə ümumiyyətlə saflıq baxımından əhəmiyyətli bir artım təmin edir və etiketli zülalın ayrılması üçün daha aşağı imidazol konsentrasiyalarını tələb edir.

Polihistidin etiketləmə, denatürasiya şəraitində rekombinant zülalların təmizlənməsi üçün seçim variantıdır, çünki onun hərəkət rejimi yalnız zülalların əsas quruluşundan asılıdır. Məsələn, bir rekombinant zülal zorla ifadə edildikdə belə E. coli bir inklüzyon bədəni istehsal edir və həll olunan bir protein olaraq əldə edilə bilməz, karbamid və ya guanidin hidroklorid ilə denaturasiya ilə təmizlənə bilər. Ümumiyyətlə, bu cür texnika üçün histidin bağlanması imidazol bağlaması əvəzinə pH istifadə edərək titrlənir - yüksək pH-da, histidin nikel və ya kobalta bağlanır, lakin aşağı pH-da (

nikel üçün 4), histidin protonlaşır və metal ionu ilə rəqabət aparır. Bunu antikorların təmizlənməsi və GST təmizlənməsi ilə müqayisə edin, bunun üçün ilkin şərt zülalların düzgün (doğma) qatlanmasıdır. Digər tərəfdən, Onun etiketinin digər yaxınlıq etiketlərinə nisbətən daha çox birləşməyə və həll olunmağa meylli olduğu deyilir.

Polihistidin etiket sütunları çirk kimi tanınmış bir neçə zülalı saxlayır. Onlardan biri 25kDa (SlyD) ətrafında görünən FKBP tipli peptidil proliil izomerazdır. Çirklər ümumiyyətlə ikincil bir xromatoqrafiya texnikası və ya rekombinant zülalın SlyD çatışmazlığı ilə ifadə edilməsi ilə aradan qaldırılır. E. coli gərginlik. [7] Alternativ olaraq, nikel əsaslı kobalt əsaslı qatranlarla müqayisədə SlyD ilə daha az yaxınlıq var. E. coli, lakin bir sıra hallarda orta dərəcədə faydalıdır. [8]

Birini iki polihistidin etiketindən ayıraraq Düzəliş edin

Müxtəlif sayda polihistidin etiketləri olan zülallar nikel-yaxınlıq qatranından fərqli olaraq ayrılır. Tək heksahistidin etiketi olan zülallar üçün 75 mM imidazol Ni-NTA-dan, iki heksahistidin etiketli zülallar üçün elüsyon üçün 100 mM imidazol tələb olunur. [ sitat lazımdır ] Bu addım-addım elüsyon, müəyyən bir heteromultimerlər kimi bir qarışıqdan xüsusi protein birləşmələrini təcrid etmək üçün istifadə edilə bilər (məsələn, yalnız B alt biriminin polihistidin etiketi varsa, AA və BB homodimerləri daxil olan bir qarışıqdan AB heterodimeri). Belə bir yanaşma monovalent streptavidinin təcridində istifadə edilmişdir. [9]

Məcburi təhlillər Redaktə edin

Polihistidin etiketlənməsi, aşağı çəkilən bir analiz kimi zülal-protein qarşılıqlı təsirlərini aşkar etmək üçün istifadə edilə bilər. Bununla belə, bu texnika ümumiyyətlə daha az həssas sayılır və bu texnikanın bəzi daha incə tərəfləri ilə məhdudlaşır. Məsələn, azaldıcı şərtlərdən istifadə edilə bilməz, EDTA və bir çox növ yuyucu vasitələrdən istifadə edilə bilməz. İkili qütbləşmə interferometriyasında son nailiyyətlər EDTA və reagentlərin daha geniş istifadəsinə uyğundur və bu cür sahəyə aid etiketlərin istifadəsi əlaqəli konformasiya dəyişikliyinin birbaşa ölçülməsini xeyli asanlaşdırır. [ sitat lazımdır ]

Floresan etiketləri Redaktə edin

Hexahistadine CyDye etiketləri də hazırlanmışdır. Polihistidin etiketinə yapışan boyalar yaratmaq üçün fluoroforlara bağlı olan EDTA qruplarına nikelin kovalent koordinasiyasından istifadə edirlər. Bu texnikanın protein miqrasiyasını və insan alverini izləmək üçün təsirli olduğu sübut edilmişdir. Bu texnikanın Flüoresan Rezonans Enerji Transferi vasitəsilə məsafəni ölçmək üçün təsirli ola biləcəyini göstərən son kəşflər də olmuşdur. [10]

Fluorohistidin etiketləri Düzəliş edin

Bir polifluorohistidin etiketi istifadə üçün bildirildi in vitro tərcümə sistemləri. [11] Bu sistemdə, histidinin 4-fluorohistidin ilə əvəz olunduğu genişlənmiş bir genetik kod istifadə olunur. Ftorlu analoq, histidin-tRNA ligazanın rahatlaşdırılmış substrat spesifikliyi ilə peptidlərə daxil edilir və ümumi pK-ni azaldır.a etiketin. Bu, yuma tamponlarının pH -nı dəyişdirərək ənənəvi polihistidin etiketlərinin kompleks qarışıqlarının iştirakı ilə polifluorohistidin etiketli peptidlərin seçici şəkildə zənginləşdirilməsinə imkan verir.

Ən çox yayılmış polihistidin etiketləri altı histidin (6xHis etiketi) qalığından əmələ gəlir - bunlar N-terminusdan əvvəl Metionin və ya C-terminusdan əvvəl dayanma kodonundan əvvəl, maraq doğuran zülalın kodlaşdırma ardıcıllığında əlavə olunur. His-teqinin əlavə olunduğu ucun seçimi əsasən zülalın xüsusiyyətlərindən və etiketi çıxarmaq üçün seçilmiş üsullardan asılı olacaq. Bəzi uclar zülal nüvəsinin içərisində basdırılır, digərləri isə protein funksiyası və ya quruluşu üçün vacibdir.Bu vəziyyətdə seçim digər tərəfdən məhdudlaşır. Digər tərəfdən, mövcud ekzopeptidazaların əksəriyyəti His-teqini yalnız N-terminusdan çıxara bilər, C-terminusundan etiketin çıxarılması digər üsulların istifadəsini tələb edəcəkdir. Nəzərə almaq vacibdir ki, kompüter simulyasiyası (molekulyar dinamika ilə) sizə variantlar arasında seçim etməyə kömək edəcək, məsələn, His-teq həzm edilməli və ya N- və ya C-terminalına uyğunlaşdırılmalıdır. [12]

Polihistidin əlavə etməyin iki yolu var. Ən sadə, proteini kodlayan DNT-ni His-etiketini kodlayan bir vektora daxil etməkdir ki, avtomatik olaraq uclarından birinə yapışdırılsın (Şəkilə baxın). Başqa bir üsul, etiketlənəcək zülalı kodlayan DNT -nin bir ucundan bir neçə (16 və ya daha çox) baza əlavə olaraq START və ya STOP kodonlarının yanında təkrarlanan histidin kodonları (CAT və ya CAC) olan primerlərlə PCR etməkdir. Aşağıdakı primer nümunəsinə baxın). [ sitat lazımdır ]

PCR istifadə edərək 6xHis-teq əlavə etmək üçün hazırlanmış primer nümunəsi. Altı histidini kodlayan on səkkiz əsas START kodonundan dərhal sonra və ya STOP kodonundan dərhal əvvəl daxil edilir. His-etiketinin yanında maraq geninə xas ən az 16 bazaya ehtiyac var. 6 His ilə, protein əlavə 1 kDa molekulyar ağırlığa sahib olacaq. Çox vaxt polihistidin etiketinin etiketlənən zülalın fəaliyyətinə təsir göstərməsinin qarşısını almaq üçün maraqlandıran zülal ilə 6 His etiketi arasında bağlayıcı (məsələn, gly-gly-gly və ya gly-ser-gly) yerləşdirilir. [ sitat lazımdır ]

Polihistidin etiketi həmçinin anti-polihistidin-teq antikorları vasitəsilə və ya alternativ olaraq metal ionları olan flüoresan zondlarla geldaxili rəngləmə (SDS-PAGE) vasitəsilə zülalı aşkar etmək üçün istifadə edilə bilər. Bu, hüceyrədaxili lokalizasiya, ELISA, qərb ləkələnməsi və ya digər immunoanalitik metodlarda faydalı ola bilər. [ sitat lazımdır ]

Polihistidin etiketi nikel və ya kobaltla örtülmüş mikrotitr lövhəsi və ya zülal massivi kimi səthlərdə zülalların immobilizasiyası üçün uğurla istifadə edilə bilər. [13]

HQ etiketini redaktə edin

HQ etiketində alternativ histidin və glutamin (HQHQHQ) var.

HN etiketi Redaktə edin

HN etiketi alternativ histidin və asparagine (HNHNHNHNHNHN) malikdir və yalnız histidin etiketlərindən daha çox zülal səthində təqdim oluna bilər. HN etiketi, immobilizasiya edilmiş metal ionuna Onun etiketindən daha səmərəli şəkildə bağlanır. [14]

HAT etiketi Redaktə edin

HAT etiketi, toyuq laktat dehidrogenazadan törədilmiş bir peptid etiketidir (KDHLIHNVHKEEHAHAHNK) və onun etiketinə nisbətən yük paylanmasında heç bir önyargı olmayan həll olunan bir zülaldır. [15] HAT etiketində histidinlərin düzülüşü His etiketi ilə müqayisədə yüksək əlçatanlığa imkan verir və o, hərəkətsizləşdirilmiş metal ionuna effektiv şəkildə bağlanır.


İçindəkilər

Proses 1946-cı ildə Coşua Lederberq və Edvard Tatum [9] tərəfindən kəşf edilmişdir.

  1. Donor hüceyrə pilus istehsal edir.
  2. Pilus alıcı hüceyrəyə bağlanır və iki hüceyrəni bir araya gətirir.
  3. Mobil plazmid bağlanır və bir DNT zəncirindən sonra alıcı hüceyrəyə ötürülür.
  4. Hər iki hüceyrə də ikiqat zəncirli dairəvi plazmid istehsal etmək üçün tamamlayıcı bir tel sintez edir və eyni zamanda hər iki hüceyrə də F-faktoru üçün canlı donordur. [1]

F-plazmid, təxminən 100 kb uzunluğunda bir epizomdur (homoloji rekombinasiya yolu ilə özünü bakterial xromosoma inteqrasiya edə bilən bir plazmid). O, replikasiyanın öz mənşəyini daşıyır oriV, və köçürmənin mənşəyi və ya oriT. [4] Müəyyən bir bakteriyada F-plazmidinin yalnız bir nüsxəsi ola bilər, sərbəst və ya inteqrasiya olunmuş və bir nüsxəyə sahib olan bakteriyalar deyilir. F-müsbət və ya F-plus (F + işarəsi). F plazmidləri olmayan hüceyrələrə deyilir F-mənfi və ya F-mənfi (F - ) və bu kimi alıcı hüceyrələr kimi fəaliyyət göstərə bilər.

Digər genetik məlumatlar arasında, F-plazmid a daşıyır tratrb birlikdə təxminən 33 kb uzunluğunda olan və təxminən 40 gendən ibarət olan lokus. The tra lokus daxildir pilin hüceyrə səthində pili meydana gətirən gen və tənzimləyici genlər. Lokusa F - bakteriyalarının səthinə yapışan və konjugasiyanı başlatan zülalların genləri də daxildir. Konyuqasiyanın dəqiq mexanizmi ilə bağlı bəzi mübahisələr olsa da, görünür ki, pili DNT mübadiləsinin baş verdiyi strukturlar deyil. Pilusun təmas etməsinə icazə verildiyi, lakin sonra SDS ilə denatüre edildiyi və DNT transformasiyası hələ də davam etdiyi təcrübələrdə göstərilmişdir. Üçün kodlanmış bir neçə zülal tra və ya trb lokusun bakteriyalar arasında bir kanal açdığı görünür və pilusun dibində yerləşən traD fermentinin membran birləşməsini başlatdığı düşünülür.

Konjugasiya bir siqnalla başladıqda rahatlamaq ferment konyuqativ plazmidin zəncirlərindən birində nick yaradır. oriT. Relaksaza tək başına və ya kollektiv olaraq a kimi tanınan bir çox zülal kompleksində işləyə bilər relaxosome. F-plazmid sistemində relaksaza fermenti TraI adlanır və relaksozom TraI, TraY, TraM və inteqrasiya olunmuş ana faktor IHF-dən ibarətdir. Zədələnmiş ip və ya T-strand, sonra kəsilməmiş ipdən ayrılır və 5'-terminaldan 3'-terminus istiqamətində alıcı hüceyrəyə köçürülür. Qalan zəncir ya konyuqativ təsirdən asılı olmayaraq təkrarlanır (vegetativ replikasiya oriV) və ya konyuqasiya ilə birlikdə (lambda faqının yuvarlanan dairə təkrarlanmasına bənzər konyuqativ replikasiya). Uğurlu köçürmə baş verməzdən əvvəl konyuqativ replikasiya ikinci nik tələb edə bilər. Son hesabatda bu ikinci nicking hadisəsinin ara addımını təqlid edən kimyəvi maddələrlə birləşmənin qarşısını aldığı iddia edilir. [10]

Əgər köçürülən F-plazmid daha əvvəl donor genomuna inteqrasiya olunmuşsa (Hfr suşu ["Yüksək Rekombinasiya Tezliyi"] istehsal edirsə), donorun xromosom DNT-nin bir hissəsi də plazmid DNT ilə köçürülə bilər. [3] Köçürülən xromosom DNT -nin miqdarı iki konjuge bakteriyanın nə qədər təmasda qalmasından asılıdır. Ümumi laboratoriya ştammlarında E. coli bütün bakterial xromosomun köçürülməsi təxminən 100 dəqiqə çəkir. Transfer edilən DNT daha sonra homolog rekombinasiya yolu ilə alıcı genomuna inteqrasiya oluna bilər.

İnteqrasiya edilməmiş F-plazmidləri olan populyasiya hüceyrələrini ehtiva edən hüceyrə mədəniyyəti adətən plazmidlərini təsadüfən birləşdirmiş bir neçə hüceyrəni də ehtiva edir. Bu cür mədəniyyətlərdə baş verən aşağı tezlikli xromosom gen transferlərinə cavabdeh olan bu hüceyrələrdir. İnteqrasiya edilmiş F-plazmidi olan bakteriyaların bəzi suşları təcrid oluna və təmiz mədəniyyətdə yetişdirilə bilər. Belə suşlar xromosom genlərini çox səmərəli şəkildə köçürdükləri üçün onlara deyilir Hfr (huigh ftələbi rekbinasiya). The E. coli genom, konjugasiya prosesində müxtəlif Hfr hüceyrələrinin 100 dəqiqədən az sonra alıcılardan kəsildiyi kəsilmiş cütləşmə təcrübələri ilə əvvəlcə xəritələndi (əvvəlcə Waring blenderindən istifadə edərək). Sonra köçürülən genlər araşdırıldı.

F-plazmidin inteqrasiyasından bəri E. coli xromosom nadir kortəbii bir hadisədir və DNT köçürülməsini təşviq edən çoxsaylı genlər bakteriya genomunda deyil, plazmid genomunda olduğundan, konjugativ bakteriya gen transferinin olduğu kimi irəli sürüldü. E. coli Hfr sistemi, bakterial ev sahibinin təkamül uyğunlaşması deyil və ehtimal ki, eukaryotik cinsin əcdadı deyil. [13]

Spontan ziqogenez E. coli

Klassik bakteriya konjugasiyasına əlavə olaraq E. coli, spontan ziqogenez (qısaca Z-çiftləşmə) adlanan konjuqasiya forması bəzi növlərdə müşahidə olunur. E. coli. [6] Z-çiftləşmədə tam genetik qarışma baş verir və fenotipik haploid hüceyrələri atan qeyri-sabit diploidlər əmələ gəlir, onlardan bəziləri valideyn fenotipini, bəziləri isə əsl rekombinantlardır.

Konjugasiya Mikobakteriya smegmatisdaxil olmaq kimi E. coli, donor və alıcı ştamm arasında sabit və uzunmüddətli əlaqə tələb edir, DNaz-a davamlıdır və köçürülmüş DNT homoloji rekombinasiya yolu ilə alıcı xromosomuna daxil edilir. Ancaq fərqli olaraq E. coli Hfr konjugasiyası, mikobakterial konjugasiya plazmid əsaslı deyil, xromosomdur. [7] [8] Bundan başqa, fərqli olaraq E. coli Hfr konjuqasiyası, in M. smegmatis xromosomun bütün bölgələri müqayisə olunan effektivliklə köçürülür. Donor seqmentlərinin uzunluqları çox dəyişir, lakin orta uzunluğu 44,2 kb təşkil edir. Orta hesabla 13 traktın ötürüldüyünə görə, hər bir genom üçün ötürülən DNT-nin orta cəmi 575 kb təşkil edir. [8] Bu prosesə "Distributive conjugal transfer" deyilir. [7] [8] Qrey və b. [7] konjugasiya nəticəsində valideyn genomlarının əhəmiyyətli dərəcədə qarışdığını tapdılar və bu qarışığı cinsi çoxalmanın meiotik məhsullarında müşahidə olunanları xatırladan hesab etdilər.

Azot fiksasiyası ilə əlaqəli bakteriyalar Rizobiya krallıqlar arası birləşmənin maraqlı bir nümunəsidir. [14] Məsələn, şiş əmələ gətirən (Ti) plazmidi Aqrobakteriya və kök şiş əmələ gətirən (Ri) plazmid A. rizogenlər bitki hüceyrələrinə keçə bilən genləri ehtiva edir. Bu genlərin ifadəsi bitki hüceyrələrini təsirli olaraq afin istehsal edən fabriklərə çevirir. Opinlər bakteriyalar tərəfindən azot və enerji mənbəyi olaraq istifadə olunur. Yoluxmuş hüceyrələr tac öd və ya kök şişləri əmələ gətirir. Ti və Ri plazmidləri bakteriyaların endosimbiontlarıdır və bu da yoluxmuş bitkinin endosymbionts (və ya parazitləri) olur.

Ti və Ri plazmidləri də bir sistem istifadə edərək bakteriyalar arasında ötürülə bilər travə ya transfer, operon) krallıqlar arası köçürmə üçün istifadə olunan sistemdən fərqli və müstəqildir virvə ya virulentlik, operon). Bu cür köçürmələr əvvəllər avirulent suşlardan virulent suşlar yaradır.

Konjugasiya, genetik materialı müxtəlif hədəflərə ötürmək üçün əlverişli bir vasitədir. Laboratoriyalarda, bakteriyalardan mayaya, [15] bitkilərə, məməlilər hüceyrələrinə, [16] [17] diatomlara [18] və təcrid olunmuş məməlilər mitokondriyasına uğurlu köçürmələr bildirilmişdir. [19] Konjugasiyanın, hədəfin hüceyrə zərfinin minimal pozulması və nisbətən çox miqdarda genetik material ötürmə qabiliyyəti də daxil olmaqla digər genetik köçürmə formalarına nisbətən üstünlükləri vardır (yuxarıdakı müzakirəyə baxın) E. coli xromosom köçürülməsi). Bitki mühəndisliyində, Aqrobakteriya-kimi konjugasiya tütün mozaika virusu (TMV) kimi digər standart vasitələri tamamlayır. TMV bir çox bitki ailəsinə yoluxma qabiliyyətinə malik olsa da, bunlar əsasən otsulu dikotlardır. Aqrobakteriyabənzər konjugasiya ilk növbədə dikotlar üçün istifadə olunur, lakin monokot alıcıları nadir deyil.


İçindəkilər

Selülozik etanol, bitki kütləsinin çox hissəsini təşkil edən və əsasən selüloz, hemiselüloz və lignindən ibarət olan struktur material olan lignoselülozdan istehsal olunan bir bioyanacaq növüdür. Populyar lignosellüloz mənbələrinə həm kənd təsərrüfatı tullantıları məhsulları (məsələn, qarğıdalı və ya odun cipsi), həm də keçid otu və miscanthus növlər. [1] Etanol istehsalı üçün bu xammalın bol və müxtəlif olması üstünlüyünə malikdir və daha çox istifadə edilən qarğıdalı və qamış şəkərindən fərqli olaraq qida istehsalı ilə rəqabət aparmayacaqdır. [2] Bununla birlikdə, şəkər monomerlərinin adətən fermentasiya yolu ilə etanol istehsal etmək üçün istifadə olunan mikroorqanizmlərin istifadəsinə verilməsi üçün daha çox işləmə tələb olunur ki, bu da sellüloz mənşəli etanolun qiymətini artırır. [3]

Sellülozik etanol, yenidən formullaşdırılmış benzinlə müqayisədə istixana qazı emissiyalarını 85% azalda bilər. [4] Əksinə, proses üçün enerji təmin etmək üçün təbii qazdan ən çox istifadə edən nişasta etanol (məsələn, qarğıdalıdan), nişasta əsaslı xammalın necə istehsal olunduğundan asılı olaraq istixana qazı emissiyalarını ümumiyyətlə azaltmaya bilər. [5] 2011-ci ildə Milli Elmlər Akademiyasına görə, lignoselülozik biokütləni yanacağa çevirmək üçün ticarət baxımından yararlı bir bio-emal zavodu yoxdur. [6] Tənzimləmə ilə tələb olunan miqdarda sellülozlu etanol istehsalının olmaması Amerika Birləşmiş Ştatlarının Kolumbiya Dairəsi üzrə Apellyasiya Məhkəməsinin 25 yanvar 2013-cü ildə elan etdiyi qərarın əsasını təşkil etdi və bu qərarla ABŞ-da avtomobil və yük maşını yanacağı istehsalçılarına qarşı qoyulan tələbi ləğv etdi. Amerika Birləşmiş Ştatları Ətraf Mühitin Mühafizəsi Agentliyi tərəfindən məhsullarına selülozik bioyanacaqların əlavə edilməsi tələb olunur. [7] Bu məsələlər, bir çox digər çətin istehsal problemləri ilə birlikdə, Corc Vaşinqton Universitetinin siyasət tədqiqatçılarını "qısa müddətdə [selülozik] etanolun bir benzin alternativinin enerji təhlükəsizliyi və ətraf mühit məqsədlərinə cavab verə bilməyəcəyini" söyləməyə vadar etdi. [8]

Fransız kimyaçı Henri Braconnot, 1819 -cu ildə kükürd turşusu ilə işlənərək selülozun şəkərlərə hidroliz oluna biləcəyini kəşf edən ilk adam idi. İlk kommersiyalaşdırılmış etanol istehsalı 1898 -ci ildə Almaniyada başladı, burada turşu selülozun hidrolizi üçün istifadə edildi. ABŞ -da Standard Alcohol Company 1910 -cu ildə Cənubi Karolinada ilk selülozik etanol istehsal fabrikini açdı. Daha sonra Luizianada ikinci bir fabrik açıldı. Lakin hər iki zavod Birinci Dünya Müharibəsindən sonra iqtisadi səbəblərə görə bağlandı. [10]

Ağacdan etanolun əldə edilməsi prosesini kommersiyalaşdırmaq üçün ilk cəhd 1898-ci ildə Almaniyada edilib. O, sellülozu qlükozaya hidroliz etmək üçün seyreltilmiş turşunun istifadəsini nəzərdə tuturdu və 100 kq ağac tullantısına 7,6 litr etanol istehsal edə bildi (18 ABŞ gal (68 L) ton). Almanlar tezliklə biokütlənin hər tonu üçün təxminən 50 ABŞ qallon (190 L) məhsuldarlıq üçün optimallaşdırılmış sənaye prosesi hazırladılar. Bu proses tezliklə Birinci Dünya Müharibəsi zamanı cənub-şərqdə fəaliyyət göstərən iki ticarət zavodu ilə nəticələnən ABŞ-a yol tapdı. Bu bitkilər "Amerika Prosesi" adlanan bir mərhələli seyreltilmiş kükürd turşusu hidrolizindən istifadə etdilər. Məhsulun orijinal alman prosesinin yarısı (50 tona qarşı 25 ABŞ qallon (95 L) etanol) olmasına baxmayaraq, Amerika prosesinin məhsuldarlığı daha yüksək idi. Taxta istehsalında azalma I Dünya Müharibəsinin bitməsindən qısa müddət sonra zavodları bağlamağa məcbur etdi. Bu arada, USFS-nin Meşə Məhsulları Laboratoriyasında seyreltilmiş turşunun hidrolizi ilə bağlı kiçik, lakin davamlı tədqiqatlar davam etdirildi. [11] [12] [13] İkinci Dünya Müharibəsi zamanı ABŞ bu dəfə sintetik kauçuk istehsal etmək üçün butadienə çevrilmək üçün yenidən sellülozlu etanola müraciət etdi. Vulcan Mis və Təchizat Şirkəti, talaşları etanola çevirmək üçün bir zavodun inşası və istismarı üçün müqavilə bağladı. Zavod Meşə Məhsulları Laboratoriyası tərəfindən hazırlanmış orijinal Alman Scholler prosesinə edilən dəyişikliklərə əsaslanırdı. Bu zavod quru ton başına 50 ABŞ gal (190 L) etanol məhsuldarlığına nail oldu, lakin hələ də gəlirli olmadı və müharibədən sonra bağlandı. [14]

Son iyirmi ildə ferment texnologiyalarının sürətli inkişafı ilə turşu hidroliz prosesi tədricən enzimatik hidrolizlə əvəz olundu. Hemiselülozun hidrolizi (ayrılması) üçün xammalın kimyəvi ilkin təmizlənməsi tələb olunur, beləliklə onu daha effektiv şəkildə şəkərə çevirmək olar. Seyreltilmiş turşu əvvəlcədən hazırlanması, USFS -in Meşə Məhsulları Laboratoriyasında ağacın turşu hidrolizi üzərində aparılan erkən işlərə əsaslanaraq hazırlanmışdır. Bu yaxınlarda, Meşə Məhsulları Laboratoriyası, Viskonsin -Madison Universiteti ilə birlikdə ağac selülozunun güclü enzimatik hidrolizi üçün lignoselülozun rekalsitansını aradan qaldırmaq üçün bir sulfit ön müalicəsi hazırladı. [15]

23 Yanvar 2007 -ci il tarixli ABŞ Konqresində ABŞ Prezidenti Corc Buş 35 milyard ABŞ galonu (130 × 10) üçün təklif olunan mandatı elan etdi. ^ 2017-ci ilə qədər 9 L) etanol. O ilin sonunda, ABŞ Energetika Nazirliyi odun cipsi, keçid otu və sitrus qabığı kimi qeyri-ənənəvi mənbələrdən etanol istehsalına başlamağa yönəlmiş 385 milyon dollar qrant verdi. [16]

Bioloji bir yanaşma istifadə edərək etanol istehsalının mərhələləri bunlardır: [17]

  1. Ağac və ya saman kimi liqnoselülozik materialı hidrolizə davamlı etmək üçün "əvvəlcədən müalicə" mərhələsi
  2. Molekulları şəkərlərə parçalamaq üçün selülozun hidrolizi (selüloliz).
  3. Şəkər məhlulunun mikrob fermentasiyası
  4. Saf spirt istehsal etmək üçün distillə və susuzlaşdırma

2010-cu ildə, selüloz həzm edən öz fermentlərini istehsal etmək üçün genetik olaraq hazırlanmış bir maya növü hazırlanmışdır. [18] Bu texnologiyanın sənaye səviyyəsinə qaldırıla biləcəyini düşünsək, həm tələb olunan vaxtı, həm də istehsal xərclərini azaldaraq bir və ya bir neçə selüloz mərhələsini ortadan qaldıracaq. [ sitat lazımdır ]

Lignoselüloz ən bol bitki materialı olmasına baxmayaraq, sərt quruluşu ilə istifadəsini məhdudlaşdırır. Nəticədə, sellülozu liqnin möhüründən və onun kristal quruluşundan azad etmək üçün onu sonrakı hidroliz mərhələsi üçün əlçatan etmək üçün effektiv ilkin müalicə tələb olunur. [19] Bu günə qədər əksər ilkin müalicələr fiziki və ya kimyəvi vasitələrlə həyata keçirilir. Daha yüksək məhsuldarlıq əldə etmək üçün həm fiziki, həm də kimyəvi olaraq əvvəlcədən müalicə edilməlidir. Fiziki ilkin müalicə frezeleme və ya ekstruziya kimi mexaniki emal üsulları ilə biokütlə hissəciklərinin ölçüsünün azaldılmasını əhatə edir. Kimyəvi əvvəlcədən müalicə lignoselülozu qismən depolimerləşdirir, beləliklə fermentlər mikrob reaksiyaları üçün selüloza daxil ola bilirlər. [20]

Kimyəvi əvvəlcədən işləmə üsullarına turşu hidrolizi, buxar partlaması, ammonyak lifinin genişlənməsi, orqanosolv, sulfitlə əvvəlcədən işləmə, [15] AVAP® (SO2-etanol-su) fraksiyalanması, [21] qələvi nəmli oksidləşmə və ozonun əvvəlcədən işlənməsi daxildir. [22] Sellülozun təsirli şəkildə azad edilməsinin yanında, ideal bir ön emal, sonrakı hidroliz və fermentasiya addımlarını maneə törədə bildikləri üçün parçalanma məhsullarının meydana gəlməsini minimuma endirməlidir. [23] İnhibitorların olması, lazımi detoksifikasiya addımları səbəbiylə etanol istehsalının dəyərini daha da çətinləşdirir və artırır. Məsələn, turşu hidrolizi, ehtimal ki, ən qədim və ən çox öyrənilmiş ilkin müalicə üsulu olsa da, furfural və hidroksimetilfurfural da daxil olmaqla bir neçə güclü inhibitor istehsal edir. [24] Ammonyak Fiber Genişlənməsi (AFEX) heç bir inhibitor istehsal etməyən perspektivli bir ön müalicə nümunəsidir. [25]

Əksər əvvəlcədən müalicə prosesləri, meşə biokütləsi kimi yüksək lignin tərkibli xammal ehtiyatlarına tətbiq edildikdə təsirli olmur. Bunlar alternativ və ya xüsusi yanaşmalar tələb edir. Organosolv, SPORL ('lignosellülozun yenidən hesablanmasını aradan qaldırmaq üçün sulfitlə əvvəlcədən işləmə') və SO2-etanol-su (AVAP®) prosesləri, xüsusən də yumşaq ağac növləri üçün, meşə biokütləsi üçün 90% -dən çox sellüloza çevrilməsini təmin edə bilən üç prosesdir. SPORL, çox aşağı fermentasiya inhibitorları istehsal edən meşə biokütləsinin əvvəlcədən təmizlənməsi üçün ən enerjiyə qənaət edən (vahid enerji istehlakı başına şəkər istehsalı) və güclü bir prosesdir. Organosolv pulpa xüsusilə sərt ağaclar üçün təsirlidir və seyreltmə və çöküntü ilə hidrofob lignin məhsulunun asanlıqla bərpasını təklif edir.[26] </ref> AVAP® prosesi bütün növ liqnoselülozikləri təmiz yüksək həzm olunan sellüloza, parçalanmamış hemiselüloz şəkərləri, reaktiv liqnin və liqnosulfonatlara effektiv şəkildə fraksiyalaşdırır və kimyəvi maddələrin səmərəli bərpası ilə xarakterizə olunur. [27] [28]

Selülolitik prosesləri redaktə edin

Selülozun hidrolizi (selüloz) spirtə fermentləşdirilə bilən sadə şəkərlər istehsal edir. İki əsas selüloliz prosesi var: turşulardan istifadə edilən kimyəvi proseslər və ya selülazlardan istifadə edən fermentativ reaksiyalar. [17]

Kimyəvi hidroliz Redaktə edin

19-cu əsrdə və 20-ci əsrin əvvəllərində inkişaf etdirilən ənənəvi üsullarda hidroliz sellülozaya turşu ilə hücum edərək həyata keçirilir. [29] Seyreltilmiş turşu yüksək istilik və yüksək təzyiq altında və ya daha çox konsentratlaşdırılmış turşu daha aşağı temperaturda və atmosfer təzyiqində istifadə edilə bilər. Turşu və şəkərin kristallaşmış sellüloz qarışığı, fərdi şəkər molekullarını (hidroliz) tamamlamaq üçün suyun iştirakı ilə reaksiya verir. Bu hidrolizdən əldə edilən məhsul daha sonra zərərsizləşdirilir və etanol istehsal etmək üçün maya fermentasiyası istifadə olunur. Qeyd edildiyi kimi, seyreltilmiş turşu prosesinə əhəmiyyətli bir maneə hidrolizin o qədər sərt olmasıdır ki, fermentasiyaya mane ola biləcək zəhərli parçalanma məhsulları istehsal olunur. BlueFire Renewables konsentratlaşdırılmış turşudan istifadə edir, çünki o, demək olar ki, çoxlu fermentasiya inhibitoru istehsal etmir, lakin kommersiya baxımından cəlbedici olması üçün təkrar emal üçün şəkər axınından ayrılmalıdır [məsələn, hərəkət edən yatağın xromatoqrafiyasının simulyasiyası]. [ sitat lazımdır ]

Kənd Təsərrüfatı Tədqiqat Xidmətinin alimləri buğda samanında qalan şəkərlərin demək olar ki, hamısını əldə edə və fermentləşdirə bildiklərini tapdılar. Şəkərlər bitkinin hüceyrə divarlarında yerləşir və onları parçalamaq çox çətindir. Elm adamları bu şəkərlərə daxil olmaq üçün buğda samanı qələvi peroksidlə əvvəlcədən müalicə etdilər və sonra hüceyrə divarlarını parçalamaq üçün xüsusi fermentlərdən istifadə etdilər. Bu üsul hər ton buğda samanı üçün 93 ABŞ qallon (350 L) etanol istehsal etdi. [30]

Enzimatik hidroliz Redaktə edin

Selüloz zəncirləri selülaza fermentləri tərəfindən qlükoza molekullarına parçalana bilər. Bu reaksiya, fermentlərin mikroblar tərəfindən istehsal edildiyi iribuynuzlu heyvanların mədələrində bədən istiliyində meydana gəlir. Bu proses, bu çevrilmənin müxtəlif mərhələlərində bir neçə fermentdən istifadə edir. Bənzər bir enzimatik sistemdən istifadə edərək, liqnoselülozik materiallar nisbətən mülayim şəraitdə (50 °C və pH 5) enzimatik olaraq hidrolizə edilə bilər, beləliklə, fermentin fəaliyyətini maneə törədən əlavə məhsullar əmələ gəlmədən sellülozun effektiv parçalanmasına imkan verir. Seyreltilmiş turşu da daxil olmaqla bütün əsas əvvəlcədən müalicə üsulları, etanol fermentasiyası üçün yüksək şəkər verimi əldə etmək üçün enzimatik bir hidroliz mərhələsi tələb edir. [25]

Mantar fermentləri selülozu hidroliz etmək üçün istifadə edilə bilər. Xammalı (tez-tez ağac və ya saman) hidrolizə uyğun hala gətirmək üçün hələ də əvvəlcədən işlənməlidir. [31] 2005 -ci ildə Iogen Coroporation, göbələkdən istifadə edərək bir proses hazırladığını elan etdi Trichoderma reesei Enzimatik bir hidroliz prosesi üçün "xüsusi olaraq hazırlanmış fermentlər" ifraz etmək. [32]

Digər Kanadalı şirkət SunOpta, texnologiyasını Luiziana ştatının Jenningsdəki Verenium (keçmiş Celunol Corporation), İspaniyanın Salamancadakı Abengoa'nın təsisinə və Zhaodongdakı China Resources Alkol Korporasiyasına verərək, buxar partlayışından əvvəl müalicə edir. CRAC istehsal müəssisəsi xammal kimi qarğıdalı çubuqlarından istifadə edir. [33]

Mikrobiyal fermentasiya Redaktə edin

Ənənəvi olaraq çörək mayası (Saccharomyces cerevisiae), uzun müddət pivə sənayesində heksozlardan (altı karbonlu şəkərlər) etanol istehsal etmək üçün istifadə edilmişdir. Liqnoselüloz biokütləsində mövcud olan karbohidratların mürəkkəb təbiətinə görə, hidrolizatın tərkibində əhəmiyyətli miqdarda ksiloza və arabinoza (liqnoselülozun hemiselüloz hissəsindən əldə edilən beş karbonlu şəkərlər) də mövcuddur. Məsələn, qarğıdalı bibərinin hidrolizatında ümumi mayalanan şəkərlərin təxminən 30% -ni ksiloz təşkil edir. Nəticədə, fermentasiya edən mikroorqanizmlərin hidrolizatdan əldə edilən bütün şəkərlərdən istifadə etmək qabiliyyəti sellülozlu etanolun və potensial bioəsaslı zülalların iqtisadi rəqabət qabiliyyətini artırmaq üçün çox vacibdir. [ sitat lazımdır ]

Son illərdə, yanacaq etanol istehsalında istifadə olunan mikroorqanizmlər üçün metabolik mühəndislik əhəmiyyətli bir inkişaf göstərdi. [34] Bundan başqa Saccharomyces cerevisiaekimi mikroorqanizmlər Zymomonas mobilisEscherichia coli selülozik etanol istehsalı üçün metabolik mühəndislik yolu ilə hədəf alınmışdır. Alternativ fermentasiya orqanizminə cazibə onun yem ehtiyatının məhsuldarlığını yaxşılaşdıran beş karbon şəkərini mayalandırmaq qabiliyyətidir. Bu qabiliyyət çox vaxt bakteriya [35] əsaslı orqanizmlərdə olur. [ sitat lazımdır ]

Son zamanlarda, hazırlanmış mayalar ksilozu [36] [37] və arabinozanı [38] və hətta hər ikisini birlikdə səmərəli şəkildə fermentasiya etdikləri təsvir edilmişdir. [39] Maya hüceyrələri, yüz illərdir biotexnologiyada istifadə edildikləri, yüksək etanol və inhibitor konsentrasiyalarına tolerant olduqları və bakterial çirklənməni azaltmaq üçün aşağı pH dəyərlərində böyüyə bildikləri üçün sellülozik etanol prosesləri üçün xüsusilə cəlbedicidir. [ sitat lazımdır ]

Birləşdirilmiş hidroliz və fermentasiya Redaktə edin

Bəzi bakteriya növlərinin bir selüloz substratını etanola çevirə biləcəyi təsbit edildi. Bir misaldır Clostridium thermocellum, sellülozu parçalamaq və etanolu sintez etmək üçün mürəkkəb sellülozomdan istifadə edir. Bununla belə, C. termocellum etanola əlavə olaraq asetat və laktat da daxil olmaqla selüloz mübadiləsi zamanı digər məhsullar istehsal edərək prosesin səmərəliliyini azaldır. Bəzi tədqiqat işləri, etanol istehsal yoluna diqqət yetirən genetik mühəndis bakteriyalar tərəfindən etanol istehsalının optimallaşdırılmasına yönəldilmişdir. [40]

Qazlaşdırma prosesi (termokimyəvi yanaşma) Redaktə edin

Qazlaşdırma prosesi selüloz zəncirinin kimyəvi parçalanmasına (selüloz) əsaslanmır. Selülozanı şəkər molekullarına parçalamaq əvəzinə, xammaldakı karbon, qismən yanma miqdarından istifadə edərək sintez qazına çevrilir. Karbonmonoksit, karbon dioksid və hidrogen daha sonra xüsusi bir fermentləşdiriciyə verilə bilər. Maya ilə şəkər mayalanması əvəzinə bu proses istifadə olunur Clostridium ljungdahlii bakteriya. [41] Bu mikroorqanizm karbonmonoksit, karbon qazı və hidrogen udacaq və etanol və su istehsal edəcək. Beləliklə, prosesi üç mərhələyə bölmək olar:

    -Kompleks karbon əsaslı molekullar karbon monoksit, karbon dioksid və hidrogen olaraq karbonu əldə etmək üçün parçalanır
  1. Fermentasiya - karbonmonoksit, karbon qazı və hidrogeni etanola çevirin Clostridium ljungdahlii orqanizm
  2. Distillə - Etanol sudan ayrılır

Bu yaxınlarda edilən bir araşdırma başqa bir şey tapdı Clostridium karbon monoksitdən etanol hazırlamaqda yuxarıda göstəriləndən iki qat daha təsirli görünən bir bakteriya. [42]

Alternativ olaraq, qazlaşdırmadan gələn sintez qazı, termokimyəvi bir proses vasitəsilə etanol və digər daha yüksək spirtlər istehsal etmək üçün istifadə edildiyi bir katalitik reaktora verilə bilər. [43] Bu proses, Montrealda yerləşən Enerkem şirkəti tərəfindən Westbury, Quebecdəki müəssisələrində uğurla nümayiş etdirilən alternativ bir konsepsiya olan digər maye yanacaq növləri də yarada bilər. [44]

Həm selüloz, həm də hemisellülozun etanola çevrilməsi üçün iqtisadi üsullar hazırlamaq üçün işlər intensiv şəkildə aparılır. Sellüloza hidrolizatının əsas məhsulu olan qlükozanın etanola fermentasiyası artıq qurulmuş və səmərəli üsuldur. Bununla birlikdə, hemisellüloz hidrolizatın pentoz şəkəri olan ksilozanın çevrilməsi, xüsusən də qlükoza varlığında məhdudlaşdırıcı bir faktordur. Üstəlik, hemisellüloz selülozik etanol istehsalının səmərəliliyini və iqtisadi səmərəliliyini artıracağı üçün bunu göz ardı etmək olmaz. [45]

Sakamoto (2012) və başqaları. gen mühəndisliyi mikroblarının hemisellüloz fermentlərini ifadə etmək potensialını göstərir. Tədqiqatçılar aşağıdakıları bacaran rekombinant Saccharomyces cerevisiae ştammı yaratdılar:

  1. hüceyrə səthində endoksilanazanın codisplaying yolu ilə hemisellülazanı hidroliz edir,
  2. ksiloz reduktaza və ksilitol dehidrogenazın ifadəsi ilə ksilozu assimilyasiya edin.

Ştam düyü samanı hidrolizatını hemiselülozik komponentləri olan etanola çevirə bilmişdir. Üstəlik, etanol istehsal etmək üçün hüceyrə səthi mühəndisliyinin yüksək təsirli bir prosesini göstərən nəzarət suşundan 2,5 qat daha çox etanol istehsal edə bildi. [45]

Etanol yanacağının ümumi üstünlükləri Edit

Etanol benzindən daha təmiz və daha səmərəli yanır. [46] [47] Bitkilər böyüdükcə karbon dioksidi istehlak etdiyinə görə, bioetanol qalıq yanacaqlardan daha az karbon izinə malikdir. [48] ​​Etanolun neftlə əvəz edilməsi bir ölkənin neft idxalından asılılığını da azalda bilər. [49]

Sellülozik etanolun qarğıdalı və ya şəkər əsaslı etanol üzərində üstünlükləri Edit

ABŞ Ətraf Mühitin Mühafizəsi Agentliyi
Həyat dövrü GHG emissiyalarının azaldılması nəticələri
müxtəlif zaman üfüqü və diskont dərəcəsi yanaşmaları üçün [50]
(torpaqdan istifadənin dolayı təsirləri daxildir)
Yanacaq yolu 100 il +
2% endirim
dərəcəsi
30 il +
0% endirim
dərəcəsi
Qarğıdalı etanol (təbii qaz quru dəyirmanı) (1) -16% +5%
Qarğıdalı etanol (Ən yaxşı halda NG DM) (2) -39% -18%
Qarğıdalı etanol (kömür quru dəyirmanı) +13% +34%
Qarğıdalı etanol (biokütlə quru dəyirmanı) -39% -18%
Qarğıdalı etanol (biokütlə quru dəyirman
birləşdirilmiş istilik və güc)
-47% -26%
Braziliya şəkər qamışı etanol -44% -26%
Keçid otundan selülozik etanol -128% -124%
Qarğıdalı sobasından selülozlu etanol -115% -116%
Qeydlər: (1) Quru dəyirman (DM) bitkiləri bütün nüvəni üyüdür və ümumiyyətlə istehsal edir
yalnız bir əsas birgə məhsul: həll olunan taxıllar (DGS).
(2) Ən yaxşı halda bitkilər, nəm distillə taxıllarının birgə məhsulunu istehsal edir.

Qarğıdalı və şəkər qamışından fərqli olaraq qida istehsalı ilə rəqabət aparmayan sellülozik etanolun kommersiya istehsalı bu qida bitkilərinə olan təzyiqi azaldacağı üçün çox cəlbedici olardı.

Emal xərcləri daha yüksək olsa da, sellüloz biokütləsinin qiyməti taxıl və ya meyvədən daha ucuzdur. Üstəlik, sellüloza bitkilərin əsas komponenti olduğundan, yalnız meyvə və ya toxum deyil, bütün bitki yığıla bilər. Bu, daha yaxşı məhsul verir, məsələn, keçid otu hər hektardan qarğıdalıdan iki qat daha çox etanol verir. [51] Selüloz istehsalı üçün biokütlə materialları gübrə, herbisidlər kimi daha az giriş tələb edir və onların geniş kökləri torpağın keyfiyyətini yaxşılaşdırır, eroziyanı azaldır və qida tutmasını artırır. [52] [53] Selülozlu etanolun ümumi karbon izi və qlobal istiləşmə potensialı xeyli aşağıdır (diaqrama bax) [54] [55] [56] və xalis enerji çıxışı qarğıdalı əsaslı etanoldan bir neçə dəfə yüksəkdir.

Potensial xammal da çoxdur. Dünyada yaranan məişət tullantılarının təxminən 44% -i qida və göyərtidən ibarətdir. [57] Təkcə ABŞ-da hər il etanol yaratmaq üçün istifadə oluna bilən 323 milyon ton sellüloza tərkibli xammal atılır. Buraya 36,8 milyon quru ton şəhər ağac tullantıları, 90,5 milyon quru ton ilkin dəyirman qalıqları, 45 milyon quru ton meşə qalıqları və 150,7 milyon quru ton qarğıdalı və buğda samanı daxildir. [58] Üstəlik, hətta kənd təsərrüfatı üçün marjinal torpaqlar da selüloz istehsal edən bitkilərlə, məsələn, çəmənliklərlə əkilə bilər, nəticədə ABŞ-a bütün cari neft idxalını əvəz etmək üçün kifayət qədər məhsul əldə edilir. [59]

Kağız, karton və qablaşdırma qlobal məişət tullantılarının təxminən 17%-ni təşkil edir [57], baxmayaraq ki, bunların bir hissəsi təkrar emala göndərilir. Bu məhsullar selüloz ehtiva etdiyindən, parçalanma zamanı güclü bir istixana qazı olan metan istehsalının qarşısını alan selülozik etanola [58] çevrilirlər. [60]

Ümumi çatışmazlıqlar Redaktə edin

Etanol yanacağının əsas ümumi çatışmazlığı benzinə nisbətən daha aşağı yanacaq qənaətidir. [49]

Qarğıdalı və ya şəkər əsaslı etanol üzərində selülozik etanolun dezavantajları

Selülozlu etanolun əsas çatışmazlığı onun yüksək qiyməti və istehsalının mürəkkəbliyidir ki, bu da onun kommersiyalaşdırılmasına əsas maneə olmuşdur (aşağıya bax). [61] [62]

Qlobal bioetanol bazarı böyük olsa da (2019-cu ildə təxminən 110 milyard litr), böyük əksəriyyəti sellülozadan deyil, qarğıdalı və ya şəkər qamışından hazırlanır. [63] 2007 -ci ildə selülozik mənbələrdən etanol istehsalının dəyəri təxminən təxmin edildi. Qallon üçün 2,65 ABŞ dolları (litr üçün 0,58 avro), qarğıdalıdan alınan etanoldan təxminən 2-3 dəfə bahadır. [64] Bununla birlikdə, selülozik etanol bazarı nisbətən kiçik olaraq qalır və dövlət subsidiyalarına güvənir. [62] ABŞ hökuməti əvvəlcə 2011-ci ildəki 1 milyard litrdən 2022-ci ildə 60 milyard litrə qədər tədricən yüksələn selülozlu etanol hədəflərini təyin etdi. [65] Bununla belə, bu illik hədəflərdən, demək olar ki, hər zaman bu hədəflərə çatmaq şansının olmadığı aydın olduqdan sonra imtina edildi. onları. [61] Selülozik etanol istehsal edən zavodların əksəriyyəti 2010-cu illərin əvvəllərində ləğv edilmiş və ya tərk edilmişdi. [62] [66] DuPont, General Motors və BP tərəfindən tikilən və ya maliyyələşdirilən zavodlar, digərləri arasında bağlandı və ya satıldı. [67] 2018 -ci ildən etibarən ABŞ -da yalnız bir böyük bitki qalıb. [62]

Geniş miqyaslı istehsalda yetişdirilməsi üçün sellüloza biokütləsi kənd təsərrüfatı torpaqlarının mövcud istifadələri ilə, əsasən də bitkiçilik məhsullarının istehsalı üçün rəqabət aparmalıdır. Amerika Birləşmiş Ştatlarının 2,26 milyard akr (9,1 milyon km 2) su altında qalmayan ərazisinin [68] 33%-i meşələr, 26%-i otlaq və otlaqlar, 20%-i isə əkin sahələridir. 2005-ci ildə ABŞ-ın Energetika və Kənd Təsərrüfatı Departamentləri tərəfindən aparılan bir araşdırma, 1,3 milyard quru ton biokütlənin nəzəri olaraq etanoldan istifadə üçün mövcud olduğunu, eyni zamanda meşə təsərrüfatı və kənd təsərrüfatına məqbul təsir göstərdiyini irəli sürdü. [69]

Qarğıdalı əsaslı etanol Edit ilə müqayisə

Hazırda sellülozun etanola çevrilməsi qarğıdalı və ya şəkər qamışından daha çətin və daha bahalıdır. ABŞ Energetika Departamenti 2007-ci ildə hesablamışdır ki, sellülozlu etanolun istehsalı üçün hər gallon təxminən 2,20 dollara başa gəlir ki, bu da qarğıdalıdan etanoldan 2-3 dəfə çoxdur. Bitki hüceyrə divarının toxumasını məhv edən fermentlər qarğıdalı üçün 0,03 ABŞ dolları ilə müqayisədə bir gallon etanol üçün 0,40 ABŞ dollarına başa gəlir. [64] Bununla belə, sellüloz biokütləsinin istehsalı qarğıdalıdan daha ucuzdur, çünki o, enerji, gübrə, herbisid kimi daha az vəsait tələb edir və daha az torpaq eroziyası və torpağın münbitliyinin yaxşılaşması ilə müşayiət olunur. Bundan əlavə, etanolun hazırlanmasından sonra qalan fermentləşdirilməyən və çevrilməmiş bərk maddələr, konversiya qurğusunu işlətmək və elektrik enerjisi istehsal etmək üçün lazım olan yanacaqla təmin etmək üçün yandırıla bilər. Qarğıdalı əsaslı etanol zavodlarını işə salmaq üçün istifadə olunan enerji kömür və təbii qazdan əldə edilir. Yerli Özünə Güvən İnstitutu, ilk nəsil kommersiya bitkilərindən olan selülozlu etanolun qiymətinin təşviqlər istisna olmaqla, hər gallon üçün 1,90-2,25 dollar arasında olacağını təxmin edir. Bu, qarğıdalıdan etanolun bir qallon üçün 1,20-1,50 ABŞ dolları və adi benzin üçün 4,00 dollardan çox olan cari pərakəndə satış qiyməti ilə müqayisə olunur (dotasiya və vergi tutulur). [70]

Enzim-xərc baryeri Redaktə edin

Selülozlu etanol istehsalında istifadə edilən sellülazlar və hemiselülazlar birinci nəsil analoqları ilə müqayisədə daha bahalıdır. Qarğıdalı taxılının etanol istehsalı üçün tələb olunan fermentlər istehsal olunan etanolun hər kubmetri üçün 2,64-5,28 ABŞ dollarına başa gəlir. Selülozik etanol istehsalı üçün fermentlərin 79,25 ABŞ dolları olacağı proqnozlaşdırılır, yəni 20-40 qat daha baha olur. [71] Xərc fərqləri tələb olunan miqdarla əlaqələndirilir. Enzimlərin selülaz ailəsi, birdən iki sıraya qədər daha kiçik bir effektivliyə malikdir. Buna görə də, istehsalında 40-100 dəfə daha çox fermentin olmasını tələb edir. Hər ton biokütlə üçün 15-25 kiloqram ferment lazımdır. [72] Daha yeni hesablamalar [73] daha aşağıdır və bu, quru ton biokütlə xammalı başına 1 kq ferment təklif edir. Enzimatik hidroliz edən gəminin uzun inkubasiya müddətləri ilə əlaqəli nisbətən yüksək kapital xərcləri də var. Ümumilikdə, fermentlər selülozik etanol istehsalı üçün% 20-40 əhəmiyyətli bir hissəsini təşkil edir. Son bir iş [73], pul xərclərinin 13-36% -i aralığını təxmin edir və əsas amil selülaz fermentinin necə istehsal edilməsidir. Sahədən kənarda istehsal olunan sellülaza görə, ferment istehsalı nağd dəyərinin 36% -ni təşkil edir. Ayrı bir fabrikdə yerində istehsal olunan bir ferment üçün, inteqrasiya olunmuş ferment istehsalı üçün fraksiya 29%, fraksiya 13% -dir. İnteqrasiya olunmuş istehsalın əsas faydalarından biri, qlükoza əvəzinə biokütlənin ferment artım mühiti olmasıdır. Biokütlə daha az xərc çəkir və nəticədə yaranan selülozik etanolu 100% ikinci nəsil bioyanacaq halına gətirir, yəni 'yanacaq üçün qida' istifadə etmir. [ sitat lazımdır ]

Ümumiyyətlə, iki növ xammal var: meşə (meşəli) Biokütləkənd təsərrüfatı biokütləsi. ABŞ-da hər il təxminən 1,4 milyard quru ton biokütlə davamlı şəkildə istehsal oluna bilər. Təxminən 370 milyon ton və ya 30% -i meşə biokütləsidir. [74] Meşə biokütləsi kənd təsərrüfatı biokütləsindən daha yüksək sellüloza və liqnin tərkibinə, daha az hemiselüloza və kül tərkibinə malikdir. Xüsusilə ksiloza kimi 5 karbonlu hemisellüloz şəkəri çox yüksək olan fermentasiya əvvəli hidrolizatın fermentləşdirilməsindəki çətinliklər və aşağı etanol məhsuldarlığı səbəbindən meşə biokütləsi kənd təsərrüfatı biokütləsinə nisbətən əhəmiyyətli üstünlüklərə malikdir. Meşə biokütləsi də nəqliyyat sıxlığını əhəmiyyətli dərəcədə azaldan yüksək sıxlığa malikdir. Uzun müddət saxlamağı aradan qaldıran bir il yığıla bilər. Meşə biokütləsinin kül tərkibinin sıfıra yaxın olması daşınma və emal zamanı ölü yükü əhəmiyyətli dərəcədə azaldır. Biomüxtəlifliyə olan ehtiyacları ödəmək üçün meşə biokütləsi gələcək bio-əsaslı iqtisadiyyatda mühüm biokütlə xammalı təchizatı qarışığı olacaqdır. Bununla birlikdə, meşə biokütləsi kənd təsərrüfatı biokütləsindən qat -qat pisdir. Bu yaxınlarda, USDA Meşə Məhsulları Laboratoriyası, Viskonsin -Madison Universiteti ilə birlikdə, aşağı ksilan tərkibli yumşaq ağac növləri də daxil olmaqla, meşə (oduncaq) biokütləsinin güclü rekalcitansiyasını aşa biləcək səmərəli texnologiyalar [15] [75] hazırladı. Qısa dövriyyəli intensiv mədəniyyət və ya ağac əkilməsi, meşə biokütləsinin istehsalı üçün demək olar ki, məhdudiyyətsiz bir fürsət təqdim edə bilər. [76]

Çarpazlardan və ağacların zirvələrindən və mişar dəyirmanlarından toz və tullantı kağız sellülozik etanol istehsalı üçün meşə biyokütləsi xammallarıdır. [77]

Switchgrass (Panicum virgatum) yerli hündür otlu çöl otudur. Sərtliyi və sürətli böyüməsi ilə tanınan bu çoxillik, isti aylarda 2-6 metr yüksəkliklərə qədər böyüyür. Switchgrass, bataqlıqlar, düzənliklər, çaylar və sahillər boyunca Amerika Birləşmiş Ştatlarının əksər hissələrində yetişdirilə bilər. dövlətlərarası avtomobil yolları. Bu özünü əkmək (əkin üçün traktor yoxdur, yalnız biçmək üçün), bir çox xəstəliklərə və zərərvericilərə davamlıdır və amp gübrə və digər kimyəvi maddələrin az tətbiqi ilə yüksək məhsul verə bilər. O, həmçinin zəif torpaqlara, daşqınlara və quraqlığa dözümlüdür, torpağın keyfiyyətini yaxşılaşdırır və kök sisteminin növünə görə eroziyanın qarşısını alır. [78]

Switchgrass, Federal Mühafizə Ehtiyat Proqramı (CRP) çərçivəsində qorunan torpaqlar üçün təsdiqlənmiş bir örtük məhsuludur.CRP, istehsalçılara bu yaxınlarda bitkilərin əkildiyi torpaqlarda məhsul yetişdirməməsi üçün ödəniş verən bir hökumət proqramıdır. Bu proqram torpaq eroziyasını azaldır, suyun keyfiyyətini artırır və vəhşi yaşayış mühitini artırır. CRP torpaqları, qırqovullar və ördəklər və bir sıra böcəklər kimi dağlıq oyunların yaşayış yeri olaraq xidmət edir. Bioyanacaq istehsalı üçün keçid otu Ekoloji davamlılığı artıra və CRP proqramının dəyərini aşağı sala bilən Mühafizə Qoruğu Proqramı (CRP) torpaqlarında istifadə üçün nəzərdə tutulmuşdur. Bununla birlikdə, CRP torpaqlarının bu iqtisadi istifadəsinə icazə vermək üçün CRP qaydaları dəyişdirilməlidir. [78]

Miscanthus × giganteus sellülozlu etanol istehsalı üçün digər əlverişli xammaldır. Bu ot növünün vətəni Asiyadadır və steril hibriddir Miscanthus sinensisMiscanthus sacchariflorus. Yüksək məhsuldarlığa malikdir, böyümək üçün ucuzdur və müxtəlif iqlimlərdə inkişaf edir. Bununla birlikdə, steril olduğu üçün həm də vegetativ çoxalma tələb edir, bu da onu daha bahalı edir. [79]

Kudzunun qiymətli bir biokütlə mənbəyi ola biləcəyi irəli sürüldü. [80]

Subsidiyalar və qrantlar hesabına 2000 -ci illərin əvvəllərində selülozik etanol tədqiqatları və pilot bitkilərində bir bum meydana gəldi. Iogen, POET və Abengoa kimi şirkətlər biokütləni emal edərək onu etanola çevirə bilən neft emalı zavodları qurdular, DuPont, Diversa, Novozymes və Dyadic kimi şirkətlər isə ferment tədqiqatına sərmayə qoydular. Bununla belə, bu zavodların əksəriyyəti 2010-cu illərin əvvəllərində texniki maneələri aradan qaldırmaq çox çətin olduğu üçün ləğv edilmiş və ya bağlanmışdır. 2018 -ci ildən etibarən yalnız bir selülozik etanol zavodu fəaliyyətdə qaldı. [62]

2010-cu illərin sonlarında, müxtəlif şirkətlər bəzən selülozik etanolun kommersiyalaşdırılması üçün daha kiçik miqyaslı səylər göstərməyə çalışırdılar, baxmayaraq ki, bu cür müəssisələr ümumiyyətlə təcrübə miqyasında qalır və çox vaxt subsidiyalardan asılıdır. Granbio, Raízen və Centro de Tecnologia Canavieira şirkətlərinin hər biri Braziliyada 2019-cu ildə birlikdə təxminən 30 milyon litr istehsal edən pilot miqyaslı bir obyekt işlədir. [81] 1991-ci ildə ferment istehsalçısı kimi başlayan və özünü yenidən istiqamətləndirən Iogen 2013 -cü ildə əsasən selülozik etanola diqqət yetirmək, sellülozik etanol istehsalı üçün bir çox patentə sahibdir [82] və Raizen zavodu üçün texnologiya təmin etmişdir. [83] 2021 -ci ildən etibarən selülozik etanol texnologiyasını inkişaf etdirən digər şirkətlər, New Energy Blue (ABŞ), [84] Sekab (İsveç) [85] və Clariant (Rumıniyada) daxil olmaqla pilot istehsal zavodlarını işlədən və ya planlaşdıran Inbicon (Danimarka) şirkətləridir. [86] Sellülozik etanol aktivləri olan İspan şirkəti Abengoa 2021-ci ildə müflis oldu. [87]

Avstraliya Bərpa Olunan Enerji Agentliyi, əyalət və yerli hökumətlərlə birlikdə, 2017 və 2020-ci illərdə regional iqtisadiyyatı kömür hasilatından uzaqlaşdırmaq səylərinin bir hissəsi olaraq Yeni Cənubi Uelsdə pilot zavodu qismən maliyyələşdirdi. [88]

ABŞ Hökuməti Edit -ə dəstək verir

2006 -cı ildən ABŞ Federal Hökuməti selüloz xammaldan etanolun inkişafını təşviq etməyə başladı. 2008-ci ilin may ayında Konqres, selülozik etanol da daxil olmaqla, ikinci nəsil bioyanacaqların kommersiyalaşdırılması üçün maliyyə olan yeni bir təsərrüfat qanun layihəsini qəbul etdi. The 2008-ci il Qida, Qoruma və Enerji Aktı "qarğıdalı ləpəsi nişastasından istehsal edilməyən bütün yanacaqları özündə birləşdirən" qabaqcıl bioyanacaqlar "istehsal etmək üçün nümayiş miqyaslı biorefabrikalar hazırlamaq və qurmaq xərclərinin 30% -ə qədərini əhatə edən qrantlar verilmişdir. O, həmçinin kommersiya miqyaslı bioemalı zavodlarının tikintisi üçün 250 milyon dollara qədər kredit zəmanəti verməyə icazə verdi. [89]

2011 -ci ilin yanvar ayında USDA, Coskata, Enerkem və INEOS New Planet BioEnergy -yə məxsus üç obyektdə sellülozik etanolun ticarətini dəstəkləmək üçün 2008 -ci il Farm Qanunu ilə 405 milyon dollarlıq kredit zəmanətini təsdiqlədi. Layihələr ildə birləşmiş 73 milyon ABŞ qallonunu (280.000 m 3) təşkil edir və 2012-ci ildə sellülozik etanol istehsalına başlayacaq. USDA həmçinin qabaqcıl bioyanacaqların istehsalını genişləndirmək üçün ödənişlər alacaq qabaqcıl bioyanacaq istehsalçılarının siyahısını dərc edib. [90] 2011-ci ilin iyul ayında ABŞ Energetika Nazirliyi, Ayova ştatının Emmetsburg şəhərində tikiləcək ticari miqyaslı bir zavod üçün POET-ə 105 milyon dollar kredit zəmanəti verdi. [91]


Sidik yollarının fərqli hissələri və infeksiyaya daha çox meylli olanlar

Sidik sistemi yaxşı dizayn edilmişdir və tez-tez saxlaya bilir E. coli və digər növ mikroskopik işğalçılar. Məsələn, idrar etmək, hər hansı bir problem yaratmadan əvvəl, uretradan uzun müddət davam edən bakteriyaları təmizləmək üçün əla bir iş görür. (3) Ancaq bu müdafiə uğursuz olduqda, bakteriya kimi E. coli sidik yollarına daxil olur (böyrəklər, sidik axarları, sidik kisəsi və uretradan ibarətdir), çoxalır və sonra sidik yollarının infeksiyası inkişaf edə bilər. (5)

Sidik yollarının hər hansı bir hissəsi təsirlənə bilsə də, əksəriyyəti E. coli –səbəb olan sidik yolları, sidik kisəsinin (sidik saxlandığı yer) və uretranın (sidik borusunun bədəndən çıxmaq üçün keçdiyi) daxil olduğu aşağı sidik yollarında meydana gəlir. Sidik kisəsində olan İİİ-yə sistit, sidik kanalında yerləşən sidik yollarının iltihabına isə uretrit deyilir. (5)


KARBON DİOKSİDİN İSTİFADƏSİNƏ FOTOSİNTETİK YAKLAŞIMLAR

Yosunlara əsaslanan yanaşmalar

Karbon tullantı qazından istifadə üçün qeyri-sintetik proseslər yüksək biokütlə məhsulu verə bilsə də, bu sistemlər fotosintetik metodologiyalarla müqayisədə zəif həyat dövrü analizlərindən əziyyət çəkirlər (Vieira və digərləri, 2013). Fotosintez prosesləri arasında, yosun biokütləsi yüksək məhsuldarlıq təmin edir və adi kənd təsərrüfatı bitkiləri ilə müqayisədə yağ məhsuldarlığını 30-50 dəfə artırır (Singh və Gu, 2010). Yosun termini geniş şəkildə becərilməsi mümkün olan hər hansı fotosintetik prokaryotik mikroorqanizmə (siyanobakteriyalar) və ya eukaryotik mikroorqanizmlərə (mikroyosunlar) aiddir. Yosunların becərilməsi 1950-ci illərdə tətbiq edilmiş və onilliklər ərzində həm akademik, həm də kommersiya baxımından tətbiq edilmişdir (Fisher and Burlew, 1953 Golueke and Oswald, 1959). Yosunlara günəş işığı və CO-nu çevirən öz-özünə çoxalma maşınları kimi baxmaq olar2 əlavə dəyər məhsullarına çevrilir. Yosunların becərilməsi məhsullarına geniş çeşiddə bioyanacaq, pəhriz zülalı və qida əlavələri, mallar və xüsusi kimyəvi maddələr daxildir.

Yosun biyoyakıtları uzun müddətdir azalan neft ehtiyatlarını aradan qaldırmaq üçün potensial baxımdan təsirli bir strategiya olaraq görülür və xam neft qiymətləri artdıqca yosun bioyanacaq texnologiyalarına qoyulan investisiyalar artmağa meyllidir. Məsələn, ABŞ Enerji Departamentinin (DOE) ofisi

Fuels Development, 1978 -ci ildən 1996 -cı ilə qədər mikro yosunlardan biodizel istehsalına yönəlmiş Sucul Növlər Proqramını maliyyələşdirdi (Sheehan et al., 1998) və 2008 -ci ildə DOE, xam neft qiymətləri 100 dollar/barreli keçdikdən sonra yosun bioyanacaq tədqiqatına dəstəyini bərpa etdi. Tədqiqat sərmayəsindəki bu son artım, startaplar və qurulan şirkətlər tərəfindən yosun bioyanacaq texnologiyalarına edilən böyük investisiyalarla üst -üstə düşdü, lakin sonradan 2016 -cı ildə xam neft qiymətlərinin 30 dollar/barelin altına düşməsi sənaye səylərində böyük bir geriləmə yaratdı. Yosunların bioyanacaqlarının istehsalının maya dəyərinə dair geniş təxminlər mövcuddur (NRC, 2012) və gələcək siyasətin və digər amillərin onların ənənəvi fosil ehtiyatları ilə rəqabət qabiliyyətinə necə təsir edəcəyini proqnozlaşdırmaq çətindir, lakin yosunların becərilməsi ilə bağlı çətinliklərdən biri enerji tələbatı üçün çətinliklər yaratmağa davam edən susuzlaşdırma və hasilat kimi fiziki emal üçün infrastrukturun dəyəri və inkişafı (Sander və Murthy, 2010). Bu metodların böyüməsinə mane olan digər səbəb, yerli kənd təsərrüfatının digər formaları üçün əlçatan olan dəstək və infrastrukturun qəbulu olacaq (Trentacoste və digərləri, 2015). Birdən çox hesabat, yosun bioyanacaqları üçün elmin vəziyyətini və tədqiqat problemlərini təsvir edir (DOE BETO, 2016, 2017 DOE EERE, 2010, 2017 NRC, 2012 Sheehan və digərləri, 1998).

Yosun yetişdirilməsi, müasir kənd təsərrüfatı ilə müqayisədə əhəmiyyətli məhsuldarlıq artımları təklif edir. Çoxsaylı tədqiqatlar, soya, kolza və ya qarğıdalı ilə müqayisədə neft hasilatında məhsuldarlığın 30 dəfəyə qədər yaxşılaşdığını (Abishek et al., 2014 Wen və Johnson, 2009) və yosunlardan protein istehsalında 50 dəfə yaxşılaşdığını nümayiş etdirdi (Bleakley və Hayes). , 2017) hər hektar torpaq sahəsinə görə. Tam qiymətləndirilməməsinə baxmayaraq, yosun biokütləsindən əldə edilən zülal həm heyvan, həm də insan istehlakı üçün təklif edilmişdir və bəzi şirkətlər, məsələn, Qualitas, 1 artıq heyvan yemlərini zənginləşdirmək üçün xüsusi yosunlar istehsal edir. Bu kommersiya tətbiqləri soya və ya qarğıdalı kimi cari kənd təsərrüfatı məhsulları ilə rəqabətə davamlı olarsa, yosunların becərilməsi üçün rəqabətli mənzərə dəyişəcək.

Bu üstünlüklərə baxmayaraq, yosunların becərilməsi ilə bağlı ciddi çətinliklər də var. Fotosintez səmərəsizdir, çünki ümumi günəş radiasiya enerjisinin yalnız 3-6 faizi tutulur (Zelitch, 1975). Bundan əlavə, yosunların məhdudlaşdırılması illik axını məhdudlaşdıran karbon qazına çevrilmənin səmərəliliyidir (Wilcox, 2012). Bu aşağı səmərəliliyi kompensasiya etmək üçün becərmə gölməçələri və ya bioreaktorlar tez-tez böyük həcm və səth sahəsi vasitəsilə işığın təsirini maksimum dərəcədə artırmaq üçün nəzərdə tutulmuşdur, nəticədə yosunların becərilməsi torpaq və su intensiv ola bilər. Teorik olaraq, bütün CO -nu ələ keçirmək2 10 kiloton/gün elektrik stansiyasından 25-37 hektar əkin tələb edəcək (Hazelbeck, D., şəxsi ünsiyyət, 2018). Bundan əlavə, biokütlə becərilməsi, mövcud iri sənaye sahələrində yaxın paralelləri olmayan kapital və əməliyyat xərclərini təqdim edir.

Digər tərəfdən, bioloji sistemlərin əsas faydası, yem ehtiyatları və ətraf mühit baxımından özünəməxsus elastikliyidir. Yosunların becərilməsi üçün əkinə yararsız torpaqdan və şoran sudan və ya tullantı sularından istifadə etmək imkanları mövcuddur ki, bu da təbii məhsullar üçün rəqabəti minimuma endirir.

resurslar. Bundan əlavə, bioloji sistemlər aşağı CO -a dözə bilir2 sənaye enerjisi istehsalı üçün ümumi olan karbon mənbələrindəki konsentrasiyalar və çirklər. Bu dəyişənlər bioloji çevrilmə texnologiyaları üçün kapital və əməliyyat xərclərinə əhəmiyyətli dərəcədə təsir göstərir və yosun yetişdirilməsini adi kənd təsərrüfatı və ya digər fəaliyyətlərlə müqayisə edərkən resurs istifadəsi və ətraf mühitə təsiri nəzərə almaq vacibdir.

Yaşıl yosunlara əsaslanan yanaşmalar

Bir neçə filadan əmələ gələn eukaryotik təkhüceyrəli fotosintetik orqanizmlər üçün ümumi termin olan yaşıl yosunlar minlərlə müəyyən edilmiş növü təmsil edən çox müxtəlif yosunlar qrupudur. Bir çox suşlar biokütlə tətbiqlərində təsdiq edilmişdir və onların seçimi adətən mədəniyyət şəraiti ilə müəyyən edilir. Məsələn, soyuq mühitdən olan yosunlar, birincil metabolizm və fiziologiyanı dəyişdirərək bu mühitə uyğunlaşdılar (Morgan-Kiss və digərləri, 2006).

Yaşıl yosunlardan istifadə edərək biokütlə yetişdirmə səylərinin əksəriyyəti bioyanacaq istehsalına yönəlib. Bundan əlavə, bioyanacaq istehsalının iqtisadi cəhətdən daha məqsədəuyğun olmasına kömək edə biləcək bir neçə ortaq məhsul müəyyən edilmişdir. Aşağıdakı bölmələr, müxtəlif bioyanacaqlar və birgə məhsullar istehsal etmək üçün yaşıl yosunlardan istifadə imkanlarını, eləcə də genetik manipulyasiya yolu ilə bu cür tətbiqlərin inkişaf etdirilməsində iştirak edən imkanları və məhdudiyyətləri təsvir edir.

Biodizel istehsalı

Biodizel və ya yağ turşusu metil esteri, bitki və heyvan mənşəli piylərdən və yağlardan (yaşıl yosunlardan olanlar da daxil olmaqla) istehsal indi yetkin sənayenin bir hissəsi hesab olunur. Biyodizel bir çox dizel mühərriklərində dizel mühərriklərinin dəyişdirilməsi kimi istifadə oluna bilsə də, onun higroskopikliyi, bulud nöqtəsi və çirkləndirici xüsusiyyətləri geniş yayılmış qəbulu məhdudlaşdırır. Bir vaxtlar biokütlə istehsalının son məhsulu hesab edilən biodizel bu yaxınlarda kiçik yanacaq bazarlarına çıxarıldı və əlavə sürtgü xüsusiyyətlərini təmin etmək üçün ultra aşağı kükürdlü neft dizelinə əlavə olaraq istifadə edildi (Həzrət və başqaları, 2015).

Biokütlə yığımından sonra, lipidlər təcrid olunmuş neytral lipidlər və ya triasilqliserid (TAG) və ya həm qütb, həm də neytral lipidləri ehtiva edən ümumi lipidlər hazırlamaq üçün bir neçə metoddan biri ilə çıxarılır. Bitki və heyvan mənşəli yağlardan və yağlardan biyodizel istehsalı üçün ənənəvi proses adətən yüksək təmizlikdə bir TAG mənbəyi tələb edir, lakin ümumi lipid ekstraktlarından biodizel istehsal etmək üsulları hazırlanmışdır (Asikainen və digərləri, 2015 Mübarək və digərləri, 2015).

Bərpa olunan dizel/benzin istehsalı

Yosun biokütləsinin bioyanacaqlara çevrilməsində ən geniş yayılmış inkişaflar, əsl dizel və benzin komponentlərinin istehsalı üçün hidrotəmizləmə olaraq bilinən lipid ekstraktlarının katalitik hidrogenləşməsidir. Baxmayaraq ki, bu çevrilmə üsulları olmuşdur

Onilliklər ərzində məlum olan, ticarət miqyasında hidrotəmizləmə aparmaq üçün lazım olan kapital infrastrukturu, tətbiqini Neste Oil və Chevron kimi bir neçə emal şirkəti ilə məhdudlaşdırmışdır (Əl-Sabawi və Chen, 2012 No, 2014).

Yenilənə bilən dizel və benzinlərin xüsusi bir faydası, xammal mənbəyinə görə elastikdir. Hal-hazırda, sənaye hidrotəmizləmə emalında bitki yağları və heyvan yağları da daxil olmaqla, hər hansı bir bioloji mənşəli triaçilqliserid mənbəyindən olan piylər və yağlar istifadə edilə bilər. Bununla birlikdə, yosun lipidlərində triasilqliseridlər olduğu halda, bir çox növdən alınan ekstraktlar da qütb lipidlərinin və hidrofob piqmentlərin əhəmiyyətli hissələrini ehtiva edir. Bu növlərin hidrotəmizləyici qurğular tərəfindən bərpa olunan yanacaqlara çevrilməsi üçün yeni texnologiya tələb oluna bilər (Davis və digərləri, 2013). Lipid ekstraktlarının katalitik hidrogenləşməsi üçün hidrogen qazına olan tələbat da nəzərə alınmalıdır.

Əlavə olaraq, mayeləşdirmə, piroliz və qazlaşdırma, metan, etanol və yanacaq yağları da daxil olmaqla müxtəlif yanacaqların istehsal yollarını təklif edir (Demirbaş, 2010). Bunların bir çoxunun islahat prosesləri ilə daha mürəkkəb kimyəvi maddələrə yönəldilməsi təklif edilmişdir (Bhujade et al., 2017).

Birgə məhsulların qiymətləndirilməsi

Fosil yanacaqlarla rəqabət aparmaq üçün bioyanacaqlar cəlbedici iqtisadiyyat təmin etməlidir. Bu, bərpa olunmayan karbonun (və ya digər mexanizmlərin) qiymətləri hesabına neft məhsullarının maya dəyərini artırmaqla əldə edilə bilər və ya əlavə məhsulların istehsalı ilə yosun yetişdirilməsinin dəyəri daha da artırıla bilər. Biokütlənin bioyanacaqlara çevrilməsi, əsasən zülal və karbohidratlardan ibarət istifadə olunmamış biokütlədən tullantı məhsulları əmələ gətirir. Bunlar aşağı qiymətli son məhsul olan bioqaz istehsal etmək üçün anaerob həzm yolu ilə istehlak edilə bilər. Və ya daha qiymətli məhsullara çevrilə bilər. Fotosintez, fermentasiya və kimyəvi üsullardan istifadə edən birləşmiş yanaşmalar yüksək dəyərə malik məhsullar istehsal etmək üçün istifadə edilə bilər. Məsələn, bu yaxınlarda yosun biokütləsindən çoxlu məhsullar istehsal edə bilən birləşmiş yosun emalı üsulu nümayiş etdirildi (Miara et al., 2014). Bu cür sistemlərdə yosun karbohidratları etanolun və ya digər əmtəə kimyəvi maddələrin fermentativ istehsalına yönəldilə bilər, məsələn, süksinik turşusu (Raab və digərləri, 2010), zülallar isə yapışqan istehsalı üçün tətbiq oluna bilər (Roy et al. , 2014). Yosunlardan bioyanacaq istehsalının iqtisadiyyatını yaxşılaşdırmaq üçün qiymətləndirilə bilən müştərək məhsulların nümunələrinə pəhriz zülalları, poli doymamış yağ turşuları və piqmentlər daxildir.

Pəhriz zülalı. Yosunlar uzun müddət həm heyvan yemi olaraq, həm də insan istehlakı üçün cazibədar bir pəhriz protein mənbəyi olaraq qəbul edilmişdir (Becker, 2007). Yaşıl yosunlar quru çəkilərinin 40-70 faizini protein olaraq ehtiva edir və əksər yosunların amin turşusu profili adi qida zülalları ilə müqayisə edilir. Bir heyvanın və vahid başına çəki artımını əks etdirən yosun və rsquos protein səmərəliliyi nisbətini (PER) təyin etmək üçün bir neçə tədqiqat aparılmışdır.

Bir araşdırmada yosunların süd zülalları ilə müqayisədə yüzdə 80-ə qədər təklif edildiyi (Becker, 2004) tapıldı, eyni zamanda şirin su ehtiyatları və əkin sahələri baxımından süd istehsalından əhəmiyyətli dərəcədə daha az yer tutur (Bleakley və Hayes, 2017). Yosunlardan əldə edilən zülal məhsuldarlığı hər hektar torpaqda soyadan 50 dəfəyə qədər qiymətləndirilir. Bu, yaşıl yosunların əkin sahələrinə olan tələbatın əhəmiyyətli dərəcədə azalması ilə heyvan yemi üçün bitkiləri əlavə etmək və ya əvəz etmək potensialına malik olduğunu göstərir, lakin tədqiqatlar miqyasda təsdiqlənməmişdir.

Doymamış yağ turşuları. Bir çox yaşıl yosun təbii olaraq qida əlavələri olaraq insanlar və heyvanlar üçün dəyərli olan çoxlu doymamış yağ turşuları (PUFA) istehsal edir. Adətən balıqdan yığılsalar da, yosunlardan olan PUFA'lar, canlı molekulların daha dayanıqlı bir dəstəsini təmsil edir (Adarme-Vega və digərləri, 2012). Xüsusilə omeqa-3 sortları eikosapentaenoik turşusu və dokosaheksaenoik turşusu bir çox əkinçilik heyvanlarının, xüsusilə qızılbalıq və tuna kimi ətyeyən balıqların əlavə qidası üçün dəyərlidir (Ahmed et al., 2012 Bimbo, 2007). Omeqa-3 qidalanma tədqiqatları da mal-qara və ev quşları üzərində aparılmışdır (Nitsan et al., 1999 Ponnampalam et al., 2006). Bundan əlavə, omeqa-3 yağ turşuları hazırda balıq yağlarının üstünlük təşkil etdiyi neytral məhsullar kimi istehlak bazarını nümayiş etdirir.

Piqmentlər. Rəngləndiricilər məhsulun istehlakçıya cəlbediciliyini artırmaq üçün qidalar, içkilər, kosmetika və bir sıra digər məhsullara əlavələr kimi istehsal olunur. Bəzi piqmentlər kömür kimi qalıq yanacaq mənbələrindən istifadə etməklə istehsal olunur. Yosunlar müxtəlif piqmentlər istehsal etmək qabiliyyəti ilə yaxşı tanınır və qalıq yanacaqların istifadəsinə daha davamlı alternativ təmin edə bilər (Kaur və digərləri, 2009). Piqmentlərin kommersiya istehsalı üçün yosunların uğurlu tətbiqinin tanınmış nümunələrindən biri astaksantindir (bax. Haşiyə 5-1). Yosunlu digər piqmentlərin istehsalı gələcək tədqiqatlar üçün potensial imkan olaraq qalır.

Yaşıl yosunların genetik manipulyasiyası

Yaşıl yosunların genetik manipulyasiyasını asanlaşdıran vasitələr bakteriyaların, mayaların və damar bitkilərinin genetik manipulyasiyası üçün vasitələrdən daha az təkmildir. Əsas problemlərə zəif genom qoyulması, genin susdurulması və optimallaşdırılmamış təşviqçi sistemləri daxildir. Buna baxmayaraq, bəzi akademik və sənaye qrupları fotosintetik səmərəliliyi yaxşılaşdırmaq, yüngül yığım kompleksinin fotodağınıqlığını azaltmaq və karbonun qəbulu və birləşməsinin səmərəliliyini optimallaşdırmaq üçün yaşıl yosunların genetik modifikasiyasına cəhd etdilər. Yüksək dəyərli terapevtik zülallar, biohidrogen, lipidlər və terpenoidlər də daxil olmaqla, transgenik ifadədən bir sıra məhsullar da axtarılmışdır (Gimpel, 2013).

Yaşıl yosunların bir çox növü genetik olaraq tranzitdir, lakin Chlamydomonas reinhardtii Bu növ üçün işlənmiş alət və texnikaların əksəriyyəti ilə əsas model sistemə çevrilmişdir (Rasala et al., 2013). Yaşıl yosunların üç ayrı genomu var: nüvə,

Kutu 5-1Astaksantin

Astaxanthin, müxtəlif mikro yosunlar tərəfindən istehsal olunan bir karotenoid piqmentdir. Çox doymamış bir tetraterpenoid olan astaxanthin qırmızı rəng verir və təbii olaraq balıq, xərçəngkimilər və qabıqlı balıqlarda çəhrayı və ya qırmızı piqmentasiyadan məsuldur. Nəticədə, astaxanthin, 2010 -cu ildə bazar dəyəri 250 milyon dollara yaxınlaşan müxtəlif karides və somon balığına qırmızı/çəhrayı rəngli pigmentasiya təmin etmək üçün balıqçılıq yemində əhəmiyyətli bir komponent halına gəldi (Borowitzka, 2013).O, həmçinin qidalandırıcı olaraq satılır və müxtəlif vitamin əlavələri antioksidan xüsusiyyətlərinə görə astaxanthin ehtiva edir. Cyanotech (Kona, Havay) astaksantin istehsal edir Haematococcus pluvialis 25 hektar açıq gölməçədə, Algatechnologies Ltd. (Ketura, İsrail) isə eyni orqanizmə malik fotobioreaktorlardan istifadə edir. Piqmenti BASF (Hutt Lagoon, Avstraliya) istehsal edir Dunaliella salina 740 hektar açıq gölməçələrdə (Maeda və digərləri, 2018). Kommersiya əməliyyatları açıq havada CO istifadə edərək gəlirlilik göstərsə də2 udma, CO2 Bu kommersiya ştammları ilə fiksasiya CO-nun artırılmasından faydalana bilər2 5 faiz səviyyəsinə qədər konsentrasiya biokütlə və astaksantin səviyyələrində əhəmiyyətli yaxşılaşma təmin edə bilər (Chekanov et al., 2017).

xloroplast və mitoxondrial. In C. reinhardtii, bu genomların hər biri ardıcıllıqla tərtib edilmiş və hər biri üçün genetik manipulyasiya üçün alətlər və protokollar hazırlanmışdır. Ümumiyyətlə, nüvə və xloroplast genomları ilk növbədə transgen ifadəsi üçün yönəldilmişdir və hər bir yer xüsusi vasitələr, üstünlüklər və çətinliklər ehtiva edir. Protein istehsalı üçün nüvə genomunun mühəndisliyi, tənzimlənmiş ifadə, sitoplazmik zülal qatlama maşınları, posttranslational modifikasiyaya (qlikosilasiya kimi) və zülal ifrazına daxil olmaqla digər eukaryotik ifadə sistemlərinə bənzər faydalar təqdim edir. Bundan əlavə, bir çox yaşıl yosun kimi, C. reinhardtii haploid orqanizmdir. Nəticədə, nüvə genomunun modifikasiyası əlavə genetik nəzarəti təmin etmək üçün cinsi yetişdirmə ilə birlikdə istifadə edilə bilər. Bununla birlikdə, nüvə transformasiyası hal-hazırda təsadüfi genlərin daxil edilməsi, aşağı protein ifadəsi və genin susdurulması da daxil olmaqla bir sıra çatışmazlıqlardan əziyyət çəkir (Cerutti və digərləri, 1997 De Wilde və digərləri, 2000 Wu-Scharf, 2000). Bu komplikasiyalar fəal şəkildə araşdırılır və son vaxtlar bəzi məhdud həllər hazırlanmışdır. Məsələn, gen susdurulması, transgen ifadəsini antibiotik müqavimət gen ifadəsi ilə birbaşa əlaqələndirməklə həll edildi, buna görə də gen tutma üçün ciddi bir seçim metodu verildi (Rasala, 2012, 2013). Bundan əlavə, CRISPR metodologiyaları da daxil olmaqla, gen inteqrasiyası və nokaut üçün yeni texnologiyalardan istifadə olunan təcrübələr hazırda davam edir (Ferenczi və digərləri, 2017 Shin və digərləri, 2016). Buna baxmayaraq, nüvə ifadəsi gen ölçüsü, sayı və mürəkkəbliyi baxımından məhdud olaraq qalır.

Xloroplastda gen ifadəsini manipulyasiya etmək üçün alətlər və metodologiyalar son illərdə əhəmiyyətli irəliləyişlər əldə etmişdir. Nüvə ifadəsindən fərqli olaraq, xloroplast ifadəsi homolog rekombinasiyaya imkan verir və çoxlu vektorlar, seçim və çevrilmə üsulları işlənib hazırlanmışdır. Yaşıl yosun xloroplastı protein ifadəsi üçün mühit təklif edir, o cümlədən şaperonlar və düzgün zülal və ifadə qatlanmasını asanlaşdıra bilən posttranslational modifikasiya fermentləri və heteroloji zülal ifadəsi diqqətəlayiq səviyyələrə çatmışdır, bəzən ümumi həll olunan zülalın 10 faizi qədər (Mayfield, 2007) . Bu faydalara baxmayaraq, xloroplast ifadəsi gen ölçüsü və sayı baxımından məhdud olaraq qalır və böyük operonların və mübadilə yollarının dizaynına ehtiyac yaradır.

Gen mühəndisliyi vasitələrinin daha geniş sxemində, fotosintetik orqanizmlər tarixən aşağı səviyyədə tədqiqat dəstəyi almışdır və yosunlar bu qrupun kiçik bir alt qrupunu təmsil edir (Gao və digərləri, 2012). Bununla birlikdə, son onilliklərdə inkişaf etdirilən vasitələr ideal fotosintetik ev sahibi orqanizm kimi yaşıl yosunların potensialını vurğulayır. Yaşıl yosun genetik manipulyasiyası üçün yeni və təkmilləşdirilmiş genetik vasitələr, yosun biokütlə tətbiqlərinin inkişafı üçün əsas ehtiyac olaraq qalır. Buraya genetik daxiletmə (homoloji rekombinasiya) texnologiyalarının inkişafı, gen ifadəsi üçün möhkəm promotorların müəyyən edilməsi, çoxsaylı genlərin birləşdirilməsi üçün sintetik operonların inkişafı, böyük genlərin və yolların mühəndisliyi üçün alətlər və yeni seçim üsulları daxildir.

Siyanobakteriyalara əsaslanan yanaşmalar

Siyanobakteriyalar günəş enerjisini, karbon qazını və suyu birbaşa bioyanacaqlara və digər məhsullara çevirmək üçün hazırlanmışdır. Siyanobakteriyalara əsaslanan yanaşmalar, bitkilərə, yaşıl yosunlara və ya heterotrof orqanizmlərə əsaslanan ənənəvi bioloji istehsal sistemləri üzərində üstünlüklərə malikdir. Məsələn, siyanobakteriyalar yosunlardan daha çox genetik manipulyasiyaya meyllidirlər və buna görə də daha geniş çeşiddə məhsulların istehsalı üçün uyğunlaşdırıla bilərlər (bax Şəkil 5-1). Siyanobakteriyaların fotosintez səmərəliliyi bitkilərdən iki -dörd qat yüksəkdir (Melis, 2009) və onların becərilməsi torpaq istifadəsi üçün qida bitkiləri ilə rəqabət aparmır. Siyanobakteriyalarda da heterotrofik orqanizmlərin şəkər tələbləri yoxdur Escherichia coli və maya, bu ev sahibləri ilə müqayisədə azalmış bir böyümə sürətinə və daha az sintetik biologiya vasitələrinə sahibdirlər. Heterotrof hostlar sellüloz xammalından istifadə etmək üçün uyğunlaşdırıla bilsə də, bu texnologiyalar hələ də yaxşı inkişaf etməmişdir və belə səmərəlilik aşağı ola bilər. Siyanobakteriyalar bizə bu karbon yığımı addımını atlamağa və CO-nu düzəltməyə imkan verir2.

Bir çox siyanobakteriya növləri var, lakin yalnız bir neçəsi kimyəvi istehsala uyğunlaşdırılıb. Kimyəvi istehsal üçün istifadə edilən üç üstünlük təşkil edən suşlar bunlardır Synechococcus elongatus PCC 7942 (7942), Sinekosist sp. PCC 6803 (6803) və Sinekokok sp. PCC 7002 (7002). Bu suşların hamısının ardıcıl genomları, qurulmuş mədəniyyət üsulları və əsas metabolik mühəndislik vasitələri var (Berla və digərləri, 2013 Markley və digərləri, 2015 Nozzi və digərləri, 2017 Yu və digərləri, 2015), lakin hər suş özünəməxsus xüsusiyyətlərini təqdim edir. üstünlüklər və çətinliklər.

Şəkil 5-1 Sianobakteriyalardan olan məhsullar üçün nümunə yollar. Şəkildə 23BD = 2,3-butandiol FPP = farnesil pirofosfat GPP = ümumi ilkin istehsal DMAPP = dimetilalil difosfat IPP = izopentenil difosfat 3HB CoA = 3-hidroksibutiril-CoA 4HB CoA = 4-EEP yağ turşusubutilil esteri FA3 = 3-hidroksipropion turşusu Poly 3HB = poli (3-hidroksibütirat) və Poli (3-HB-Co-4-HB) = poli (3-hidroksibutirat-co-4-hidroksibutirat). 1
__________________
1 Carroll, Austin L., Anna E. Case, Angela Zhang və Shota Atsumi -dən yenidən nəşr edilmişdir. 2018. & ldquoMetabolik mühəndislik vasitələri model siyanobakteriyalarda. & Rdquo Metabolik Mühəndislik. doi: 10.1016/j.ymben.2018.03.014 Elsevierin icazəsi ilə.

7942 şirin su təkhüceyrəli siyanobakteriyasıdır və fotosintez və genetik manipulyasiya üçün öyrənilmişdir (Golden et al., 1987). 7002, müxtəlif şəraitdə (duz, temperatur və işıq) böyüməyə qadir olan dəniz növləridir (Batterton və Van Baalen, 1971), təbii duzlu su ehtiyatlarından istifadəni daha uyğun edir. Bununla birlikdə, metabolik mühəndislik 7002 -ci ildə şirin su növlərində və sintetik biologiya qabiliyyətlərində olduğu kimi, 7942 və 6803 -dən 7002 geridə olduğu üçün yaxşı öyrənilməmişdir.

Siyanobakteriyalar geniş çeşiddə yanacaq, yanacaq prekursorları və əmtəə kimyəvi maddələr istehsal etmək üçün hazırlanmışdır. Məhsuldarlıq və titrlər (əsasən litr üçün milliqram səviyyəsində) texnologiyanın kommersiyalaşdırılmasını cəlbedici etmək üçün ümumiyyətlə çox aşağıdır və bu texnologiyalar ilk növbədə kiçik, akademik tədqiqat miqyasında nümayiş etdirilmişdir. Bu texnologiyaları kommersiyalaşdırmaya doğru hərəkət etdirmək üçün istehsal xərclərini azaltmaq və siyanobakteriyaların genetik manipulyasiyası və metabolik mühəndisliyi vasitələrini daha da inkişaf etdirmək çox vacib olacaq.

Yanacaq istehsalı

Siyanobakteriyalarla istehsal oluna bilən yanacaq və yanacaq prekursorlarına etanol, butanol, yağ turşuları, heptadekan, limonen və bisabolen daxildir.

Etanol. Ümumi bioyanacaq namizədi olan etanol, mayadan iki etanol yolu geninin köçürülməsi ilə siyanobakteriyalarda istehsal edilmişdir. Bu istehsal, 5.5 g/L etanol meydana gətirmək üçün gücləndirilmişdir Sinekosist sp. PCC 6803 (Dexter və Fu, 2009 Gao və digərləri, 2012).

Butanol (n-butanol və izobutanol). İzobutanol, mövcud enerji infrastrukturuna inteqrasiya oluna bilən bioyanacaq kimi tətbiqlərə malikdir. 7942-ci ildə 0,5 q/L titrlə nəticələnən karbon axını L-valin biosintetik yolundan izobutanola yönləndirən heteroloji 2-ketoizovalerat dekarboksilaza və aldehid reduktaza ifadə etməklə istehsala nail olmaq olar (Atsumi et al., 2009). Bir damla bioyanacaq olaraq da istifadə edilən və hazırda müxtəlif istehlak məhsullarında istifadə olunan n-butanol, 7942-ci ildə istehsal edilə bilər (Lan və Liao, 2011). N-butanol biosintetik yolu tapılan təbii n-butanol biosintetik yola əsasən qurulmuşdur. Clostridium asetobutilikum. Oksigenə dözümlü olan koenzim A-asilləşdirici (CoA) aldehid dehidrogenazların tədqiqi və səciyyələndirilməsi butiril-CoA-dan butiraldehidin alınmasına imkan verir. 404 mg/L final titrləri 2 mg/L/saat məhsuldarlığı ilə əldə edildi (Lan və digərləri, 2013).

Yağ turşuları. Yağ turşuları biodizellərin sintezində istifadə edilə bilər. Siyanobakteriyalar təbii olaraq iz miqdarda sərbəst yağ turşuları istehsal edirlər. Bu istehsal 7942, 6803 və 7002 -ci illərdə təkmilləşdirilmişdir. Sərbəst yağ turşularının həddindən artıq istehsalı hüceyrə fitnesinin azalmasına səbəb olur. 7002 -də sərbəst yağ turşusu istehsalı hüceyrəyə mənfi təsirlərin azalması ilə nəticələnir və RuBisCO -nun qeyri -təbii ifadəsi ilə & gt130 mg/L sərbəst yağ turşularının istehsalına gətirib çıxara bilər (Ruffing, 2014). Yerli sərbəst yağ turşusu istehsalı ilə birləşdikdə, bir etanol istehsal yolu ilə birlikdə heterolog diasilqliserol asiltransferazanın ifadəsi 7942 -ci ildə müxtəlif yağ turşusu etil esterləri (FAEEs) ilə nəticələnir. Bu platforma 7 mq/ FAEEs L (Lee və digərləri, 2017a).

Heptadekan. Heptadekan kimi uzun zəncirli karbohidrogenlər (bax Cədvəl 5-1) biodizelin sintezi üçün yanacaq istehsalında asanlıqla istifadə edilə bilər. Heptadekan istehsalı, hüceyrədəki təbii yağ turşusu istehsalından istifadə etməklə əldə edilə bilər. Asil-ACP reduktaz/aldehid-deformasiya edən oksigenaz (AAR/ADO) yolunu həddindən artıq ifadə etməklə, yerli olaraq alkanlar istehsal edən ştammlarda titrləri yaxşılaşdırmaq olar. Dəniz siyanobakteriyasında 7942-dən AAR/ADO yolunun ifadəsi 4,2 mikroq/q quru hüceyrə çəkisi heptadekanla nəticələnir (Yoshino et al., 2015).

Cədvəl 5-1 Hazırda CO -dan sintez olunan əmtəə kimyəvi maddələri və yanacaqların xülasəsi2 siyanobakteriyalardan və onların bildirilən istehsalından.

Mürəkkəb Gərginlik Hesabatlı İstehsalat
Etanol Sinekosist sp. PCC 6803 5,5 q/l
İzobutanol Synechococcus elongatus PCC 7942 0,5 q/l
n-butanol Clostridium asetobutilikum 2 mq/l/saat
Yağ turşuları Synechococcus elongatus PCC 7942
Sinekosist sp. PCC 6803
Sinekokok sp. PCC 7002
>130 mq/L
Synechococcus elongatus PCC 7942 4.2 & mikrog/q quru hüceyrə çəkisi
Synechococcus elongatus PCC 7942
Sinekokok sp. PCC 7002
Sinekosist sp. PCC 6803
1 mg/L/OD730/gün
4 mq/l
7 mq/l
Sinekokok sp. PCC 7002 0,6 mq/l
Synechococcus elongatus PCC 7942 2.4 g/L (21 gündən sonra)
3 q/l (10 gündən sonra, fotomiksotrofik şərait)
12.6 g/L (qlükoza və CO ilə davamlı işıqlandırma2)
5,7 q/L (23 saat yüngül velosiped)
Synechococcus elongatus PCC 7942 0.3 g/l

Mürəkkəb Gərginlik Məlumatlı İstehsal
Etilen Sinekosist sp. PCC 6803 2,5 ml/saat/OD730
qlikogen Sinekokok sp. PCC 7002 3,5 q/l (7 gündən sonra)
Laktat Sinekosist sp. PCC 6803
Synechococcus elongatus PCC 7942
0,8 q/l (2 həftədən sonra)
1,4 q/l (10 gündən sonra)
Synechococcus elongatus PCC 7942
Sinekosist sp. PCC 6803
0,8 q/l (6 gündən sonra)
İzopren Synechococcus elongatus PCC 7942 1,3 g/L (21 gündən sonra)
Synechococcus elongatus PCC 7942 50 mq/l
Synechococcus elongatus PCC 7942 5 mq/l

Limonen. Limonenin həm bioyanacaq, həm də həlledici kimi tətbiqləri var. Limonen, limonen istehsalı üçün yüksək seçiciliyə görə nanədən seçilmiş limonen sintaza (LS) üçün tək heteroloji genin ifadəsi ilə istehsal edilə bilər. LS ifadəsi, bitkilərdə tez-tez rast gəlinən yerli metil-D-eritritol 4-fosfat (MEP) yolu ilə karbon axını və limonenə huni axını üzərində kapitallaşır (Wang və digərləri, 2016a). Yüksək LS ifadəsinin qurulması titrlərin yaxşılaşdırılmasında çox vacibdir. Limonen istehsalı 7942 və 7002 -ci illərdə 1 mq/L/OD səviyyəsində qurulmuşdur730/gün (Wang və digərləri, 2016a) və 4 mg/L (Davies və digərləri, 2014). 6803 -cü ildə limonen istehsalını sürətləndirmək üçün oksidləşdirici pentoz fosfat (OPP) yolundan keçən karbon axını istifadə olunur. İki yerli fermentin həddindən artıq ifadəsi

(riboz-5-fosfat izomeraza və ribuloza 5-fosfat 3-epimeraza) və heteroloq geranil difosfat sintaza geninin ifadəsi limonen istehsalını 7 mq/L təşkil edir (Lin və digərləri, 2017).

Bisabolen. Bisabolenin bir biyodizel namizədi olaraq tətbiqləri var və istehsal MEP yolu boyunca karbon axınına və tək heterolog genin (E)-və alfa-bisabolen sintazına əsaslanır. İstehsal 7002-ci ildə qurulmuş və nəticədə 0,6 mq/L (Davies et al., 2014).

Əmtəə Kimya İstehsalı

Siyanobakteriyalarla istehsal oluna bilən əmtəə kimyəvi maddələr arasında 2,3-butandiol, 1,3-propandiol, etilen, glikogen, laktat, 3-hidroksipropanoik turşu, 3-hidroksibutanoik turşu, 4-hidroksibutanoik turşu, izopren və farnesen var.

2,3-Butandiol. 2,3-Butanediol sintetik polimerlər hazırlamaq üçün istifadə edilən bir kimyəvi maddədir (van Haveren və digərləri, 2008) və asanlıqla metil etil ketona, yanacaq əlavəsi və həllediciyə çevrilə bilər (Tran və Chambers, 1987). 2,3-Butanediol, piruvat şəklində mərkəzi metabolizmdən alınan karbona əsaslanır. İki piruvat molekulunun kondensasiyası, ardınca dekarboksilləşmə və heteroloji ifadə edilmiş genlər vasitəsilə reduksiya, 21 günlük istehsaldan sonra 2,4 q/L 2,3-butandiol ilə nəticələnir (Oliver və digərləri, 2013). 2,3-Butanediol oxşar şəkildə 6803 (Savakis və digərləri, 2013) və 7002 (Nozzi et al., 2017) istehsal edilmişdir. 7942 -ci ildə qlükoza əlavə edilməsi və ifadəsi galP, bir heksoz simporterini kodlaşdırmaq, hər iki CO -dan istifadə edərək böyüməyə imkan verir2 və qlükoza (McEwen et al., 2013). Bu modifikasiya həm işıqlı, həm də qaranlıq şəraitdə 2,3-butandiol sintezini davam etdirməyə imkan verir ki, bu da 24 saatlıq metabolit istehsalı üçün potensial faydalı strategiyadır. Fotomiksotrof şəraitdə 3 g/L 2,3-butandiol 10 gün ərzində istehsal edilə bilər (McEwen və digərləri, 2016). Təkmilləşdirilmiş CO üçün bu suşların qlobal metabolik yenidən qurulması2 fiksasiya, 2,3-butandiol titrlərini, qlükoza istifadəsinin səmərəliliyini və həm işıqlı, həm də gündəlik şəraitdə karbon fiksasiyasını artırır (Kanno və digərləri, 2017). Davamlı işıqlandırma altında, yenidən bağlanmış 7942 qlükoza və CO ilə qidalandıqda 12,6 q/L 2,3-butandiol (Kanno və digərləri, 2017) istehsal edir.2. Təbii 24 saatlıq (gündəlik) işıq dövriyyəsi altında yenidən çəkilmiş ştammda 5,7 q/L 2,3-butandiol istehsal olunur.

1,3-Propandiol. 1,3-Propandiol polimerlər, boyalar, həlledicilər və antifriz daxil olmaqla müxtəlif istifadəyə malikdir. Siyanobakteriyalarda istehsal, karbonun dihidoksiaseton fosfat (DHAP) şəklində Calvin-Benson dövründən çıxarılmasından asılıdır. DHAP, dörd mərhələli heteroloji olaraq ifadə olunan bir metabolik yolla 1,3-propandiolə çevrilə bilər. İstehsal darboğazlarının pozulmasından sonra 0,3 q/L 1,3-propandiol 7942-ci ildə istehsal edilmişdir (Hirokawa et al., 2016).

Etilen. Etilen, geniş yayılmış bir polimer olan polietilen yaratmaq üçün istifadə edilə bilər və qaz halında məhsulun olgunlaşmasını sürətləndirmək üçün istifadə edilə bilər. İstehsal 6803 -cü ildə qurulmuş və tək heterolog genin ifadəsinə əsaslanır. efe, etilen əmələ gətirən fermenti kodlayan (Efe). Efe, trikarboksilik turşu (TCA) dövründən 2-oksoglutaratı etilenə çevirir. Qismən silinməsi ntcA, karbon metabolizmasını tənzimləyən tanınan qlobal transkripsiya faktorunu kodlayan (Mo və digərləri, 2017), etilen istehsalında 23 faiz artım və 6803-cü ildə Efe aktivliyində 1,5 dəfə artım nümayiş etdirir (Mo və digərləri, 2017). Bu ştammda etilen istehsalı 2,5 ml/saat/OD-ə çatmışdır730 (Mo və digərləri, 2017).

qlikogen. Glikogen, ümumi bir enerji saxlama forması və kimyəvi istehsal üçün potensial bir karbon mənbəyidir. Bioyanacaq kimi istifadə etmək üçün etanola da çevrilə bilər. 7002 təbii olaraq azotun tükəndiyi şəraitdə glikogen toplayır. Qlikogen istehsalı işıq intensivliyi, CO daxil olmaqla mədəniyyət şəraitini dəyişdirməklə yaxşılaşdırıla bilər2 konsentrasiyası və duzluluğu (Aikawa et al., 2014). Təkmilləşdirilmiş istehsal şəraiti 7 gündən sonra 3,5 q/l glikogenlə nəticələnir (Aikawa et al., 2014).

Laktat. Bioloji parçalana bilən polimerlər üçün laktik turşunun bioloji sintezi 6803-cü ildə yaradılmışdır. Süd turşusunun istehsalı 0,8 q/L titrdə laktik turşuya çevrilməni kataliz etmək üçün mərkəzi metabolizmdən piruvatı çəkən tək fermentin, laktat dehidrogenazın heteroloji ifadəsini tələb edir. 2 həftəlik becərmədən sonra (Angermayr et al., 2014). Ko-faktor tələblərinin daha da optimallaşdırılması 7942-ci ildə 10 gündən sonra təxminən 1,4 q/l laktata səbəb olur (Li et al., 2015).

3-hidroksipropion turşusu, 3-hidroksibuterat və 4-hidroksibuterat. 3-Hidroksipropionik turşu (3-HP), 3-hidroksibuterat (3-HB) və 4-hidroksibuterat (4-HB) (Cədvəl 5-1), gündəlik həyatda istifadə olunan polimerlərin və plastiklərin sintezi üçün tətbiqlərə malikdir. 3-HB, 6803 və 7942-ci illərdə malonil-CoA-nı 3-HP-yə çevirən qeyri-yerli malonil-CoA redüktazın ifadəsi ilə istehsal edilmişdir. Malonyl-CoA təbii olaraq yağ turşusu biosintezi ilə qidalanır. Bu istehsal, karbon axını malonil-CoA-ya düzəltmək, malonil-CoA redüktazı ifadə etmək və nikotinamid adenin dinükleotid fofasta (NADPH) səviyyələrini optimallaşdırmaqla kömək edə bilər, nəticədə 6 gündən sonra 0.8 q/L (Wang və digərləri, 2016b). 7002-dən bir gen klasterinin tətbiqi ilə poli-3-hidroksibutirat və poli-3-hidroksibutirat-ko-4-hidroksibutirat istehsal etdiyi nümayiş etdirildi. Xlorogloea fritschii PCC 9212 (Zhang və digərləri, 2015). 3-HB istehsalı iki ardıcıl addımda 3-HB-yə çevrilə bilən yerli asetil-KoA istehsalına əsaslanır. Alternativ olaraq, 4-HB süksinik semialdehid şəklində TCA dövründən karbon çəkərək istehsal edilə bilər. 3-HB bir kopolimer yaratmaq üçün tək başına və ya 4-HB ilə birlikdə istehsal edilə bilər. İstehsal, kopolimerin 0,05 g/L 3-HB və ya 4,5 % ümumi hüceyrə quru ağırlığına çata bilər, 4-HB isə kopolimerin 12 % -ni təşkil edir (Zhang et al., 2015).

İzopren. İzopren sintetik kauçukların istehsalı üçün istifadə olunur. Doğma MEP yolunun həddindən artıq ifadəsi və bitki izopren sintaza geninin ifadəsi (ispS) 7942 -ci ildə izopren istehsalı ilə nəticələnir. Bu istehsal platforması ilə 21 gündən sonra 1.3 g/L izopren istehsal edildi (Gao və digərləri, 2016).

Skualen. Skualen qida, şəxsi qulluq və tibb sənayesində geniş istifadə olunur, lakin onun kommersiya istehsalı etibarsız və ideal deyildir. Squalene istehsalı əvvəllər maya kimi heterotrofik hostlarda qurulmuşdur.Eynilə, skualen 7942-ci ildə mayadan heteroloji skualen sintaza ifadəsinə əlavə olaraq yerli MEP yolunun həddindən artıq ifadəsi ilə istehsal edilmişdir (Choi və digərləri, 2017). Karbon axınındakı optimallaşdırmadan sonra bu yolun ifadəsi 50 mq/l skualenlə nəticələnir.

Farnesene. Farnesen yüksək performanslı polimerlər üçün bir xəbərçi və reaktiv yanacaq namizədi kimi istifadə edilmişdir. 7942 -ci ildə istehsal, karbonu farnesil difosfat şəklində MEP yolundan xaric edən farnesil sintazı kodlayan bir genin heterolog ifadəsi ilə əldə edildi. Mühəndisləşdirilmiş suş 5 mq/L &alfa-farnesen istehsal etmişdir (Lee et al., 2017b).

Siyanobakteriyaların genetik manipulyasiyası

Bəzi hədəf yanacaqlar və kimyəvi maddələr təbii olaraq meydana gələn siyanobakteriyaların xüsusiyyətlərindən istifadə etməklə istehsal oluna bilsə də, orqanizmlərin genetik materialının manipulyasiyası bir çox digər hədəf molekulların istehsalını təmin edə bilər. İstənilən genetik materialın əsas funksiyaları (gen inteqrasiyası və plazmidlər) kəsilmədən daxil edilə biləcəyi sahələr, arzu olunan kimyəvi hədəfin istehsalına nəzarət etmək yolları (promotorlar və riboswitchlər) və hüceyrəyə generasiyanı haradan başlamaq və dayandırmaq barədə məlumat vermək yolları haqqında anlayış. genetik manipulyasiyalar aparmaq üçün hədəf molekul (ribosomların bağlanma yerləri) lazımdır. CRISPR, istədiyiniz genetik materialın ana hüceyrələrə etibarlı şəkildə daxil edilməsi üçün başqa bir vasitədir.

Siyanobakteriyalarda yeni yolları təqdim etmək və idarə etmək qabiliyyətinə əlavə olaraq, hüceyrə metabolizması vasitəsilə karbon axınının hərtərəfli başa düşülməsi sənaye baxımından uyğun istehsal sisteminin yaradılması üçün açardır. Karbon axınının yaxşılaşdırılması üsulları, karbon lavabolarının istifadəsini, yan yolların pozulmasını, inhibitorların çıxarılmasını və dərəcəni artırmaq üçün protein birləşmələrini əhatə edir. Bu üsullar siyanobakteriyanı sənaye əlaqəsinə doğru itələsə də, hələ bilinməyən və əlavə araşdırmaya ehtiyacı olan çox şey var.

Siyanobakteriyaların metabolik mühəndisliyi

Siyanobakteriyalarda kimyəvi istehsalın əsas problemlərindən biri, əksər yollardan əmələ gələn aşağı titrlərdir. İstehsal adətən litr başına milliqram (mq/l) ilə məhdudlaşır. Birincil karbon olan RuBisCO mühəndisliyi üzərində çox səy sərf edilmişdir

siyanobakteriyalarda tutma mexanizmi. Bəzi təkmilləşdirmələr aparılsa da (Whitney et al., 2011), RuBisCO-nun təkmilləşdirilməsi çox çətin olduğunu sübut etdi və dəyişikliklər hələ də geniş miqyaslı kimyəvi istehsal üçün tələb olunan həddən aşağı qaldı.

RuBisCO mühəndisliyinə alternativ, siyanobakteriyaların qlükoza, glikogen, asetat və ksiloza daxil olmaqla alternativ karbon mənbələri ilə əlavə edilməsidir. Bu karbon mənbələri titrləri effektiv şəkildə yaxşılaşdırsa da, bu əlavə karbon həmişə kimyəvi istehsala yönəldilmir və çox vaxt biokütlə kimi itirilir. Metabolizmə karbon inteqrasiyasının diqqətli şəkildə yenidən qurulması bu karbon istifadəsini yaxşılaşdırmağa kömək edə bilər və CO-nu yaxşılaşdırmaq üçün bir karbon yuvası kimi çıxış edə bilər.2 fiksasiya (Oliver və Atsumi, 2015 van der Woude et al., 2014). Bununla belə, bu yanaşma hüceyrədəki karbon mübadiləsinin və alternativ karbon mənbəyinin necə daxil edildiyinin ətraflı başa düşülməsini tələb edir. Bundan əlavə, bu alternativ karbon mənbələri çirklənmə riskini artıra bilər. Yavaş böyüyən bir orqanizm olaraq mədəniyyətdəki siyanobakteriyalar qlükoza kimi mənbələrdən istifadə edə bilən rəqabət aparan orqanizmlər tərəfindən tez bir zamanda qalib gələ bilər. Alternativ karbon mənbəyinin əlavə dəyəri ilə birlikdə çirklənmənin qarşısını almaq üçün daha sərt üsullardan istifadə etmək zərurəti, istehsal xərclərini əhəmiyyətli dərəcədə artıra bilər və bir ana suşu olaraq siyanobakteriyaların istifadəsinin bəzi üstünlüklərini ortadan qaldıra bilər.

Karbon axını optimallaşdırmaq üçün tədqiqatçılar bunu tam anlamalıdır. Genom miqyaslı modellər (GSM), metabolik sistemlərin qiymətləndirilməsi və mühəndisliyi üçün vacib vasitələrdir. Modellər genomik məlumatlardan istifadə edərək orqanizmi və bütün metabolizmanı təsvir etmək üçün istifadə edilə bilər (Broddrick və digərləri, 2016 Kim və digərləri, 2017 Shirai və digərləri, 2016 Triana və digərləri, 2014). Hədəf kimyəvi məhsulun istehsalını optimallaşdırmaq, darboğazları müəyyən etmək və GSM olmadan ev sahibi üçün ən yaxşı istehsal sistemini hədəfləmək çətin olardı. GSM yönümlü mühəndislik, müxtəlif istehsal platformalarını təkmilləşdirmək üçün uğurla istifadə edilmişdir E. coli1,4-butandiol (Yim et al., 2011), likopen (Alper et al., 2005), laktik turşu (Fong və digərləri, 2005) və süksinat (Lee və digərləri, 2005) daxil olmaqla.

GSM -lərin heterotroflardan fotoavtotroflara keçməsi çətin bir prosesdir, bunun bir səbəbi, fotosintetik artımın enerji girişi kimi sadə faktorları çətinləşdirməsi, onları kompleks və ölçülməsini çətinləşdirməsidir. Son zamanlarda 7942 üçün iki GSM (Broddrick və digərləri, 2016 Triana və digərləri, 2014) inkişafı, maddələr mübadiləsində dəyişikliklər edərkən daha çox proqnozlaşdırıcı gücə imkan verir. Gərginliyin mühəndisliyinə kömək edə biləcək 7002 (Vu və digərləri, 2013) üçün hazırlanmış bir GSM istifadə edərək yeni anlayışlar əldə edildi (Hendry və digərləri, 2016). Bu modelə əsasən, sabit karbonun 10 faizə qədərinin istehsala yönəldilə biləcəyi proqnozlaşdırılıb (Vu et al., 2013). Bu proqnozlar eksperimental olaraq təsdiqlənməyib.

6803 üçün hərtərəfli GSM-nin qurulması siyanobakteriyalarda GSM inkişafı ilə 7942 və 7002-də görülən bir çox problemləri həll etməyə çalışdı (Hucka et al., 2003 Knoop et al., 2010 Stanford et al., 2015). Bununla birlikdə, əsas GSM komponentlərinin avtomatlaşdırılmış yığılmasının uyğunsuz gen notları və verilənlər bazası nomenklaturası ilə qarşısı alınır. GSM analizi gen funksiyasını, karbon metabolizmini, fotosintezi və kimyəvi istehsalı öyrənmək üçün 3167 gendən istifadə edir (Shirai et al., 2016 Yoshikawa et al., 2017). Bu modellər tanına bilər

hədəf kimyəvi istehsalında uğurla tələb olunan azaldıcı qüvvə uğrunda mübarizə aparan yerli metabolik reaksiyaların silinməsini gücləndirmək (Yoshikawa et al., 2017). Ənənəvi GSM-lər 6803-də tapılan yerli genlərlə məhdudlaşsa da, son təkrarlamalar hibrid fototrofik və heterotrofik siyanobakteriya modellərini yaratmaq üçün qeyri-doğma metabolik reaksiyaları birləşdirir (Saha və digərləri, 2016 Shirai et al., 2016). Bu genişləndirilmiş modellər, metabolik yol quruculuğu üçün yeni strategiyaları proqnozlaşdıra bilər və hədəf kimyəvi istehsalda məhsuldarlığı artıra bilər.

Sintetik biologiya alətləri, bir istehsalçı olaraq bir növdən istifadə etmək üçün vacibdir. Bu alətlər qeyri-doğma genlərin ifadəsi üçün saytlardan gen ifadəsini idarə etmək sistemlərinə və ya genetik manipulyasiya vasitələrinə qədər dəyişə bilər (Albers et al., 2015 Immethun et al., 2017 Ueno et al., 2017). Maya və kimi heterotrof ev sahibləri E. coli yaxşı işlənmiş sintetik biologiya alət qutularına malikdir, lakin bu alətlər çox vaxt siyanobakteriyalar kimi fotoautotrofik sahiblərlə uyğun gəlmir. Əslində, siyanobakteriyalar üçün hazırlanmış alətlərin ştamlar arasında ötürülməsi çox vaxt çətindir, bu da gen inteqrasiyası və hər bir ştam üçün transkripsiya və translyasiya səviyyəsində gen ifadəsinə nəzarət etmək üçün unikal alətlər toplusunun işlənib hazırlanmasını tələb edir. Bu vasitələrin bir çoxu siyanobakteriyalar üçün hazırlanmışdır (Berla et al., 2013 Golden et al., 1987 Markley et al., 2015). Ev sahibləri arasında alətlərin ötürülməsinin çətinliyinə əlavə olaraq, ev sahibi orqanizmlər arasında yolların ötürülməsi də çətin ola bilər. Gen ifadəsi, ara məhsullar və son məhsullar suşlar arasında müxtəlif toksikliklərə malikdir. Hər suşun özünəməxsus bir kodon seçimi, dəyişdirilmiş ferment aktivliyi və qurucu təşviqatçıları ola bilər. Siyanobakteriyalar üçün metabolik mühəndislik səylərinin ən böyük problemlərindən biri, hər növə uyğun olaraq alətlərin diqqətlə tikilməsidir.

Fotosintetik yanaşmalar üçün əsas fikirlər

Yaşıl yosunların və ya siyanobakteriyaların becərilməsindən asılı olmayaraq, karbon dioksidin istifadəsinə fotosintetik yanaşmalar onların xərcləri, faydaları, ətraf mühitə təsiri və sosial məqbulluğu ilə bağlı unikal mülahizələr toplusunu gündəmə gətirir. Əsas mülahizələrə istifadə olunan becərmə metodunun təsiri, geni dəyişdirilmiş orqanizmlərin istifadəsinə qoyulan məhdudiyyətlər, CO dərəcəsi daxildir.2 həlli, qida ehtiyacları və aşağı axın yükləri, su və torpaqdan istifadəyə təsirlər, CO-nun mövcudluğu və uyğunluğu2 tullantı axınları.

Kultivasiya metodunun təsiri

Yosun biokütlə istehsalında əsas diqqət becərmə üsulunun seçilməsidir. Həm açıq gölməçələr, həm də qapalı fotobioreaktor (PBR) dizaynları akademik və sənaye miqyasında tətbiq edilmişdir (Şəkil 5-2). Açıq gölməçələrin dizaynında, yelkənli təkərlər və ya hava qaldırma nasosları ilə yüksək su hərəkəti əldə edilə bilən uzunsov, ldquoraceway və rdquo dizaynları istifadə olunur (Benemann et al., 1978). Yarış yolu gölməçələri dominant dizayn olduğunu sübut etdi və tikintilərinin inanıldığı kimi dizaynı otuz ildə çox az dəyişdi.

ŞƏKİL 5-2 Yosun yetişdirmə texnologiyasına nümunələr: (a) 1 və (b) 2, müxtəlif növ qapalı fotobioreaktorlardır və (c) 3, açıq bir gölməçənin bir nümunəsidir.
__________________
1 Foto IGV Biotech.
2 Huang və digərləri, 2017.
3 Bax https://www.energy.gov/eere/bioenergy/production (10 oktyabr 2018 -ci ildə daxil edilmişdir).

reaktor dizaynları arasında ən ucuz olanlardan biridir. Yarış yolu gölməçələrinin ölçüləri bir neçə kvadrat futdan hektara və ya daha çoxa qədər dəyişə bilər və adətən polimer yataq astarları və avarçəkən tipli çarklardan istifadə edir. Yataq örtükləri bəzi yurisdiksiyalarda suyun təmizlənməsi qaydalarına cavab vermək üçün tələb olunur və hər hansı genetik cəhətdən dəyişdirilmiş növlərin istifadəsi də bu cür maneələri məcbur edə bilər. Yataq astarlarının dəyəri, xüsusən də ölçüsü artdıqca, bir yarış yolu gölməçəsinin kapital xərclərində üstünlük təşkil edir (Rogers və digərləri, 2014).

Qapalı PBR -lər müxtəlif tərəzi, materialları və dizaynları əhatə edə bilər (Gupta və digərləri, 2015), onların bir çoxu biokütlə mədəniyyətinə günəş radiasiyasının optimallaşdırılmasına xidmət edir. Ən sadə və ən çox yayılmış PBR, polietilen boruların hava və CO ilə şaquli olaraq asıldığı &ldquohanging bag&rdquo yanaşmasını həyata keçirir.2 ajitasiya və karbon əlavə etmək üçün diffuzorlar (Mart & iacutenez-Jer & oacutenimo və Espinosa-Ch & aacutevez, 1994). Son illərdə müxtəlif materiallardan istifadə edərək bir çox böyük sistem dizaynı təqdim edilmişdir. Hər hansı bir PBR sisteminin həyat qabiliyyətinə bağlı olan, temperaturun tənzimlənməsi, qapalı sistemlərin ümumi bir problemi və ümumiyyətlə nasoslu mayelərlə mədəni həyəcanlandırmaq qabiliyyətidir.

PBR -lərin kapital və əməliyyat xərcləri açıq gölməçələrə nisbətən xeyli yüksəkdir və hər bir texnologiyanın mənimsənilməsi bir çox amillərdən asılıdır (Richardson et al., 2012). Qapalı PBR -lər, temperatur, CO da daxil olmaqla, becərmə şərtləri üzərində sıx nəzarətdən faydalanırlar2 və O2 səviyyələri, günəşə məruz qalma, çirkləndiricilər və buxarlanma. Nəticədə, mədəniyyət sıxlığı açıq gölməçələrdə əldə edilə bilməyən səviyyələrə çata bilər (Schoepp et al., 2014). Çirkləndiriciləri və yırtıcılar da daxil olmaqla ekzogen növləri istisna etmək qabiliyyəti əlavə faydalar təqdim edir. Nəticədə, aşağı qiymətli əkinçilikdən daha çox məhsulun təmizliyinə üstünlük verilən yüksək qiymətli məhsulların istehsalı üçün qapalı PBR-lər üstünlük verilmişdir. Eyni şəkildə, istehsal xərclərini minimuma endirmək ehtiyacı nəzərə alınmaqla bioyanacaqların istehsalı üçün açıq gölməçələrə üstünlük verilmişdir.

Genetik cəhətdən dəyişdirilmiş orqanizmlərin istifadəsi

ABŞ -ın mövcud qanun və qaydaları, genetik olaraq dəyişdirilmiş orqanizmlərin (GMO) yayılması və yayılması ilə əlaqədar narahatlıqlar səbəbiylə açıq açıq gölməçələrdə geni dəyişdirilmiş yosunların istifadəsini sıx şəkildə məhdudlaşdırır. Bu yaxınlarda GMO yosunlarının təbii su hövzələrinə dağılmasını, kolonizasiyasını və təsirini qiymətləndirmək üçün məhdud bir araşdırma edildi (Szyjka və digərləri, 2017). Xüsusi bir araşdırma, geniş bir dağılım meydana gəldiyində, yerli növlərə təsirinin əhəmiyyətsiz olduğunu düşündü. Bu sahədə əlavə işlərə ehtiyac var.

CO dərəcəsi2 Qurtuluş

CO tullantıları üçün əsas problem2 bütün su sistemlərində istifadə CO2 solvasiya. Sulu məhlullarda qazların sadə tökülməsi bahalı və səmərəsiz həll olunma ilə nəticələnir. İki üsul hazırlanmışdır: biri amin əsaslı CO istifadə edir2 konsentrator, ardınca termal soyma, ikincisi isə həll edilmiş CO-ni deprotonasiya etmək üçün karbonat duzlarından istifadə edir.2 həll olunan bikarbonata çevrilir. Sonuncu metodun ekzogen üsulla təkmilləşdirildiyi də sübut edilmişdir

karbonik anhidraz, CO-nu kataliz edən bir ferment2 həll (Hernandez-Mireles və digərləri, 2014). Bu üsulların hər birində termal giriş və ya yüksək pH dəyərləri kimi çatışmazlıqlar var. Bəzi yosun suşları bu şərtlərə uyğunlaşa bilsə də, onların geniş miqyaslı biokütlə yetişdirilməsinə inteqrasiyasını yaxşılaşdırmaq üçün daha çox tədqiqat tələb olunur (Könst et al., 2017). Bəzi yosun suşları CO-nu asanlaşdırmaq üçün hüceyrədənkənar karbonik anhidraz istehsal edir2 həlli (Huertas et al., 2000).

Qidalanma tələbləri və aşağı yüklər

Bütün fotosintetik bitkilərdə olduğu kimi, yosunların becərilməsi fosfor və azot kimi gübrələrin tətbiqini tələb edir. Bu, yosun yetişdirilməsinin şirin su və sahil zonalarında ötrofikasiyaya (qida maddələrinin axını səbəbindən həddindən artıq yosun artımına) kömək edə biləcəyi ilə bağlı narahatlıqlar doğurdu. Evtrofikasiya artıq kənd təsərrüfatının axıntıları və məişət tullantı suları səbəbindən bir çox ərazilərdə ciddi ekoloji problemdir. Yosun yetişdirilməsinin bu problemi daha da çətinləşdirməsinin qarşısını almaq və hətta evtrofikasiyanı qismən həll etmək üçün bəziləri bələdiyyə və kənd təsərrüfatı çirkab sularının yosun yetişdirilməsi üçün qida mənbəyi kimi istifadə edilməsini müdafiə etmişlər (Woertz et al., 2009), beləliklə bu qidaları biokütlə becərilməsi ilə ələ keçirmişlər. aşağı su obyektlərinə çatmaq (Abdel-Raouf et al., 2012 Benemann et al., 2003 Brune et al., 2003). Bu ssenarilər, yosun yetişdirilməsi və çirkab suların təmizlənməsinin birgə lokalizasiyasını tələb edəcək və model pilot tədqiqatları əhəmiyyətli vədlər göstərir (Bohutskyi və digərləri, 2016 Chekroun və digərləri, 2014). Qidaların təkrar emalı həm yosun yetişdirilməsi üçün həm tullantıları minimuma endirmə vasitəsi olaraq, həm də suyun istifadəsini qorumaq səylərinin bir hissəsi olaraq əhəmiyyətli bir araşdırma sahəsidir (R & oumlsch et al., 2012).

Su və Torpaq İstifadəsinə Təsirlər

Yosunların biokütləsinin becərilməsi bol su mənbələrindən asılıdır. Bu, qıt şirin su mənbələri uğrunda rəqabətlə bağlı narahatlıq yaradır. Bununla belə, yosunlar təbii olaraq müxtəlif ekoloji şəraitdə, o cümlədən şirin suda, duzlu suda, duzlu suda və bir sıra ekstremal mühitlərdə boldur. Həm şirin su, həm də duzlu su yosunları ştammları nümayiş və pilot miqyaslı proqramlar üçün istifadə edilmişdir. Duzlu yeraltı suları Amerika Birləşmiş Ştatları boyunca əldə edilə bilər. Digər həyat mənbələri okean suyu və bələdiyyə çirkab sularıdır (Farooq et al., 2015). Nəticədə, şirin su qaynaqları yosun yetişdirilməsi ilə təhdid edilməməlidir. Yosun biokütləsi üçün istifadə olunan suyun təkrar emalı, təmizlənməsi və atılması da tədqiqat mövzusu olmuşdur, çünki istifadə olunan suyun növünün həyat dövrünün təsirləri və təkrar emal olunmasının əhəmiyyəti vardır (Guieysse et al., 2013 Yang et al. ., 2011).

Torpaqdan istifadə, CO -nun çevrilməsi nəzərə alınmaqla da vacib bir məsələdir2 tək bir elektrik stansiyasından çıxan tullantılar onlarla hektar biokütlə becərilməsini tələb edəcək. Yosunların becərilməsi əkin sahəsi tələb etmədiyi üçün kənd təsərrüfatı ilə rəqabət aparmayacaq və marjinal və ya şoran torpaqları olan bölgələri qiymətləndirə bilər. Ənənəvi əkinçilik kimi, növ seçimi də yerli iqlimdən asılı olacaq. Müxtəlif iqlim və ətraf mühit şəraiti üçün endemik yosun növləri öyrənilmişdir.

CO -nun mövcudluğu və uyğunluğu2 Tullantı axınları

Maksimum biokütlə istehsalına nail olmaq üçün CO2 yosunların becərilməsi ilə təmin edilməlidir. Bir çox pilot miqyaslı qurğular üçün CO qaynağı2 yerində sıxılmış CO vasitəsilə aradan qaldırılmış bir problem təqdim etdi2 saxlama və çatdırılma. İqtisadi araşdırmalar, enerji istehsalının biokütlə istehsalı ilə birgə lokalizasiyasının əhəmiyyətli üstünlüklər verə biləcəyini göstərdi (Kadam, 1997 Zeiler və digərləri, 1995). Ümumi CO2 enerji istehsalından çıxan baca qazının konsentrasiyası 12-15 mol%arasında dəyişir və bu konsentrasiyalar yosun biokütləsi ilə səmərəli şəkildə mənimsənilə bilər. Bir neçə pilot miqyaslı obyekt bu strategiyanı həyata keçirmişdir, bununla da CO2 təmin etmək üçün ərazidə baca qazından istifadə olunur.2 yosun mədəniyyətlərinə (Chen et al., 2012 de Morais and Costa, 2007 Wang et al., 2008). Bu cür birgə lokallaşdırma strategiyaları CO-nun daşınması kimi texnoiqtisadi təhlillərdə üstünlük təşkil edir.2 boru kəmərləri və ya nəqliyyat vasitələri ilə CO təmizlənməsi və konsentrasiyası tələb olunur2 mənbədən çıxır və bir sıra CO-dan istifadə etmək üçün fotosintetik mikroorqanizmlərin xas çevikliyindən istifadə edə bilmir.2 konsentrasiyalar.

CO -nun biokütlə istifadəsi2 sənaye elektrik stansiyalarından geniş miqyaslı karbon tutulması üçün potensial imkan yaradır. Təbii qaz və alovlu elektrik stansiyaları az miqdarda kükürd və azot ehtiva edən tullantı axını təklif edir. NO səviyyəsinin aşağı olmasıx və sairəx Tullantı axınında mövcud olanlar, nəticədə, yosunların əksər suşları tərəfindən metabolizə oluna bilər və beləliklə, ilk növbədə daşınma, istilik mübadiləsi və istifadə vaxtı üçün mülahizələr tələb olunur (Radmann et al., 2011). Kömürlə işləyən elektrik stansiyaları isə əlavə çirkləndiricilərin problemini ortaya qoyur. Əgər kifayət qədər təmizlənməmişsə, bu tullantı axınlarına arsen, kadmium, civə və selen kimi algesedik olduğu bilinən çirkləndiricilər daxil ola bilər (Vocke və digərləri, 1980). Biyokütlə yetişdirilməsi üçün çətinliklər yaratmaqla yanaşı, baca qazından əmələ gələn iz metalları və digər çirkləndiricilər biokütlə məhsullarının potensial tətbiqini məhdudlaşdıra bilər. Məsələn, kömürlə işləyən baca qazından əldə edilən məhsulların, ehtimal ki, daha çox çirkləndirici ehtiva etməsi, bu mənbələri heyvan yemi üçün zülal istehsalından daha çox bioyanacaq tətbiqləri üçün daha uyğun edir.


Fakultativ anaerob nümunələri

Maya

Ümumi fakultativ anaerobdur Maya, çörək və ya pivə hazırlamaq kimi müxtəlif yemək proqramlarında istifadə olunur. İstənilən halda bu fakultativ anaerob oksigensiz fəaliyyət göstərməlidir. Buna baxmayaraq, maya hələ də sağ qala bilər və bu məhsulların düzgün çıxması üçün lazımdır.

Çörəkdə maya xəmirdə qabarcıqların əmələ gəlməsinə cavabdehdir. Bu hava cibləri çörəyi yüngül və tüklü edir. Əks təqdirdə, çörək daha çox tort və ya keks kimi möhkəm bir kütləyə çevriləcəkdir. Maya, bu hava ciblərini xəmirdəki qlükozanın enerjiyə çevrilməsinin yan məhsulu olan karbon qazının salınması ilə yaradır. Daha yüngül, daha havadar xəmir aşpazları tez -tez xəmirin "qalxmasına" icazə verirlər. Bu termin sadəcə olaraq maya yüklü xəmiri isti yerə qoymaq və fakultativ anaerobun öz işini görməsinə imkan vermək deməkdir. Bir saat ərzində maya xəmirin içərisində böyük miqdarda karbon qazı yaradaraq onu genişləndirəcək və daha yüngül hala gətirəcək.

Pivə, şərab və digər spirtli içkilərdə maya əsas tərkib hissəsidir. Fermentasiya prosesi və ya spirtin əmələ gəlməsi mayada bol miqdarda şəkər, lakin az oksigen olduqda baş verir. Pivəçilər və şərab istehsalçıları məhsullarında spirt istehsal etmək üçün fakultativ anaerobun bu cəhətindən istifadə edirlər. Aerobik tənəffüs qlükozanı bir neçə təkrar emal olunan molekula və karbon qazına tamamilə azaldır. Fermentasiya, əksinə, son məhsul buraxır: etanol. Pivə və şərab istehsalçıları fermentasiya çənlərindəki şəkər və oksigen miqdarını ciddi şəkildə nəzarət edərək məhsullarında etanol (spirt) yaradırlar.Bu şəraitdə hər hansı bir fakültativ anaerob mayalanmaya müraciət edəcək və yan məhsul olaraq etanolu atacaq. Alkoqol qarışıqda lazımi səviyyəyə çatdıqda maya süzülür və içki şüşəyə tökülür.

Mollusks

Bulmacalarını həll etmək üçün, yuxarıdakı şəkildəki kimi midye, fakültativ anaerob qabiliyyətlərini inkişaf etdirdi. Midiya, gelgit çıxanda normal aerob tənəffüsünə güvənmək əvəzinə, midye amin turşularını parçalayan bir enerji növünə keçir. Bu, midyenin yeni bir oksigen mənbəyi almadan saatlarla, hətta günlərlə yaşamasına imkan verir.

1. İnsan əzələləri, işləmək üçün lazım olan ATP istehsal etmək üçün aerob tənəffüsə güvənir. Ancaq stress və sıx məşq zamanı bu əzələlərdə oksigen tükənir. Bu vəziyyətdə əzələlər laktik turşu istehsal edən bir fermentasiya üsuluna müraciət etməlidir. Süd turşusu yığıldıqda hüceyrələrə zərər verə bilər, buna görə də hüceyrələr sağ qalmaq üçün tez aerob tənəffüs sisteminə qayıtmalıdırlar. İnsanlar fakultativ anaeroblardırmı?
A. Yox
B. Bəli
C. Ola bilər

2. Fakultativ anaerobla obliqat anaerob arasında fərq nədir?
A. Fakultativ anaerob yalnız anaerob yollara malikdir.
B. Məcburi anaerob oksigenin mövcudluğunda sağ qala bilər.
C. Fakültativ anaerob sağ qala və oksigen istifadə edə bilər.

3. Elm adamları əvvəllər fakültativ anaerob orqanizmlərin adətən daha əvvəlki dövrün təkhüceyrəli qalıqları olduğuna inansalar da, sübutlar göstərir ki, bağırsaq parazitlərinin çoxu fakultativ anaeroblardır. Aşağıdakılardan hansı bu həqiqəti izah edir?
A. Bu orqanizmlərin oksigenə daimi çıxışı var.
B. Çox vaxt bağırsağın sahələri anaerobdur və bu orqanizmləri anaerob yollardan istifadə etməyə məcbur edir.
C. Bu orqanizmlər fakultativ anaerobu təmsil etmir.


E. coli-nin xammal ehtiyatlarını dəyişməsi nə qədər vaxt aparır? - Biologiya

Bəzi prokaryotlar və eukaryotlar, oksigen olmadıqda istifadə üçün enerji yarada biləcəkləri anaerob tənəffüsdən istifadə edirlər.

Öyrənmə Məqsədləri

Anaerob hüceyrəli tənəffüs prosesini təsvir edin.

Açar yeməklər

Açar nöqtələr

  • Anaerob tənəffüs, əvəzində oksigenin istifadə olunmadığı, son elektron qəbulediciləri kimi üzvi və ya qeyri-üzvi molekulların istifadə edildiyi bir tənəffüs növüdür.
  • Fermentasiya, NADH -dən NAD + bərpa etmək üçün üzvi bir molekul istifadə edən prosesləri əhatə edir.
  • Fermentasiya növlərinə etanolun istehsal olunduğu laktik turşu fermentasiyası və spirt fermentasiyası daxildir.
  • Laktik turşu fermentasiyası istisna olmaqla, bütün fermentasiya formaları bakteriyaların laboratoriya identifikasiyasında rol oynayan qaz yaradır.
  • Bəzi prokaryot növləri fakultativ anaerobdur, yəni oksigenin mövcudluğundan asılı olaraq aerob tənəffüs və fermentasiya arasında keçid edə bilirlər.

Əsas Şərtlər

  • arxeya: Birhüceyrəli mikroorqanizmlər qrupu. Hüceyrələrində hüceyrə nüvəsi və ya membrana bağlı başqa bir orqanoid yoxdur.
  • anaerob tənəffüs: Oksigendən başqa elektron qəbulediciləri istifadə edən tənəffüs forması.
  • fermentasiya: Anaerob biokimyəvi reaksiya. Bu reaksiya mayada baş verdikdə, fermentlər karbon qazının təkamülü ilə şəkərlərin spirtə və ya sirkə turşusuna çevrilməsini katalizləyir.

Anaerob Hüceyrə Tənəffüsü

Enerji istehsalı üçün oksigen lazımdır. ATP -nin çox hissəsinin əmələ gəldiyi elektron nəqliyyat zənciri böyük bir oksigen girişi tələb edir. Bununla birlikdə, bir çox orqanizm oksigen olmadan maddələr mübadiləsini həyata keçirmək üçün strategiyalar hazırlamış və ya oksigen az olduqda aerobikdən anaerob hüceyrə tənəffüsünə keçə bilər.

Hüceyrə tənəffüsü zamanı bəzi canlı sistemlər son elektron qəbuledicisi olaraq üzvi bir molekul istifadə edir. NADH -dən NAD + bərpa etmək üçün üzvi bir molekul istifadə edən proseslərə kollektiv olaraq fermentasiya deyilir. Bunun əksinə olaraq, bəzi canlı sistemlər son elektron qəbuledicisi kimi qeyri-üzvi molekuldan istifadə edirlər. Hər iki üsula da anaerob hüceyrəli tənəffüs deyilir, burada orqanizmlər oksigen olmadıqda enerjisini istifadə edirlər.

Bəzi prokaryotlar, o cümlədən bəzi bakteriyalar və arxeya növləri anaerob tənəffüsdən istifadə edirlər. Məsələn, metanogen adlanan arxa qrupu, NADH oksidləşdirmək üçün karbon qazını metana endirir. Bu mikroorqanizmlər torpaqda və inək və qoyun kimi gövşəyən heyvanların həzm sistemlərində olur. Eynilə, əksəriyyəti anaerob olan sulfat azaldan bakteriyalar və arxalar, NADH-dən NAD + -ı bərpa etmək üçün sulfatı hidrogen sulfidə qədər azaldır.

Anaerob bakteriyalar: Bu sahil sularında görünən yaşıl rəng, hidrogen sulfid istehsal edən bakteriyaların püskürməsindən qaynaqlanır. Bu anaerob, sulfat azaldıcı bakteriyalar suda yosunları parçalayarkən hidrogen sulfid qazı buraxırlar.

Eukariotlar anaerob tənəffüsdən də keçə bilər. Bəzi nümunələrə mayada spirt mayalanması və məməlilərdə laktik turşu fermentasiyası daxildir.

Laktik turşu fermentasiyası

Heyvanlar və müəyyən bakteriyalar (qatıqda olanlar kimi) tərəfindən istifadə edilən fermentasiya üsuluna laktik turşu fermentasiyası deyilir. Bu fermentasiya növü, normal olaraq məməlilərin qırmızı qan hüceyrələrində və aerob tənəffüsün davam etməsi üçün kifayət qədər oksigen təmin etməyən skelet əzələlərində (yəni yorğunluq həddinə qədər istifadə olunan əzələlərdə) istifadə olunur. Bu əzələlərdəki həddindən artıq laktat miqdarı qaçarkən ayaqlarınızda yanma hissinə səbəb olur. Bu ağrı, çox işləyən əzələlərin sağalması üçün istirahət etmələri üçün bir siqnaldır. Bu əzələlərdə laktik turşu yığılması qan dövranı ilə çıxarılmalı və daha sonra metabolizm üçün laktat qaraciyərə gətirilməlidir. Laktik turşu fermentasiyasının kimyəvi reaksiyaları aşağıdakılardır:

Pirouzum turşusu + NADH ↔ laktik turşu + NAD +

Laktik turşunun fermentasiyası: Laktik turşu fermentasiyası oksigen tükənmiş əzələ hüceyrələrində yaygındır.

Bu reaksiyada istifadə olunan ferment laktat dehidrogenazdır (LDH). Reaksiya hər iki istiqamətdə gedə bilər, ancaq soldan sağa reaksiya turş şəraitdə mane olur. Bu cür laktik turşu yığılmasının bir vaxtlar əzələlərin sərtliyinə, yorğunluğuna və ağrısına səbəb olduğuna inanılırdı, baxmayaraq ki, daha yeni tədqiqatlar bu fərziyyəni mübahisə edir. Laktik turşu əzələdən çıxarıldıqdan və qaraciyərə sirkulyasiya edildikdən sonra yenidən piruvik turşuya çevrilə və enerji üçün daha da katabolizasiya oluna bilər.

Alkoqol fermentasiyası

Başqa bir tanış fermentasiya prosesi, spirt olan etanol istehsal edən spirt fermentasiyasıdır. Alkoqol mayalanmasının istifadəsi tarixdə min illərlə əlaqələndirilə bilər. Alkoqol mayalanmasının kimyəvi reaksiyaları aşağıdakılardır (Qeyd: CO2 ikinci reaksiyada iştirak etmir):

Piruvik turşusu → CO2 + asetaldehid + NADH → etanol + NAD +

Alkoqol fermentasiyası: Üzüm suyunun şərab halına salınması yan məhsul olaraq CO2 əmələ gətirir. Fermentasiya tanklarında klapanlar var ki, istehsal olunan karbon dioksidin yaratdığı tankların içindəki təzyiqi azad edə bilək.

Birinci reaksiya tiamin pirofosfat koenzimi (B vitaminindən alınan TPP) ilə sitoplazmatik ferment olan piruvat dekarboksilaza tərəfindən kataliz edilir.1 və tiamin də deyilir). Bir karboksil qrupu piruvik turşudan çıxarılaraq karbon qazını qaz şəklində buraxır. Karbondioksidin itkisi molekulun ölçüsünü bir karbon azaldaraq asetaldehid əmələ gətirər. İkinci reaksiya NADH -ni NAD + -ə oksidləşdirmək və asetaldehidi etanola endirmək üçün spirt dehidrogenaz ilə kataliz edilir.

Piruvik turşusunun maya ilə fermentasiyası spirtli içkilərdə olan etanol istehsal edir. Mayanın etanol tolerantlığı maya ştamından və ətraf mühit şəraitindən asılı olaraq, təxminən 5 faizdən 21 faizə qədər dəyişəndir.

Fermentasiyanın digər növləri

Glikolizin altıncı addımı üçün adekvat NAD + tədarükünü təmin etmək üçün müxtəlif orqanizmlər tərəfindən müxtəlif fermentasiya üsulları istifadə olunur. Bu yollar olmasaydı, bu addım baş verməzdi və qlükozanın parçalanmasından heç bir ATP hasil olmazdı, digər fermentasiya üsulları da bakteriyalarda meydana gəlir. Bir çox prokaryotlar fakultativ olaraq anaerobdur. Bu o deməkdir ki, onlar oksigenin mövcudluğundan asılı olaraq aerob tənəffüs və fermentasiya arasında keçid edə bilərlər. Bəzi prokaryotlar, məsələn Clostridia, məcburi anaeroblardır. Məcburi anaeroblar molekulyar oksigen olmadıqda yaşayır və böyüyür. Oksigen bu mikroorqanizmlər üçün zəhərdir və ifşa edildikdə onları öldürür.

Qeyd etmək lazımdır ki, laktik turşu fermentasiyasından başqa bütün fermentasiya formaları qaz əmələ gətirir. Xüsusi qaz növlərinin istehsalı bakteriyaların laboratoriya identifikasiyasında rol oynayan xüsusi karbohidratların mayalanmasının göstəricisi kimi istifadə olunur.



Şərhlər:

  1. Gardalrajas

    Məncə, siz haqlı deyilsiniz. Mən əminəm. Mən bunu sübut edə bilərəm. PM-ə yazın, əlaqə saxlayaq.

  2. Yul

    Gözəl, çox əyləncəli fikir

  3. Caellum

    This argument only incomparably

  4. Temi

    haqlı deyilsən. Mən əminəm. Gəlin müzakirə edək.

  5. Cyrus

    Hesab edirəm ki, yanılırsınız. Mənə PM göndərin, müzakirə edəcəyik.

  6. Omet

    Düşünürəm ki, haqlı deyilsən. Mən əminəm. Baş nazir yaz, danışacağıq.

  7. Mezijind

    Yəqin ki, susuram



Mesaj yazmaq