鋅元素調(diào)控厭氧食氣梭菌Clostridium carboxidivorans P7發(fā)酵產(chǎn)溶劑的機(jī)制.pdf

1、化石能源正以驚人的速度被消耗，有關(guān)專家預(yù)計(jì)全球的石油資源將在50年內(nèi)消耗殆盡；煤炭資源按當(dāng)前的消費(fèi)水平，也只能維持200年左右的時(shí)間；天然氣資源若是年開采量維持在2.3萬億立方米，則將在80年內(nèi)枯竭?；剂系拇罅渴褂?使 CO2的濃度持續(xù)增加，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重危害。面對(duì)化石能源的枯竭和環(huán)境的污染，尋找具有競(jìng)爭(zhēng)力的可再生清潔能源得到了廣泛的關(guān)注，可再生能源的開發(fā)利用已經(jīng)成為人類發(fā)展非常迫切的需求。
　　以合成氣（CO、CO2和 H

2、2）為原料制造乙醇、丁醇等大宗化學(xué)品技術(shù)日益受到了人們的重視。同時(shí)，合成氣發(fā)酵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展能夠推動(dòng)工業(yè)原料路線的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移，從源頭控制工業(yè)污染源，對(duì)于破解環(huán)境污染和資源制約具有重大意義。合成氣合成的方法分為兩種，化學(xué)合成法和微生物發(fā)酵法。相較于化學(xué)合成法，微生物發(fā)酵法具有成本低廉，適應(yīng)性廣，操作簡單和產(chǎn)物的特異性好等優(yōu)點(diǎn)。
　　自然界中存在一類名為產(chǎn)乙酸菌的厭氧微生物，可利用 H2+CO2或者/和 CO作為碳源進(jìn)行自養(yǎng)生活，它們?cè)谧责B(yǎng)

3、生活的過程中可以合成如乙醇、丁醇等液體燃料以及其它具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的代謝終產(chǎn)物。使其成為合成氣微生物發(fā)酵過程中理想的催化劑。
　　本研究以實(shí)驗(yàn)室保藏的 C. carboxidivorans P7菌株為研究對(duì)象，該菌屬于產(chǎn)乙酸菌的一種，代謝產(chǎn)物有乙醇、丁醇、己醇、乙酸和丁酸。產(chǎn)物代謝途徑主要包括兩個(gè)階段：碳固定與產(chǎn)物合成兩個(gè)階段。通過 Wood-Ljungdahl途徑利用 CO2或 CO合成重要中間代謝物乙酰輔酶A，它既可以被用來合

4、成細(xì)胞骨架，也可以通過產(chǎn)物代謝途徑生成乙醇、丁醇、己醇、乙酸和丁酸。
　　我們研究了高濃度鋅元素條件下C. carboxidivorans P7合成氣發(fā)酵的調(diào)控特征及其分子機(jī)制。一定濃度范圍之內(nèi)，隨著初始鋅離子濃度的增加（0~560μM），C. carboxidivorans P7發(fā)酵的生物量和醇類物質(zhì)的產(chǎn)量都隨之增加。利用熒光定量 PCR研究了鋅離子添加量為280μM體系下，菌株 C. carboxidivorans P7的Wo

5、od-ljungdahl途徑以及酸醇代謝途徑中的各功能基因的表達(dá)水平變化發(fā)現(xiàn)參與固碳功能的 acsA，fdhⅡ，fdhⅢ，fdhⅤ，以及產(chǎn)物合成途徑中 buk和 bdh35基因相對(duì)表達(dá)量有顯著升高的現(xiàn)象。同時(shí)，adh基因和 CoAT基因也有明顯提升。說明在鋅脅迫條件下，C. carboxidivorans P7是通過提高參與固碳功能基因以及醇脫氫酶基因的表達(dá)水平來實(shí)現(xiàn)合成氣發(fā)酵整體效率的提升。
　　在Wood-ljungdahl途

6、徑以及酸醇代謝途徑中，大部分酶的功能中心含金屬元素。因此我們還選擇了在C. carboxidivorans P7合成氣發(fā)酵途徑中重要酶類的必須金屬元素——鋅、鉬、鎳進(jìn)行培養(yǎng)基的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)以提高C. carboxidivorans P7產(chǎn)物中醇含量，為工業(yè)化生產(chǎn)以及金屬元素在生物體內(nèi)的作用提供理論依據(jù)。結(jié)果表明，單一金屬元素的培養(yǎng)基優(yōu)化結(jié)果來看，當(dāng)培養(yǎng)基中去除鉬元素，鎳元素為8.4μM時(shí)，C. carboxidivorans P7生物量積累