1,3-丙二醇是一种重要的大宗生物基化学品,广泛用于纺织、食品、制药、化妆等多个行业。利用微生物转化粗甘油生产1,3-丙二醇,以其高效的1,3-丙二醇转化率、反应条件温和、环境友好等优势得到了国内外学者的广泛关注。然而,由于粗甘油中杂质对菌体生长代谢的抑制作用,以及天然菌株有限的代谢水平,天然纯菌的粗甘油利用能力及1,3-丙二醇生产水平很难满足工业化生产要求。而微生物菌群种间及种内的生物多样性,对复杂底物具有较单菌更好的适应性,且有望突破单菌的1,3-丙二醇转化率,达到良好的生产水平。本研究从厌氧活性污泥中筛选出一组粗甘油耐受能力强、1,3-丙二醇生产水平高的厌氧微生物菌群C2-2M,并探究了其在批式、批式流加及连续发酵中甘油代谢特征、1,3-丙二醇生产水平、菌群结构变化及发酵稳定性,揭示了菌群内部存在的潜在相互作用。主要研究包括:首先,从厌氧活性污泥中筛选出一组高效转化粗甘油为1,3-丙二醇的微生物菌群,并对该菌群的组成进行了鉴定。以粗甘油为唯一碳源,通过厌氧迭代传代的方式筛选得到微生物菌群。该菌群在传代过程中经历适应期、波动期最终到达稳定期,连续传代至第19代得到生长代谢稳定的菌群C2-2M。菌群C2-2M对粗甘油具有很强的适应性及转化能力,其1,3-丙二醇摩尔转化率达到0.69 mol/mol甘油,接近纯菌理论转化率。通过16S rRNA微生物多样性分析表明,菌群C2-2M中以丁酸梭菌为代表的梭菌科菌株（Clostridiaceae）为绝对优势菌群,占总量的94.64%,此外还含有4.47%消化链球菌科菌株（Peptostreptococcaceae）等其他微量菌株。其次,考察了微生物菌群C2-2M对底物甘油浓度的适应能力及1,3-丙二醇的生产水平,并探索了菌群内部潜在的相互作用关系。在批式发酵中,微生物菌群C2-2M可高效转化120 g/L粗甘油为60.61 g/L 1,3-丙二醇,生产强度为3.79 g/（L·h）。在批式流加发酵中,采用脉冲补料的方式将残余甘油浓度由15g/L一次性补料至80g/L,对微生物菌群生长及1,3-丙二醇生产无影响,1,3-丙二醇浓度达到82.66 g/L,生产强度为3.06 g/（L·h）。微生物菌群C2-2M的1,3-丙二醇生产能力均接近文献报道的最高水平。进一步通过梯度稀释人为改变微生物菌群C2-2M的原始菌群结构,并分离获得单一菌落,探究了微生物菌群C2-2M内部潜在的相互作用关系。梯度稀释得到的简化菌群的粗甘油耐受能力随稀释度的增加而逐渐降低;分离获得的4株丁酸梭菌均呈现出不同的甘油耐受能力、生长速度及较低的1,3-丙二醇生产水平。以上结果表明,微生物菌群C2-2M对粗甘油的强适应能力及卓越的1,3-丙二醇生产水平归因于菌群中不同甘油耐受力及生长速率的菌种的协同作用。再次,探究了微生物菌群C2-2M在不同稀释速率及底物补料浓度条件下连续发酵的发酵性能及菌群结构变化。在底物补料浓度为130 g/L,稀释速率为0.096 h-1的连续发酵中,菌群C2-2M的1,3-丙二醇产量达到最高值57.86 g/L,生产强度为5.55 g/（L·h）。对菌群结构分析表明,微生物菌群在高稀释速率或高甘油补料浓度下运行会使菌群结构变得更加单一。代谢动力学分析表明,不同运行条件对菌群结构有影响,但甘油消耗、生物量及1,3-丙二醇生成则遵循特有的动力学规律。进一步考察了微生物菌群C2-2M长期连续运行的稳定性。底物过量时微生物菌群C2-2M可连续稳定运行31个置换体积,平均1,3-丙二醇浓度达到53.52 g/L。然而,底物限制时菌群C2-2M在连续运行120h后出现自发性振荡行为,并伴随菌群结构的剧烈波动。最后,对分离菌株C.butyricum S3引发振荡行为的条件、代谢特征、氧化还原态、细胞形态及基因表达等进行了表征,并探究了此类振荡行为的发生机制。实验结果表明,C.butyricum S3的自发性振荡行为仅发生在底物甘油限制条件下,并且其振荡行为属于甘油代谢通路的全局振荡,其中乳酸、甲酸及H2的振荡模式显著滞后于生物量、1,3-丙二醇及丁酸的振荡。在C.butyricum S3振荡过程中,胞内及胞外氧化还原水平呈现出一致的波动模式,表现为从振荡上升期到下降期细胞由氧化态向还原态过渡。此外,振荡期间C.butyricum S3细胞形态也呈现周期性变化,振荡波谷期细胞出现团聚、细胞碎片/孢子等异常形态出现。对振荡周期内转录组学分析表明,丙酮酸代谢、乙酰CoA转化为乙醛以及多种应激蛋白相关基因的表达量在振荡下降期异常升高。基于上述结果,提出两种可能引发C.butyricum S3振荡行为的机制:1)丙酮酸代谢紊乱,特别是铁氧还蛋白再生异常;2)有毒代谢产物乙醛过量积累。综上,本文探索了微生物菌群转化廉价原料粗甘油为高附加值化学品1,3-丙二醇的可行性,为微生物菌群发酵其它生物基化学品提供了新的范例。该技术的工业应用将由自然微生物菌群向理性设计的人工微生物菌群过渡,以期最大限度发挥微生物菌群的潜能。