木质纤维素来源抑制物的耐受问题是生物炼制过程中木质纤维素生物质有效生物转化的重大挑战。产生于半纤维素脱乙酰化过程的乙酸是最主要的弱酸类抑制物;来源于木质素氧化降解的p-苯醌是一种新发现的典型醌类抑制物;钠离子是预处理木质纤维素原料pH调控过程中富集的典型金属离子。三者在木质纤维素水解液中的存在与富集可强烈抑制微生物发酵菌株的细胞生长与产物发酵。消除乙酸、钠离子与p-苯醌对生物炼制发酵菌株的抑制影响作用是实现纤维素乙醇与其它生物基化学品高效发酵生产的重要环节。利用具备抑制物降解转化能力的特定微生物在发酵前对木质纤维素来源抑制物进行生物降解转化(生物脱毒),或采用基因工程手段对发酵菌株进行理性改造增强其抑制物降解能力或耐受性是有效应对抑制物问题、提高木质纤维素生物转化效率的重要策略。树脂枝孢霉Amorphotheca resinae ZN1是最重要的生物脱毒菌株,具有零废水产生、零能量消耗以及发酵得率高等诸多优势。本论文对A.resinae ZN1的乙酸代谢特性、降解机理与抗性分子机制进行了研究。首先,从代谢水平分析了A.resinae ZN1在不同浓度葡萄糖与木糖存在的液体培养体系与固态培养体系下的乙酸降解特性,发现Aresinae ZN1在乙酸与葡萄糖或木糖共同存在的培养条件下优先降解转化乙酸,并更加偏向于在高固体含量的固态培养体系下实现对乙酸的快速代谢。其次,借助RNA-Seq技术和qRT-PCR技术定量分析A.resinae ZN1在乙酸压力胁迫下的基因组转录水平以解析乙酸代谢途径和抗性响应机制。结果发现,A.resinae ZN1在葡萄糖存在的培养体系下经由三羧酸循环降解乙酸,而在无糖存在的培养体系下通过三羧酸循环与乙醛酸循环的共同作用降解代谢乙酸。A.resinae ZN1在乙酸压力胁迫下的抗性响应包括诸如激活离子转运、增加氨基酸吸收与生物合成、诱导麦角固醇的生物合成与能量产生等众多生物过程。运动发酵单胞菌Zymomonas mobilis ZM4是纤维素乙醇发酵的重要工业菌株,但此菌对金属离子抑制物比较敏感。本研究采用基因工程手段,在Z.mobilis ZM4中过表达金属离子跨膜吸收与外排转运相关基因以提高菌株的钠离子耐受性能。结果发现,Z.mobilis ZM4内源Na+/H+逆向转运子基因ZMO0119能够有效加强Z.mobilis细胞对钠离子的外排转运能力,降低菌体胞内的钠离子浓度水平。在Z mobilis ZM4中过表达ZMO0119基因将菌体胞内的钠离子浓度较对照菌株降低了 43.7%,显著提高了Z.mobilis对高浓度钠离子的耐受能力,加快了菌株在以含有高浓度钠离子的预处理玉米秸秆为原料进行纤维素乙醇生产的实际生物炼制发酵过程中的菌体生长、葡萄糖消耗与乙醇生产。p-苯醌是木质纤维素生物质预处理过程中产生于木质素氧化降解的一种新发现的、具有强烈毒性的典型醌类抑制物。与已经被广泛研究的呋喃醛、酚类与弱有机酸类抑制物不同,目前关于p-苯醌的抑制特性、毒害机理、抗性机制及脱毒策略尚未被清晰地阐明。首先,本研究鉴定分析了p-苯醌在不同干式稀酸预处理木质纤维素原料中的存在,详细研究了该抑制物对酵母及细菌多种生物炼制发酵菌株的抑制特性与抑制机理。结果发现,p-苯醌是木质纤维素预处理过程中所产生的不可避免的毒害副产物,在低浓度水平(0.02-0.3 g/L)下即可诱导胞内活性氧自由基的产生、破坏细胞外膜的完整性、阻碍糖酵解与产物发酵过程,对酵母及细菌多种发酵微生物产生强烈的抑制作用。其次,从代谢水平研究了微生物菌株对p-苯醌的降解转化特性,并从基因转录水平定量分析了菌株在p-苯醌处理下的基因表达水平,发现降解转化p-苯醌为低毒的氢醌是微生物菌株高p-苯醌耐受性的重要抗性机制,其关键抗性基因包括氧化还原酶基因、还原酶基因、脱氢酶基因以及羟化酶基因。关键抗性基因ZMO1696、ZMO1576、ZMO1949、ZMO1984与ZMO1399的过表达显著提高了 Z.mobilis的p-苯醌耐受性能与纤维素乙醇发酵性能。综上所述,本研究针对乙酸、钠离子与p-苯醌抑制物的抑制问题,从代谢水平与分子生物学水平解析了生物脱毒真菌A.resinae ZN1的乙酸代谢特性、降解机理与抗性分子机制;经理性改造有效提高了Z.mobilis ZM4的钠离子的耐受能力与纤维素乙醇发酵性能;基于代谢水平分析与基因转录水平分析阐明了p-苯醌的抑制特性、细胞毒害机理以及微生物菌株降解p-苯醌的分子生物学机制,筛选得到了p-苯醌抗性关键作用基因并通过基因工程改造提高了Z.mobilis的p-苯醌耐受性与乙醇发酵性能。本研究为高抑制物抗逆性生物炼制发酵工程菌株的构建提供了重要理论依据。