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绿色环保、可持续发展的能源,已经成为全球各国发展的共同需求。生物丁醇因其具有热值高,便于管道运输且能与汽油以任意比混合等优良性能,越来越受到科研人员的重视。丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)发酵生产丁醇时伴随着丙酮、乙醇等副产物,故称为ABE(Acetone-Butanol-Ethanol)发酵。C.acetobutylicum L7是由C.acetobutylicum ATCC 824筛选出的一株稳定高产突变菌株,在本实验室人员前期研究的基础上得知,C.acetobutylicum L7添加Zn SO4(1 mg/L)后,与空白对照组相比,糖的利用率、丁醇的产量和产率均有所增加,因此做了相关的C.acetobutylicum L7和C.acetobutylicum L7(Zn+)转录组数据分析,发现基因ptna(CAP0066)、man Y/lev F(CAP0067)和ptnd(CAP0068)都是上调基因,上调倍数分别是6.9、7.0和7.1。这三个基因是PTSMan II系统操纵子的编码基因,与果糖和甘露糖的转运有关。本文进行了如下研究:以C.acetobutylicum L7为原始菌株,分别敲除、过表达和回补ptna、man Y/lev F和ptnd这三个基因,研究PTSMan II转运系统的糖转运机制。在以果糖为碳源的ABE发酵过程中,敲除基因ptna后菌株的丁醇产量为3.37 g/L,与原始菌株L7相比减少了31.78%;敲除基因man Y/lev F后菌株的丁醇产量为1.93 g/L,与原始菌株L7相比减少了60.93%;敲除基因ptnd后与原始菌株L7的丁醇产量相差不大。分别过表达基因ptna和man Y/lev F后菌株的丁醇产量分别为10.65 g/L和10.79 g/L,与原始菌株L7相比分别增加115.59%和118.42%;过表达基因ptnd后菌株的丁醇等溶剂产量与原始菌株L7相比差异不大。在以甘露糖为碳源的ABE发酵过程中,分别敲除基因ptna和man Y/lev F后菌株的丁醇产量分别为0.4 g/L和0.43 g/L,与原始菌株L7相比分别减少了67.48%和65.04%;敲除ptnd后菌株的丁醇产量与原始菌株相比差异不大。过表达基因ptna、man Y/lev F和ptnd后丁醇产量分别为10.11 g/L、10.13 g/L和7.09 g/L,与原始菌株L7相比分别提高了7.22、7.24和4.76倍。在以葡萄糖为碳源的ABE发酵过程中,与原始菌株L7相比,各敲除和过表达突变菌株对葡萄糖转运的影响不明显;以上三种碳源的ABE发酵都做了相关基因回补菌株的实验,均与原始菌株L7的发酵性能无明显差异。菊芋是一种可再生经济型且糖含量丰富的非粮作物,本文用过表达突变菌株进行以菊芋模拟料液(果糖:葡萄糖=4:1)为碳源的ABE发酵实验,与原始菌株L7相比,各过表达菌株的丁醇等溶剂产量几乎一致,但是过表达基因ptna和man Y/lev F后菌株的发酵时间极大缩短,溶剂的产率提高。以过表达ptna菌株和过表达man Y/lev F菌株进行以菊芋块茎水解液为碳源的ABE发酵实验,丁醇产量分别为7.65 g/L和7.50 g/L,与原始菌株L7相比分别增加了42.72%和39.93%。本论文研究工作是通过对PTSMan II转运系统操纵子的编码基因进行分子改造,提高菌株在以菊芋物料为碳源的ABE发酵中的糖利用率和丁醇产量,使得到的基因工程菌株具有一定的工业应用价值。