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微生物的产丁醇代谢 摘要 ：丁醇作为一种传统工业原料，自二战前就开始被广泛应用，是印染、医药、香料等的 重要原料。 传统上用石油产品作为生产原料， 如今， 丁醇被赋予了新的用途， 即汽车等燃料 的替代品。 为了节约成本， 加强环保， 各个实验室开展了生物法制丁醇的研究。 本文介绍了 微生物产丁醇的一些菌种，以及产丁醇代谢的过程，最后介绍了现在的应用状况以及前景。 关键词 ：丁醇 厌氧发酵 汽油 梭菌 简介 丙酮丁醇是一种重要的有机溶剂和化工原料，广逆用于喷漆、炸药、塑料、 制药、植物油提取及有机玻璃、合成橡胶等工业 [2,3,4,11~17] 。目前生产方法有化学 合成和发酵法两种 [13] ：发酵法产丁醇曾经是世界上仅次于酒精发酵的第二大发 酵产业 [2,9] ，而现在常用的是石油产品进行化学合成。石油资源紧缺而导致的石 油价格持续上涨已成为不可逆转的趋势 [12] ，而丁醇作为一种替代的清洁性能源， 其生物学制法越来越受到关注。 国内生产生物丁醇 (ABE 发酵 ) 主要是以玉米为原料，利用丙酮丁醇梭菌 (Clostridium acetobutylicum)发酵[7] ，而国外一般使用拜氏梭菌，用蜜糖为发酵原 料 [8] 。梭菌属严格厌氧，能形成芽孢、厌氧生长的革兰氏阳性杆菌。因芽孢常比 菌体大， 致使菌体呈梭状而得名， 又称厌氧芽孢杆菌属。 现在已知的梭菌都是产 生正丁醇的， 近期，美国杜邦公司和加州大学发现一种使用藻类产生异丁醇的工 艺，现在处于必威体育官网网址阶段。本文中如无特指，丁醇均是指正丁醇。 1. 发酵原理 丙酮丁醇发酵包括 2 个不同的时期： 产酸期和产溶剂期。 产酸阶段， 细胞处 于指数生长期，主要产生乙酸、丁酸、 H 和 CO ，有机酸的产生引起了发酵液 2 2 pH 的下降； 随着有机酸积累到一定阶段（ pH 达到 4 .3~4.5），发酵进入产溶剂 期，此时细胞处于稳定期，产生 的乙酸和丁酸在这一阶段转变为 ABE ，随着发 酵 的进行，丙酮丁醇梭菌开始衰老，活力下降，加上底物的消耗，溶剂的毒害 作用，使菌体开始自溶或生成孢子，发酵逐渐由微弱最终达到静止结束 [11] 。 如图 1，是整个产丁醇的反应的流程及相关酶类。 图 1 产丁醇代谢流程及相关酶 如上图，梭菌中有几种特殊的酶，对产丁醇代谢起着关键的调节作用 [11] 。 在反应的整个代谢途径有 3 个重要的中间代谢产物：乙酰 -CoA 、乙酰乙酰 -CoA 和丁酰 -CoA ，这 3 个产物引起了有机酸和溶剂的产生。因此，推动这三种物质 产生的酶是整个反应的关键酶。通过基因沉默实验也验证了这一假设 [9] 。 2. 菌种筛选及产物的测定 2.1 菌种筛选 目前，丙酮 -丁醇发酵主要的菌种选育手段是诱变育种。由于初筛得到的菌 种往往丁醇产率及耐受能力很差， 需要经过诱变二次筛选才有实用价值。 目前常 用的方法为 2-脱氧 -D- 葡萄糖平板筛选。通常使用的诱变剂为 N+离子[3] ，亚硝酸 亚硝基类 [7] 等。流程如图 2。 丙酮丁醇梭菌细胞 诱变剂诱变