生物丁醇作为一种高效生物燃料,因其能值高、低腐蚀性等优势受到人们的广泛关注。木质纤维素作为来源丰富的廉价可再生原料在一定程度上可以提高丁醇生产的经济性。然而,利用木质纤维素进行丁醇发酵之前必须对其进行预处理,该过程不可避免地产生一系列化合物,其中由木质素衍生的酚类物质是抑制丁醇发酵最明显的一类化合物,且酚类物质水溶性较差、定性定量分析困难,导致其对丁醇发酵的抑制机理尚不明确。针对以上问题,本文选取Clostridium acetobutylicum ATCC 824作为研究对象,考察几种典型酚类物质(香草醛、香草酸、对羟基苯甲酸、对羟基苯甲醛)对丁醇发酵的综合影响,进而揭示产溶剂梭菌对该类物质的胁迫响应机制。本文的主要研究结论如下:(1)研究了100 mL厌氧瓶中不同浓度的酚类物质对丁醇发酵的影响。结果表明,低浓度香草醛(低于0.1 g/L)能够促进丁醇发酵,随着浓度增加抑制作用逐渐增强。将香草醛分别与其他酚类物质组合添加时发现,香草醛与阿魏酸组合添加对丁醇发酵的影响与单独添加无明显差别,而香草醛与香草酸、对羟基苯甲酸及对羟基苯甲醛分别组合时发酵受到强烈抑制,表明在无pH控制策略的厌氧瓶中,酚类物质对丁醇发酵具有协同抑制作用。(2)提出了5 L厌氧发酵罐进行丁醇生产的pH优化控制策略,即产酸期pH控制在5.0,产溶剂期pH不控制。实施该策略时,最终丁醇浓度从1.16 g/L大幅提高至9.42 g/L,增加了7.12倍,并解除了无pH控制条件下的“酸崩溃”现象。(3)在pH控制策略下,研究了酚类物质对5 L发酵罐规模的影响特征,通过添加不同浓度的酚类物质得出以下结论:较低浓度的香草酸或香草醛(低于0.2 g/L)能够促进梭菌生长;通过各种酚类物质的复合添加发现,酚类物质对丁醇发酵具有不同程度的影响。(4)选取了典型酚酸和酚醛作为胁迫因子,分析不同条件下C.acetobutylicum的转录组变化特征。结果表明,酚醛物质对丁醇发酵的抑制作用大于酚酸物质;同时酚类物质会改变膜转运相关基因的表达导致碳吸收效率降低,与热休克蛋白相关的基因在酚类物质胁迫下上调。另外,双组分系统和产孢相关基因的表达水平也受到了酚类物质影响。通过发酵动力学和转录组学分析初步揭示了C.acetobutylicum对酚类物质胁迫的生理应答机制。综上,该研究结果有望为通过代谢工程手段改造C.acetobutylicum提高微生物细胞耐受酚类物质提供理论依据,也为木质纤维素原料高效生产燃料丁醇提供基础支撑。