DHA是一种重要的Omega-3多不饱和脂肪酸，对人类健康，尤其是对婴幼儿大脑和视网膜发育非常重要。由于藻油DHA成本过高，目前仅限于保健食品或婴幼儿配方食品等高端产品领域的应用。裂壶藻是目前公认最佳的DHA生产菌种，传统发酵碳源是葡萄糖。近年随着生物柴油工业的兴起，利用生物柴油副产物-粗甘油取代葡萄糖作为碳源已经成为本领域的研究热点。裂壶藻利用甘油发酵产DHA的现有研究仅局限于发酵过程中的现象观察，对DHA生物合成的代谢机制并不清楚，因而无法从分子机制上对发酵策略进行理性设计。溶氧通常是裂壶藻发酵产DHA的关键控制参数，但在高密度发酵过程中溶氧普遍存在限制情形，因此亟待需要更佳的供氧控制技术。本文对裂壶藻利用甘油分批发酵产DHA过程中参与甘油初级代谢的关键酶进行了体外表征，结果表明裂壶藻利用甘油的主要代谢方式是通过磷酸化途径而不是二羟丙酮途径；其次磷酸化甘油是通过FAD+依赖性3-磷酸甘油脱氢酶（FAD+-G-3-P DH）而不是通过NAD+依赖性3-磷酸甘油脱氢酶（NAD+-G-3-P DH）生成磷酸二羟丙酮，这一方式与酿酒酵母Saccaromyces cerevisiae的甘油代谢途径相似，但有别于产油酵母Yarrowialipolytica。裂壶藻利用甘油分批发酵产DHA的过程中，发现裂壶藻细胞的生长明显可以分为细胞生长、脂质积累和脂质返耗三个阶段，每个阶段的代谢流都会发生明显迁移。裂壶藻中脂质的积累模式并不完全依赖氮缺乏的激发机制，而与细胞的生长紧密联系。氮源耗尽会促使裂壶藻细胞积累更多的脂质，当培养基中碳源浓度不能满足细胞的需求时，将诱发脂质返耗，甘油激酶（GK）、柠檬酸裂解酶（ACL）和NAD+依赖性异柠檬酸脱氢酶（NAD+-ICDH）均参与其中。在脂质返耗阶段，脂肪酸合成酶（FAS）产物包括奇数碳脂肪酸被优先降解，而聚酮合成酶（PKS）产物甚至还有少量新合成，最终导致PKS产物在总脂肪酸中的含量显著增加。因此，脂质返耗可以成为DHA被―浓缩‖的过程。相对于脂质积累，DHA与非脂生物质（Xf）的积累更相关。与碳源浓度、碳氮比、温度和盐度相比，氧对裂壶藻利用甘油合成DHA的影响更为显著。通过酶学性质和基因转录水平的研究发现氧对细胞生长、脂质积累和DHA合成的影响呈现不同的作用机制。当细胞处于生长阶段，体积氧传递系数（kLa）维持在较高水平即供氧水平较高时，甘油初级代谢酶的活力较高，三羧酸循环（TCA）旺盛，有利于菌体生长；在脂质积累阶段，提高kLa使调节碳流的NAD+-ICDH的活性下降，从而驱使更多的碳流经过TCA途径流向脂质合成。尽管ACL、苹果酸酶（ME）和NAD+-ICDH的活力与脂质积累的调控有一定关系，但随着kLa的变化，这些代谢酶活力的变化却无法解释脂质中DHA含量的变化。通过实时荧光定量PCR分析发现脂质中的DHA含量受FAS基因和PKS基因转录水平的共同调控，即当kLa增加后，FAS系统的基因转录水平相对PKS系统更有优势，造成总脂肪酸中的DHA含量下降；当kLa降低后，PKS系统的基因转录水平相对FAS上调倍数更多造成DHA含量上升。在利用甘油高密度发酵裂壶藻合成DHA的过程中，发酵液呈现出剪切变稀的非牛顿流体行为，与流变模型Herschel-Bulkey拟合度很高。随着供氧水平的增加，胞外多糖的分泌量会增加，发酵液粘度不断增加，氧传质阻力不断加大，kLa不断下降，因而出现DO限制的普遍情形。基于摄氧速率（OUR）能够更加精确地反映裂壶藻对氧的实际摄入水平，因此建议用OUR作为裂壶藻高密度发酵放大生产中的供氧控制参数。经过发酵条件的优化，采用恒定高供氧策略并结合甘油连续反馈流加策略培养裂壶藻，最终使得生物量密度达到151.40g/L，DHA浓度达到28.93g/L，DHA生产速率达到301mg/L/h，较目前已报道的最佳发酵水平的生物量提高了10.5%（137g/L），DHA浓度提高了67.61%（17.26g/L），DHA生产速率提高了109.03%（144mg/L/h）。本研究通过对裂壶藻利用甘油合成DHA的代谢途径和关键酶以及脂肪酸合成系统基因的研究，阐明了裂壶藻中甘油参与细胞生长、脂质合成和脂质反耗的代谢机制，揭示了氧对FAS系统和PKS系统调节裂壶藻中DHA含量的影响机制。随后结合裂壶藻在利用甘油实现高密度发酵过程中存在的DO限制现象，利用OUR能精确反映细胞对氧的摄入水平，最终将裂壶藻发酵的生物量、DHA浓度和生产效率显著提高，为利用粗甘油发酵裂壶藻产DHA的工业化生产提供了理论指导，具有重大的经济效益和社会价值。