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与酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)乙醇发酵Embden-Meyerhof-Parnas (EMP)途径相比,运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)通过Entner-Doudoroff (ED)途径代谢葡萄糖生产乙醇,这一过程ATP生成减少50%,可能积累较少的生物量,进而增加乙醇对糖的表观收率。此外,Z. mobilis细胞小,比表面积大,更有利于糖的吸收,提高乙醇发酵过程的生产强度指标。因此,Z. mobilis有更强的研究和应用价值。本文首先在可比实验条件下研究了酿酒酵母和运动单胞菌的乙醇发酵性能来证实这些推测。与S. cerevisiae ADY相比,Z. mobilis ZM4发酵100g L-1低葡萄糖浓度培养基时,乙醇表观收率和生产强度分别提高了3.5%和58.1%,发酵200g L-1高葡萄糖浓度培养基时,乙醇表观收率提高为3.3%,没有明显变化,但乙醇生产强度的提高与培养基流加策略密切相关,在补料批式发酵条件下,其提高幅度高达77.8%。微生物细胞自絮凝不仅可以方便菌体沉降分离,而且这一明显的形态改变可能提高细胞的环境胁迫响应。本文进一步比较了运动单胞菌常规非絮凝菌株(ZM4)和自絮凝菌株(ZM401)。实验结果表明,Z. mobilis的自絮凝对乙醇发酵性能没有明显影响,但ZM4在10.5g L-1的乙酸添加培养基中发酵同样时间,乙醇表观收率比ZM401降低了29.9gL-1。在1.0g L-1的香草醛添加培养基中,相同时间下ZM401发酵产生的乙醇表观收率比ZM4高29g L-1,说明絮凝菌株ZM401对秸秆类生物质预处理过程产生主要副产物乙酸和香草醛的耐受性明显比游离菌株ZM4高。在此基础上,采用激光聚焦反射测量系统(Focused beam reflectance measurement, FBRM)对Z. mobilis絮凝过程进行了在线监测和表征,研究了影响这一过程的物理和化学因素,推测其自絮凝的物质基础可能是胞外多糖,特别是纤维素类多糖,并进一步通过将纤维素合成酶基因簇过表达来尝试构建絮凝菌株,得到了可以达到清液发酵的基因工程菌ZM401-CTF258-6,证实了纤维素合成酶对Z. mobilis形成自絮凝特征具有一定贡献,可以使原本具有絮凝特性的ZM401细胞絮凝形成的更加完全,但纤维素合成酶的过量表达并非ZM401菌株絮凝的根本原因,因为在非絮凝菌株ZM4中进行纤维素合成酶的过表达并不能赋予其絮凝特性。最后对自絮凝菌株ZM401基因组进行测序,并与非絮凝模式菌株ZM4基因组进行比较,发现了58个单核苷酸多态(SNPs),其中28个SNPs在编码区,占48.3%,另外30个SNPs在非编码区,占51.7%,而且一个8bp的片段缺失存在于间隔序列,是假设蛋白ZMO1010重复序列的一部分。共线性分析显示ZM401和ZM4的基因组存在92个不同的变异核苷酸,为进一步揭示Z. mobilis自絮凝的分子机理奠定了基础。以上研究表明,与酿酒酵母相比,运动单胞菌,特别是自絮凝菌株,不仅乙醇发酵性能优良,而且具有较好的环境胁迫耐受性,是构建以秸秆为代表的木质纤维素类生物质为原料生产第二代燃料乙醇的良好出发菌株。