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随着石油资源的枯竭与人类环保意识的提高，利用可再生生物质资源生产平台化合物的生物炼制技术日益受到研究者关注。2，3-丁二醇(2，3-BD)是一种具有重要价值的C4平台化合物，广泛应用于农业、化工、食品、化妆品等多个行业。目前，2，3-BD生产的通用方法以裂解气中丁烯为原料，在高温高压的条件下反应，存在生产成本过高、工艺流程复杂、污染环境等缺点。因此，采用反应条件温和、操作简单的微生物发酵法进行2，3-BD生产受到了研究者的青睐。
多种微生物中均存在2，3-BD生物合成途径，能够以不同碳源为底物生产2，3-BD。微生物中2，3-BD合成起始于丙酮酸在α-乙酰乳酸合成酶的作用下缩合形成α-乙酰乳酸;然后α-乙酰乳酸在α-乙酰乳酸脱羧酶的作用下生成乙偶姻(AC);最后AC在乙偶姻还原酶/2，3-丁二醇脱氢酶作用下还原生成2，3-BD。尽管2，3-BD合成途径广泛分布于不同微生物中，但2，3-BD合成对于微生物的生理意义尚不清楚。乙酸溢流是微生物在好氧、高葡萄糖消耗及快速生长情况下呈现出的与厌氧状态相似的表型，将葡萄糖部分氧化生成乙酸而非通过TCA完全氧化来提供ATP。乙酸溢流会抑制工业微生物的生长、降低目的产物产率及增加产物纯化的成本。课题组前期研究发现，2，3-BD生产菌株阴沟肠杆菌SDM(Enterobacter cloacae SDM)中存在乙酸先合成后消除的现象，推测2，3-BD合成可能参与乙酸溢流的消除。本论文研究确认乙酸溢流的消除过程伴随2，3-BD的合成;后续通过基因敲除及过表达、基因转录水平分析、同位素示踪、还原力扰动等一系列手段，确定了E.cloacaeSDM中乙酸溢流消除的机制，阐明了2，3-BD合成途径在乙酸消除过程中的作用与具体生理意义:2，3-BD合成通过提供NADH支持由乙酸向乙醇的还原转化，推动乙酸的消除。
几丁质是自然界中除纤维素外第二丰富的多聚糖类，为N-乙酰葡萄糖胺(GlcNAc)通过β-1，4-糖苷键聚合而成的结构同多糖。生物利用几丁质单体GlcNAc的过程中会不可避免地产生乙酸，本论文将乙酸溢流消除机制应用于GlcNAc资源化过程，利用2，3-BD合成过程产生的NADH推动乙酸还原产生乙醇，进一步敲除E.cloacaeSDM中不同消耗还原力的副产物合成途径(乳酸、琥珀酸)，阻断AC向2，3-BD的还原转化，结合厌氧发酵技术，构建的重组菌株E.cloacaeSDM(△ldhA△frdA△budC△gdh)能够以GlcNAc为底物，实现2，3-BD前体AC与乙醇的联产。另外，E.cloacaeSDM(△ldhA△frdA△budC△gdh)同样可代谢几丁质水解液，最终生成14.39g/LAC和8.10g/L乙醇，得率分别达到最大理论得率的92％和89％。上述研究证实了乙酸溢流消除机制的实际应用价值，为其他可再生资源利用过程中毒性化合物乙酸的有效消除提供了理论指导。
已报道的2，3-BD发酵技术主要以单糖、淀粉等为碳源，寻找新的廉价原料成为2，3-BD低成本生产的一个重要突破口。本论文尝试选择乳制品行业的废弃物乳清为碳源，探究微生物代谢乳清生产2，3-BD的可行性。乳清是乳制品行业的副产物，具有非常高的生化需氧量及化学需氧量，被认为是乳制品行业最主要的污染物。乳清中最主要的成分为乳糖，约占乳清干重的70％-75％。本论文比较了几种具有2，3-BD生产能力的微生物菌株代谢乳糖的情况，筛选出一株能够高效代谢乳糖生产2，3-BD的菌株产酸克雷伯氏菌PDL-0(Klebsiella oxytoca PDL-0);采用代谢工程手段阻断了K.oxytocaPDL-0中副产物乙酸、琥珀酸、乳酸和甲酸的合成途径。构建的重组菌株K.oxytocaPDL-K5以乳糖为底物，通过补料分批发酵，可在33h内代谢173.2g/L乳糖产生74.9g/L2，3-BD，2，3-BD得率为0.43g/g，生产效率达到2.27g/L/h。以乳清粉为底物时，重组菌株K.oxytocaPDL-K5可在24h内消耗148.3g/L乳糖产生65.5g/L2，3-BD，2，3-BD得率及生产效率分别为0.44g/g及2.73g/L/h。
2,3-BD发酵过程同样存在灭菌过程耗能、发酵过程消耗淡水资源等问题。本论文探究了以海洋细菌需钠弧菌(Vibrio natriegens ATCC 14048)为宿主进行2，3-BD生产的可行性，证实该菌株可使用海水配制的培养基通过不灭菌的开放式发酵高效生产2，3-BD。后续通过发酵pH、糖浓度、外源添加乙酸钠浓度优化等确定了2，3-BD发酵的最适条件。进一步构建了V.natriegensATCC14048的敲除体系，成功对该菌株中琥珀酸、乳酸合成相关基因进行了敲除。重组菌株V.natriegens△frdA△ldhA-pETRABC使用海水配制培养基，通过不灭菌的开放式补料分批发酵，可在12h内代谢105g/L葡萄糖积累41.27g/L2，3-BD，2，3-BD得率为0.39g/g，生产效率达到3.44g/L/h。
多种微生物中均存在2，3-BD生物合成途径，能够以不同碳源为底物生产2，3-BD。微生物中2，3-BD合成起始于丙酮酸在α-乙酰乳酸合成酶的作用下缩合形成α-乙酰乳酸;然后α-乙酰乳酸在α-乙酰乳酸脱羧酶的作用下生成乙偶姻(AC);最后AC在乙偶姻还原酶/2，3-丁二醇脱氢酶作用下还原生成2，3-BD。尽管2，3-BD合成途径广泛分布于不同微生物中，但2，3-BD合成对于微生物的生理意义尚不清楚。乙酸溢流是微生物在好氧、高葡萄糖消耗及快速生长情况下呈现出的与厌氧状态相似的表型，将葡萄糖部分氧化生成乙酸而非通过TCA完全氧化来提供ATP。乙酸溢流会抑制工业微生物的生长、降低目的产物产率及增加产物纯化的成本。课题组前期研究发现，2，3-BD生产菌株阴沟肠杆菌SDM(Enterobacter cloacae SDM)中存在乙酸先合成后消除的现象，推测2，3-BD合成可能参与乙酸溢流的消除。本论文研究确认乙酸溢流的消除过程伴随2，3-BD的合成;后续通过基因敲除及过表达、基因转录水平分析、同位素示踪、还原力扰动等一系列手段，确定了E.cloacaeSDM中乙酸溢流消除的机制，阐明了2，3-BD合成途径在乙酸消除过程中的作用与具体生理意义:2，3-BD合成通过提供NADH支持由乙酸向乙醇的还原转化，推动乙酸的消除。
几丁质是自然界中除纤维素外第二丰富的多聚糖类，为N-乙酰葡萄糖胺(GlcNAc)通过β-1，4-糖苷键聚合而成的结构同多糖。生物利用几丁质单体GlcNAc的过程中会不可避免地产生乙酸，本论文将乙酸溢流消除机制应用于GlcNAc资源化过程，利用2，3-BD合成过程产生的NADH推动乙酸还原产生乙醇，进一步敲除E.cloacaeSDM中不同消耗还原力的副产物合成途径(乳酸、琥珀酸)，阻断AC向2，3-BD的还原转化，结合厌氧发酵技术，构建的重组菌株E.cloacaeSDM(△ldhA△frdA△budC△gdh)能够以GlcNAc为底物，实现2，3-BD前体AC与乙醇的联产。另外，E.cloacaeSDM(△ldhA△frdA△budC△gdh)同样可代谢几丁质水解液，最终生成14.39g/LAC和8.10g/L乙醇，得率分别达到最大理论得率的92％和89％。上述研究证实了乙酸溢流消除机制的实际应用价值，为其他可再生资源利用过程中毒性化合物乙酸的有效消除提供了理论指导。
已报道的2，3-BD发酵技术主要以单糖、淀粉等为碳源，寻找新的廉价原料成为2，3-BD低成本生产的一个重要突破口。本论文尝试选择乳制品行业的废弃物乳清为碳源，探究微生物代谢乳清生产2，3-BD的可行性。乳清是乳制品行业的副产物，具有非常高的生化需氧量及化学需氧量，被认为是乳制品行业最主要的污染物。乳清中最主要的成分为乳糖，约占乳清干重的70％-75％。本论文比较了几种具有2，3-BD生产能力的微生物菌株代谢乳糖的情况，筛选出一株能够高效代谢乳糖生产2，3-BD的菌株产酸克雷伯氏菌PDL-0(Klebsiella oxytoca PDL-0);采用代谢工程手段阻断了K.oxytocaPDL-0中副产物乙酸、琥珀酸、乳酸和甲酸的合成途径。构建的重组菌株K.oxytocaPDL-K5以乳糖为底物，通过补料分批发酵，可在33h内代谢173.2g/L乳糖产生74.9g/L2，3-BD，2，3-BD得率为0.43g/g，生产效率达到2.27g/L/h。以乳清粉为底物时，重组菌株K.oxytocaPDL-K5可在24h内消耗148.3g/L乳糖产生65.5g/L2，3-BD，2，3-BD得率及生产效率分别为0.44g/g及2.73g/L/h。
2,3-BD发酵过程同样存在灭菌过程耗能、发酵过程消耗淡水资源等问题。本论文探究了以海洋细菌需钠弧菌(Vibrio natriegens ATCC 14048)为宿主进行2，3-BD生产的可行性，证实该菌株可使用海水配制的培养基通过不灭菌的开放式发酵高效生产2，3-BD。后续通过发酵pH、糖浓度、外源添加乙酸钠浓度优化等确定了2，3-BD发酵的最适条件。进一步构建了V.natriegensATCC14048的敲除体系，成功对该菌株中琥珀酸、乳酸合成相关基因进行了敲除。重组菌株V.natriegens△frdA△ldhA-pETRABC使用海水配制培养基，通过不灭菌的开放式补料分批发酵，可在12h内代谢105g/L葡萄糖积累41.27g/L2，3-BD，2，3-BD得率为0.39g/g，生产效率达到3.44g/L/h。