2,3-丁二醇是一种重要的平台化合物,广泛应用于化工、食品、医药和材料等领域,目前主要来源于石油原料,但随着石油资源的短缺,发展以可再生生物质为原料进行2,3-丁二醇生物炼制的工艺显得尤为必要。生物质原料包括木质纤维素原料和淀粉质原料。其中木质纤维素原料是一种典型的成本低、来源广、再生迅速的生物质原料。作为世界上玉米种植面积最大的国家之一,我国每年大约生产1.5亿吨玉米,同时每年产生约2000万吨的玉米芯和2亿吨玉米秸秆。玉米秸秆和玉米芯原料通过预处理和水解可得到木质纤维素水解液,并可进一步用于生产大宗化学品,如2,3-丁二醇、乙醇等,这一领域已成为研究的热点。木质纤维素水解液中同时存在葡萄糖和木糖,但微生物中具有葡萄糖阻遏现象,往往优先利用葡萄糖,同时且存在水解液中存在发酵抑制因子,以上原因导致导致木质纤维素水解液原料的发酵效率并不高。另外,目前高效生产2,3-丁二醇的菌株所产2,3-丁二醇均为不同光学异构体的混合物,产高光学纯2,3-丁二醇的菌株其产量和生产强度较低,限制了其在手性合成领域中的应用。本论文首先针对木质纤维素原料生物炼制生产2,3-丁二醇的关键问题,从高效生产菌株筛选、代谢工程改造等方面对利用廉价原料进行生物法生产2,3-丁二醇进行了较为系统的研究。其中对阴沟肠杆菌SDM进行了系统的改造,首先用(2?,3R)-2,3-丁二醇脱氢酶替换原有的meso-2,3-丁二醇脱氢酶,从而将菌株SDM改造成一个(2R,3R)-2,3-丁二醇生产菌株;其次敲除了碳代谢抑制关键蛋白编码基因磷酸转移酶蛋白基因ptsG,并过表达了半乳糖透性酶编码基因galP,得到的工程菌株可以同时利用葡萄糖和木糖;为了提高(2R,3R)-2,3-丁二醇的转化率,进一步敲除了副产物合成关键基因乳酸脱氢酶基因ldhA和琥珀酸还原酶基因frdA,得到的菌株(2R,3R)-2,3-丁二醇的转化率提高16.5%。最终得到的菌株利用可高效利用混合糖发酵(2R,3R)-2,3-丁二醇,其44小时的产量达到152g/L,(2R,3R)-2,3-丁二醇的纯度大于97.5%,生产强度达到3.5 g/[L·h],转化率为97.7%。当以玉米秸秆水解液为碳源时,发酵51小时(2R,3R)-2,3-丁二醇产量达到119.4g/L,纯度大于96.0%,生产强度达到2.3 g/[L·h],葡萄糖转化率达到95.0%。以上结果表明该工程菌是一个具有显著生产优势的能够以秸秆水解液原料发酵生产(2R,3R)-2,3-丁二醇的菌株。目前文献报道的有较高产量的2,3-丁二醇生产菌株都不是生物安全菌株,本论文中使用嗜热的并且可高效利用六碳糖以及五碳糖生产2,3-丁二醇的菌株的地衣芽孢杆菌MW3。为了有效利用地衣芽孢杆菌MW3,我们首先确定了 2,3-丁二醇生产代谢的关键酶丁二醇脱氢酶以及甘油脱氢酶。通过蛋白的多序列比对确定其可能的作用。接着对蛋白表达纯化,进行底物谱分析、立体特异性催化研究以及不同底物的活性染色等研究,确定了丁二醇脱氢酶主要用于催化meso-2,3-丁二醇,而甘油脱氢酶主要作用于(2R,3R)-2,3-丁二醇。随后我们确立了敲除2,3-丁二醇脱氢酶基因bdh生产(2R,3R)-2,3-丁二醇以及敲除甘油脱氢酶基因gdh生产meso-2,3-丁二醇的实验策略。菌株MW3 △bdh通过5-L发酵罐的补料分批发酵,在51 h产物(2R,3R)-2,3-丁二醇达到最大125.9 g/L,7.4g/L 乙偶姻,2,3-丁二醇生产速率为 2.47g/[L·h],最终(2R,3R)-2,3-丁二醇的产物手性纯度为96.40%。菌株MW3 △gdh通过50-L发酵罐的补料分批发酵,发酵35小时,产物meso-2,3-丁二醇达到最大 92.8g/L。meso-2,3-丁二醇生产速率为 2.65g/[L·h],葡萄糖转化率为99.75%,meso-2,3-丁二醇的产物纯度为99.57%。产物的纯度没有随着生产规模的扩大而有所影响,对于工业大规模应用十分有利。