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生物丁醇发酵工艺存在多方面限制因素,锌(Zn2+)作为微生物生命代谢必需微量营养元素及关键辅因子同时受到广泛关注,因而揭示Zn2+在丁醇生产菌株丙酮丁醇梭菌生理代谢的调控作用及机制对挖掘功能基因及建立菌株改造策略等具有重要的理论研究意义。本论文研究工作通过生物过程工程策略、胞内代谢水平分析、转录组学分析及基因工程改造策略等,系统阐释锌离子对丙酮丁醇梭菌丁醇发酵的多效调控作用及机制。外源添加ZnSO4C·7H2O对丙酮丁醇梭菌发酵具有多效调控作用,并确定锌离子最适添加水平为1mg/LZnSO4·7H2O,微量锌离子一方面增强菌体对数生长、碳源利用、有机酸重吸收及溶剂代谢,丁醇产率由0.14g/L/h提高至0.32g/L/h;另一方面增强菌体对甲酸、乙酸、丁酸及丁醇的胁迫耐受性,有效缓解代谢迟滞,其中丁醇耐受水平由15 g/L提高至18 g/L。同时,锌离子与碳酸钙对木糖代谢及丁醇耐受性存在协同调控。对胞内关键代谢物进行LC-ESI/MS分析发现,锌离子调控作用在代谢水平具有全局调控特性。在锌离子响应状态下,发酵前期胞内糖酵解中间代谢产物G6P、F6P、FBP与PEP以及产酸/产溶剂代谢节点产物AcCoA、AcAcCoA与BuCoA含量降低,中心碳代谢转化加快;能量ATP及还原力NADH含量水平提升,促使乙醇/丁醇代谢通路提前开启以维持胞内氧化还原平衡,进而调节中心碳流在关键代谢节点重分配。全局转录组学分析表明锌离子对胞内中心碳代谢、能量代谢及氧化还原平衡等关键基因同样具有全局调控特性。在锌离子响应状态下,多种碳源（二糖、己糖及戊糖）转运与代谢关键基因如葡萄糖转运基因CAC0570（g/cG,12.25倍）、CAC1353与CAC1354、果糖操纵子fru及木糖/阿拉伯糖转运与代谢等相关14个基因转录水平显著上调,糖酵解及产酸/产溶剂代谢相关13个基因转录水平也不同程度上调,但产氢代谢关键基因hydA、转录调控基因abrB,ctsR与hrcA以及胁迫应答基因转录水平下调。基于葡萄糖转运调控策略,在丙酮丁醇梭菌中分别过表达glcG、CAC1353及CAC1354,在基因水平验证锌离子调控机制。过表达CAC1353或CAC1354重组菌株生长代谢出现迟滞;过表达glcG重组菌株ABE发酵性能显著提高,发酵周期缩短至28 h,丁醇产量及产率最高可达13.9 g/L及0.50 g/L/h,且甲酸、乙酸、丁酸及丁醇胁迫耐受性增强,其中在7.5 g/L乙酸胁迫条件下,丁醇产量可达16.4 g/L。LC-ESI/MS分析表明过表达glcG同样具有全局调控特性,引发中心碳流通量与辅因子（ATP与NADH）含量水平的级联调控,证实锌离子通过提高葡萄糖转运基因glcG表达水平而对胞内代谢进行全局调控。以预处理玉米秸秆酶解液为碳源的ABE发酵,丁醇产率由0.18g/L/h大幅提高至0.44 g/L/h,因而该调控策略可提高木质纤维素类生物质发酵生产丁醇的竞争力。