当今石油资源日渐枯竭,并且环境污染问题日益严重,因此开发石油替代物——生物能源逐渐成为研究热点。生物丁醇是第二代生物燃料,与乙醇相比,丁醇具有热值高、腐蚀性低和可直接通过管道运输等优点,最为重要的是能够直接代替石油应用于现有汽车发动机,然而传统的丁醇发酵存在着发酵终点残余糖浓度高、丁醇产量和产率低等问题,严重制约了丁醇发酵产业的发展。已有大量研究工作表明金属离子对丙酮丁醇发酵具有重要的调控作用,为解决丁醇发酵丁醇产量和产率低问题,采用响应面方法优化丙酮丁醇发酵培养基金属离子组成。实验结果表明,在添加0.0026 g/L ZnSO4·7H2O、4.04 g/L CaCO3和0.84 g/L MnSO4·H2O条件下,摇瓶发酵丁醇产量达到13.93g/L,相比未优化条件提高16.9%。采用批次发酵技术研究发酵过程变化情况,优化条件发酵结果表明Zn2+、Ca2+和Mn2+对丙酮丁醇发酵具有协同调控作用,丁醇及总溶剂产量分别为14.97 g/L及24.50g/L,相对未优化条件下发酵结果分别提高了28.1%及27.7%,丁醇及总溶剂产率分别为0.37g/L/h与0.61g/L/h,相对未优化条件下发酵结果分别提高了105.6%及103.3%,发酵终点葡萄糖基本消耗殆尽,丙酮丁醇发酵性能得到大幅提升。研究发现Zn2+、Ca2+和Mn2+的协同调控作用可以促进丙酮丁醇发酵过程丁酸重吸收作用,显著降低发酵终点丁酸浓度,由此在初始培养基和优化金属离子条件下添加丁酸进行研究,结果表明,当添加1.9 g/L丁酸时OD620达到3.66,相比不添加丁酸条件提高14.3%,丁醇及总溶剂产量分别达15.12g/L和24.86g/L,与不添加丁酸条件相比略有提高。Zn2+、Ca2+’和Mn2+的协同调控作用有效提高菌体细胞对丁酸的重吸收能力,能够在较多丁酸添加条件下,重吸收更多有机酸。进一步对优化条件下丁丙酮丁醇发酵过程中13种关键胞内代谢物进行提取和定量分析,结果表明,Zn2+、Ca2+和Mn2+的协同作用能够增强丙酮丁醇发酵糖酵解过程,提高菌体吸收利用底物葡萄糖能力,碳代谢通量显著增加；提高丁酰辅酶A合成途径关键酶活性,丁酰辅酶A浓度显著提高,从而使得代谢流更多的流向丁醇合成途径；改善细胞内能量和还原力状态,为溶剂生产提高良好细胞内环境。本论文研究了金属离子对丙酮丁醇发酵过程及关键胞内代谢物的影响,在优化的金属离子添加条件下,丁醇发酵性能得到提升,这为丁醇发酵法高效生产丁醇及总溶剂提供了参考。