琥珀酸放线杆菌发酵丁二酸的代谢流分析

论文摘要

丁二酸是生命体三羧酸循环的中间物,也是微生物厌氧代谢的发酵产物之一,很多微生物以生产丁二酸盐作为它们能量代谢终产物之一。本文采用代谢流分析法（Metabolic Flux Analysis）计算分析以葡萄糖为碳源,琥珀酸放线菌（Actinobacillus succinogenes ）CGMCC 1593厌氧发酵产丁二酸过程的代谢通量分布。着重考察氧化还原电位（Oxidation-Reduction Potentialcultue）,和不同pH调控剂对A.succinogenes CGMCC 1593生长和代谢产物分布的影响,为优化A. succinogenes CGMCC 1593厌氧发酵丁二酸工艺提供参考。首先,构建了Actinobacillus succinogenes以50g/L葡萄糖为底物进行厌氧发酵条件下的代谢网络,其中包括20个代谢反应和20个化合物,采用代谢通量分析法（MFA）得到20×15的矩阵方程并通过MATLAB 7.0软件计算,得到了不同代谢时期的通量分布图。结果表明:在对数生长期（8 h）时,丁二酸通量较低,生物量合成通量较高,而在代谢稳定期（20h）时丁二酸通量增加了45%,生物量合成通量则降低了80%。其次,研究了A.succinogenes CGMCC 1593厌氧发酵过程中氧化还原电位对菌体生长和发酵产物的影响,发现菌体生长和丁二酸积累的较佳ORP分别为-220 mV和-270 mV;比较ORP在-220 mV,-270 mV时,发酵对数生长期（8 h）和稳定期（20 h）代谢通量分布,以及发酵过程中PEP、PYR节点,NADH通量分配的变化,得出:在ORP -270 mV时,NADH总通量和丁二酸方向代谢通量增幅明显。丁二酸产率为34 g/L,最终糖利用率达到80%,较未ORP调节前（丁二酸产率:28 g/L,糖利用率65%）提高了15%。再次,考察了分别使用碳酸镁和碳酸钠调节pH,A.succinogenes CGMCC 1593厌氧发酵过程32h平均代谢通量分布和关键节点的通量分布情况:碳酸钠为pH剂条件下NADH,丁二酸通量均略高于使用碳酸镁调节,但菌体在16h发生絮凝,并伴有丁二酸生成速率下降。通过考察营养因子对菌体生长和丁二酸产量的影响,采用碳酸钠调节pH,在优化的条件下,A.succinogenes CGMCC 1593在5L发酵罐中,丁二酸产率达到39g/L,糖利用率达到90%,较优化前（29g/L,68%）分别提高了30%和20%;略优于与控制ORP的碳酸镁调节pH策略（34 g/L,80%）

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 丁二酸概况
• 1.1.1 丁二酸理化性质
• 1.1.2 丁二酸用途与市场概况
• 1.1.3 发酵法生产丁二酸的意义
• 1.2 代谢工程
• 1.2.1 代谢工程概念
• 1.2.2 微生物代谢调控分析方法及手段
• 1.3 本论文的研究意义和主要研究内容
• 第二章 琥珀酸放线菌代谢网络与计算
• 2.1 前言
• 2.1.1 国内外丁二酸发酵菌株代谢网络研究现状
• 2.1.2 Actinobacillus succinogenes CGMCC 1593 厌氧发酵产丁二酸代谢调控研究
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 材料
• 2.2.2 方法
• 2.2.2.1 Actinobacillus succinogenes 代谢网络模型的建立
• 2.2.2.2 利用代谢流量分析（MFA）法计算Actinobacillus succinogenes 代谢通量
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 A.succinogenes CGMCC1593 厌氧发酵产丁二酸不同时期代谢通量分布
• 2.4 本章小结
• 第三章 氧化还原电位对ACTINOBACILLUS SUCCINOGENES厌氧发酵生产丁二酸的影响
• 3.1 前言
• 3.1.1 研究氧化还原电位对微生物厌氧发酵过程及产物形成的意义
• 3.1.2 氧化还原电位在发酵过程中的研究现状
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 材料
• 3.2.2 方法
• 3.3 结果及讨论
• 3.3.1 A.succinogenes 厌氧发酵丁二酸的氧化还原电位调节剂筛选
• 3.3.2 不同氧化还原电位对A.succinogenes 生长与产酸的影响
• 3.3.3 氧化还原电位对代谢通量分布影响
• 3.3.4 氧化还原电位对NADH 通量分布、PEP/PYR 节点分布影响
• 3.3.5 A.succinogenes 厌氧发酵生产丁二酸中ORP 控制策略初步试验..
• 3.4 本章小结
• 第四章 不同PH 控制剂对ACTINOBACILLUS SUCCINOGENES 厌氧发酵生产丁二酸的影响
• 4.1 前言
• 4.1.1 pH 控制在厌氧发酵丁二酸过程及产物形成中的作用
• 4.1.2 pH 对 Actinobacillus succinogenes CGMCC 1593 厌氧发酵产丁二酸的影响
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 材料
• 4.2.2 方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 碱式碳酸镁，碳酸钠调控pH 的5L 发酵罐分批发酵过程代谢通量分析
• 4.3.2 不同pH 剂控制对NADH 通量分布、PEP
• 4.3.3 营养因子对A. succinogenes CGMCC 1593 菌体生长及丁二酸产量的影响
• 4.3.4 碱式碳酸镁，碳酸钠调节pH 下发酵中的氧化还原电位
• 4.3.5 改进碳酸钠调节pH 的5L 发酵罐分批发酵及其代谢通量分布分析
• 4.4 本章小结
• 结论与展望
• 论文结论
• 课题展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文