CO2减排大肠杆菌生长特性的研究

论文摘要

工业大肠杆菌发酵过程中减少CO2的排放提高碳源利用效率是应用研究的一个重要方面，目前研究集中在C4化合物如琥珀酸的生物合成，对于在大肠杆菌中CO2的减排研究较少。野生型大肠杆菌的生长必然伴随着CO2的释放，该过程不可逆，但是可以通过合成生物学等手段，构建CO2减排底盘大肠杆菌，减少发酵过程中CO2的释放。以实验室构建的CO2减排工程菌进行发酵，比较出发菌株和工程菌株的生长代谢差异，分析CO2排放、生物量、葡萄糖、有机酸如乙酸，乳酸，琥珀酸，柠檬酸、pH、溶氧、TOC等生长特性的变化，分析不同基因（icd，ptsG，ppc，zwf）的敲除或者过表达对菌体的生长及碳的利用减排的贡献，进行总碳衡算，阐述底盘大肠杆菌CO2减排的原理机制。通过发酵分析，菌株BPEC28的CO2比排放速率最小，为0.222(mM DCW-1h-1)与出发菌株相比降低了84%，同时生物量的产率最高为2.012[g DCW（g substrate）-1]，与出发菌株相比增加了67.86%；菌株BPEC26琥珀酸的比生成速率最高为0.053(g gDCW-1h-1)是出发菌株的3.08倍，说明基因icd和ptsG的敲除以及ppc基因的过表达可以在维持良好生长状态的前提下显著降低CO2的排放。分析C、H、N元素变化，对胞内代谢产物进行初步分析，选取一定的动力学方程，建立了出发株菌和CO2减排底盘菌株体生长、产物生成和底物消耗的动力学方程。通过元素分析，菌株BPEC28的C%最低为42.94（±0.02）和出发菌株相比降低了7.10%，N%最高为13.78（±0.05），和出发菌株比增加了5.84%。初步建立了大肠杆菌初级糖代谢与其生长代谢的相关联系，为以后深入研究CO2减排原理机制奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 第一章 文献综述
• 2减排技术研究进展'>1.1 国内外 CO₂减排技术研究进展
• 1.1.1 物理固定法
• 1.1.2 化学固定法
• 1.1.3 生物固定法
• 2'>1.2 大肠杆菌中心碳代谢与 CO₂
• 1.2.1 大肠杆菌中心碳代谢途径
• 2'>1.2.2 大肠杆菌琥珀酸高产菌株与 CO₂
• 2浓度对大肠杆菌生长影响'>1.2.3 CO₂浓度对大肠杆菌生长影响
• 1.3 本文的研究意义及主要研究内容
• 1.3.1 研究意义
• 1.3.2 主要研究内容
• 2减排大肠杆菌发酵过程分析'>第二章 CO₂减排大肠杆菌发酵过程分析
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 菌种
• 2.1.2 主要仪器与试剂
• 2.1.3 大肠杆菌的发酵培养
• 2.1.4 大肠杆菌生物量测定
• 2.1.5 有机酸测定
• 2.1.6 残糖、pH 值及溶氧的测定
• 2.1.7 TOC 含量测定
• 2.2 结果与分析
• 2.2.1 生物量的比较分析
• 2排放的比较分析'>2.2.2 CO₂排放的比较分析
• 2.2.3 有机酸的比较分析
• 2.2.4 pH 的比较分析
• 2.2.5 发酵液 TOC 的比较分析
• 2.2.6 残糖的比较分析
• 2.2.7 发酵过程中溶氧的比较分析
• 2.2.8 大肠杆菌总碳衡算
• 2.3 讨论
• 2.3.1 基因 icd 的敲除对菌体生长代谢的影响
• 2.3.2 基因 ptsG 的敲除对菌体生长代谢的影响
• 2.3.3 基因 ppc 的过表达对菌体生长代谢的影响
• 2.3.4 基因 zwf 的过表达对菌体生长代谢的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 大肠杆菌元素分析及数学模型构建
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 菌种
• 3.1.2 主要仪器与试剂
• 3.1.3 碳氢氮元素分析
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 底盘大肠杆菌 C/N 的分析
• 3.2.2 底盘大肠杆菌发酵动力学模型的初步构建
• 3.2.3 底盘大肠杆菌模型参数的求解和模型验证
• 3.3 本章小结
• 第四章 结论与展望
• 4.1 结论
• 4.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢