1 研究背景

尼龙由于具有优异的材料加工性能，在纺织业，汽车、电子器械、包装、交通运输等多个领域具有广泛的用途。随着化石资源的日渐枯竭以及人们环保意识的加强，以生物质为原料的环境友好型生物尼龙材料备受瞩目，日渐走进了全球各大化工企业的视线。德国巴斯夫等公司就分别推出生物基尼龙610，与传统尼龙相比，每吨尼龙610对不可再生资源的消耗降低了20%，减排温室气体约50%。然而，目前生物基尼龙的成本较高，很难与石化法尼龙相竞争，其中重要的原因之一在于尼龙合成单体中二元胺的合成成本居高不下。1,4-丁二胺与1,5－戊二胺是生物基尼龙家族中重要的聚合单体。传统的1,4-丁二胺与1,5－戊二胺化学合成法采用以不可再生的战略石油作为原料，环境污染严重，无法实现可持续发展。微生物一步发酵生产1,4-丁二胺与1,5-戊二胺目前仍然存在菌株抗逆性差、产物浓度不高等缺点 。生物法合成1,4-丁二胺与1,5-戊二胺成本高严重阻碍了生物尼龙产业化进展。如何开发低成本、高效的1,4-丁二胺与1,5－戊二胺合成技术对于生物尼龙的高效制备至关重要。

1，5-戊二胺（尸胺）和1，4-丁二胺（腐胺），是生物体内广泛存在的具有生物活性的含氮碱，具有广泛的应用，尤其在工业生产上二胺与二元酸进行聚合反应可合成优质高分子材料#8212;尼龙，如尼龙46采用丁二胺和己二酸1:1聚合生成，具有高熔点、高电阻、高柔软性、优良的回弹性、耐磨性、尺寸稳定性、耐化学性等良好的机械性质，在工业上具有广泛的应用前景。

当前，戊二胺和丁二胺的工业生产主要采用化学合成法，主要依赖于不可再生的石油作为原料，会造成环境污染，无法实现可持续发展。利用微生物发酵法制备戊二胺和丁二胺，具有污染小、环境友好、可持续发展等优点，是最具潜力的生产方式。在微生物体内，戊二胺的合成主要通过赖氨酸脱羧酶（LDC）作用L-赖氨酸脱羧形成，而丁二胺的生物合成有两条途径：一是在鸟氨酸脱羧酶（ODC）作用下，L-鸟氨酸经过脱羧生成丁二胺；另一途径是在精氨酸脱羧酶（ADC）作用下，L-精氨酸先脱羧生成鲱精胺，再脱去尿素生成丁二胺。

谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）作为一种生长迅速、培养条件简单、具有高渗透压、高糖、高盐的耐受力、能够利用多种碳水化合物作为发酵底物的革兰氏阳性菌，广泛应用于氨基酸、核苷酸等工业生产中，二胺的生物合成基于氨基酸，使得谷氨酸棒杆菌具有显著的生产优势，并且在谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）中不存在二胺的降解途径并且具有较高的二胺耐受性，如对丁二胺的耐受性试验表明，44g/L丁二胺对其生长速率和生物量无影响。谷氨酸棒杆菌中二胺合成途径不完整，虽然具有赖氨酸、鸟氨酸及精氨酸合成途径，但没有对应的羧化酶无法合成二胺，需要表达脱羧酶构建完整二胺合成途径。

2研究意义

丁二胺（1，4-丁二胺），又名腐胺，是生物体内广泛存在的具有生物活性的含氮碱。在医学上，它可以对DNA，RNA及蛋白质等生物大分子物质进行调节，促进细胞的生长和增殖；在药物合成中，它广泛作为合成中间体。然而，丁二胺最重要的用途是作为合成高性能聚酰胺尼龙46的原料单体，尼龙46是由丁二胺和己二酸1:1聚合生成。当前，丁二胺的工业生产主要采用化学合成法，主要依赖于不可再生的石油作为原料，会造成环境污染，无法实现可持续发展。利用微生物发酵法制备丁二胺，具有污染小、环境友好、可持续发展等优点，国内在微生物发酵法制备丁二胺方面还未见报道。

3 国内外研究概况

文献报道，在谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）中不存在丁二胺的生物合成途径及降解途径，而且C. glutamicum对丁二胺的耐受性试验表明，44g/L丁二胺对其生长速率和生物量无影响。所以，在C. glutamicum中构建丁二胺合成途径是可行的。

第一例报道有关利用微生物生产丁二胺的专利是在大肠杆菌中过表达ODC和ADC生产丁二胺，产量达5.1g/L。2009年，ZhiGang Qian在大肠杆菌中过表达ODC，并且钝化丁二胺的降解系统，敲除全局转录因子RpoS后，进行高密度细胞发酵，丁二胺的产量高达24.2g/L。2010年，Jens Schneider在谷氨酸棒杆菌中分别表达大肠杆菌的ODC和ADC，发现表达ODC能够更多地积累丁二胺，产量达6.0g/L。但丁二胺的产量较低，达不到产业化水平。可能存在的问题：丁二胺在微生物体内积累，反馈抑制了鸟氨酸脱羧酶的活性；高浓度的丁二胺影响了C. glutamicum的代谢速率，直接影响丁二胺的积累。在大肠杆菌中，丁二胺/鸟氨酸转运蛋白PotE的过量表达将有利于丁二胺的积累。另外，丁二胺吸收系统基因的缺失也有利于丁二胺的生产。