文献综述

1.1发酵概述

发酵是一种生物氧化方式：在没有外源最终电子受体的条件下，化能异养型微生物细胞对能源有机化合物的氧化^[1]与内源的（已经经过该细胞代谢的）有机化合物的还原相耦合，一般并不发生经包含细胞色素等的电子传递链上的电子传递和电子传递磷酸化，而是通过底物（激酶的底物）水平磷酸化来获得代谢能ATP；能源有机化合物释放的电子的一级电子载体NAD^[2]，以NADH的形式直接将电子交给内源的有机电子受体而再生成NAD，同时将后者还原成发酵产物。细胞中的NAD是有限的^[3]，如果作为一级电子载体的辅酶NAD不能得到再生，就不能被回用，有效的电子载体就会愈来愈少^[4]，脱氢反应就不能持续进行下去了。因此辅酶NAD的再生是发酵进行下去的必要条件^[5]。

发酵过程一般来说都是在常温常压下进行的生物化学反应，反应安全，要求条件也比较简单^[6]。发酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他农副产品为主，只要加入少量的有机和无机氮源就可进行反应。微生物因不同的类别可以有选择地去利用它所需要的营养。基于这#8212;特性，可以利用废水和废物等作为发酵的原料进行生物资源的改造和更新。发酵过程是通过生物体的自动调节方式来完成的，反应的专一性强，因而可以得到较为单#8212;的代谢产物。

1.2微生物菌种发酵及其应用

微生物菌种是进行发酵的根本因素，通过变异和菌种筛选，可以获得高产的优良菌株并使生产设备得到充分利用，甚至可以获得按常规方法难以生产品。对于任何发酵类型(除一些转化过程外)^[7]。一个确定的发酵过程由6个部分组成：①菌种以及确定的种子培养基和发酵培养基的组成；②培养基、发酵罐和辅助设备；③大规模的有活性、纯种的种子培养物的生产^[8]；④发酵罐中微生物在最优的生长条件下大规模生产；⑤产物的提取、纯化；⑥发酵废液的处理。因此，有必要不断进行研究以逐步提高整个发酵过程的效率^[9]。如在一个发酵过程建立之前，生产菌株必须分离出来，通过改造使其合成目标产物．并且其产量应具有经济价值；还应确定微生物在培养上的需求，并设计相应的没备；同时必须确定产品的分离提取方法。此外，整个研究计划也应包括在发酵过程中不断地优化微生物菌种、培养基和提取方法。微生物发酵可以用于生产葡萄酒、生产味精、制作酵素等，对处理各种废弃物也有很大作用^[10]。近百年来，随着科学技术的进步，发酵技术也发生了划时代的变革，已经从利用自然界中原有的微生物进行发酵生产的阶段进入到，按照人的意愿改造成具有特殊性能的微生物以生产人类所需要的发酵产品的新阶段。

1.3 粪味梭菌的种类及应用

粪味梭菌（Clostridium scatologenes ATCC 25775）是1927年从土壤中分离出来的一株严格厌氧、产芽孢的革兰氏阳性菌^[11]。由于能够生产出一种粪味一样的化合物#8212;#8212;3-甲基吲哚而得名。粪味梭菌被认为是一名发酵能手，能够利用的底物包括多样的糖类和蛋白质：核糖、木糖、果糖、葡萄糖、半乳糖、L-阿拉伯糖、甘露糖、鼠李糖、蔗糖、纤维二糖、松三糖、纤维素、淀粉、肌糖、乙醇、丙醇、丙酮酸、柠檬酸、丝氨酸、丙氨酸、组氨酸、谷氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺、甜菜碱和胆碱等^[12]。此外，粪味梭菌能够利用H₂/CO₂或CO进行自养代谢，主要产物是乙酸、丁酸和乙醇。粪味梭菌的最合适生长温度是37-40℃，最合适生长pH是5.4-7.0。过去学者们对这株菌的研究主要集中在解析恶臭物（3-甲基吲哚和4-甲基苯酚）的代谢途径和代谢机理，粪味梭菌在以糖类为底物，在色氨酸存在情况下能代谢生成3-甲基吲哚，在酪氨酸存在情况下能代谢生成4-甲基苯酚^[13]。而关于这株菌株合成气发酵的研究报道比较少。粪味梭菌在一开始并没有被归类为产乙酸菌，直到2000年，才被证明有微弱的固定H₂/ CO₂或CO的能力，细胞抽提物有一氧化碳脱氢酶、氢化酶和甲酸脱氢酶的酶活^[14]。

1.4 合成气发酵的优势和发酵的大环境