论文总字数：27132字

摘 要

随着传统化石燃料日渐枯竭，中国作为世界第二大经济体必须重视能源安全问题，开发可替代传统化石燃料资源的新能源具有重大意义。生物丁醇作为第二代生物燃料，其拥有低挥发性，弱腐蚀性以及高能量密度等优势，在能源和工业领域具有较好的应用前景。然而传统丁醇发酵中也存在一些劣势，如对细胞毒害性大，发酵残糖浓度量高，生产效率低等。研究发现，丙酮丁醇梭菌拥有在特定载体上进行吸附聚集的能力，最终形成有一定厚度的胞外聚合物质EPS（Extracellular Polymeric Substances，简称EPS），EPS的存在极大增强了菌体的丁醇耐受性和菌株存活能力，能明显提高生产效率。对丙酮丁醇梭菌EPS形成机制机理以及影响因素进行研究，为实现绿色化工提供理论指导和借鉴价值。本课题的创新点即围绕丙酮丁醇梭菌产生EPS这一现象，研究了多种金属离子对丙酮丁醇梭菌EPS生成量的影响，并进一步探讨EPS生成量的多少与菌株耐受性之间的关系。

本课题通过添加不同浓度梯度的金属离子于丙酮丁醇梭菌发酵液中，初步探索了几种不同金属离子对丙酮丁醇梭菌EPS生成的影响以及EPS生成量与菌株耐受性之间的关系，为进一步研究金属离子与丙酮丁醇梭菌EPS的作用机理以及后续利用EPS进行连续发酵提供一些借鉴意义。

关键词：丙酮丁醇梭菌 胞外聚合物质 金属离子 生物丁醇

Effects of different metal ions on EPS production of Clostridium acetobutylicum

Abstract

Environmental pollution and the problem of energy shortage is increasingly serious nowadays in the world. It is of great significance to develop new energy sources that can replace traditional fossil fuel resources. As a second-generation biofuel, biobutanol has good application prospects in energy and industrial fields due to its low volatility, weak corrosiveness, and high energy density. However, traditional butanol fermentation has many disadvantages such as high toxicity to cells, high residual sugar concentration and low production efficiency, which greatly affects the industrialization of butanol. It is found that Clostridium acetobutylicum can be adsorbed and aggregated on a specific carrier to produce EPS and it will enhance the tolerance and activity of the bacteria to increase the production efficiency of butanol obviously. Therefore, the study on the mechanism of the formation of EPS of Clostridium acetobutylicum and its influencing factors has a wide range of scientific value and practical value. Basing on the phenomenon that EPS can be produced by Clostridium acetobutylicum, this study focuses on the effect of various metal ions on the amount of EPS of Clostridium acetobutylicum, and examining the relationship between the amount of EPS and the tolerance of the strain.

In this study, the effects of metal ions on the production of Clostridium acetobutylicum and the relationship between EPS yield and strain tolerance were preliminary explored by adding metal ions with different concentration gradients in the fermentation medium of Clostridium acetobutylicum. The results of this experiment will make a foundation for further study on mechanism of action of metal ions and Clostridium acetobutylicum EPS and optimization of Clostridium acetobutylicum fermentation.

Key Words: Clostridium acetobutylicum; EPS; Metal ion; Biobutanol

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 文献综述 1

1.1 引言 1

1.2 丙酮丁醇梭菌简介 1

1.3 生物丁醇 2

1.3.1 丁醇简介 2

1.3.2 丁醇发酵机理研究 2

1.3.3 生物丁醇研究进展 3

1.3.4 生物丁醇生产工艺进展 3

1.3.5 丁醇对丙酮丁醇梭菌的毒性机制 3

1.4 胞外聚合物(EPS) 4

1.4.1 EPS概述 4

1.4.2 成熟的EPS结构与功能 4

1.4.3 细菌EPS的形成机制 6

1.5 金属离子对EPS的相互作用 7

1.5.1 金属离子与EPS的作用机制概述 7

1.5.2 铁离子与EPS的作用机制 7

1.5.3 锰离子与EPS的作用机制 7

1.5.4 锌离子与EPS的作用机制 8

1.5.5 钙离子与EPS的作用机制 8

1.5.6 铜离子与EPS的作用机制 8

第二章 材料与方法 9

2.1 材料 9

2.1.1 实验试剂和药品 9

2.1.2 实验仪器和设备 9

2.1.3 培养基 10

2.2 实验方法 10

2.2.1 菌株的活化与转接 10

2.2.2 丙酮丁醇梭菌的发酵 11

2.2.3 生物膜量的测定及发酵产物分析 12

第三章 结果与讨论 14

3.1 生物膜量测定结果 14

3.1.1 金属离子与EPS生成量曲线关系图 14

3.2 发酵液组分含量测定结果 15

3.2.1 金属离子与丁醇产量曲线关系图 15

第四章 结论与展望 17

4.1 结论 17

4.2 展望 17

参考文献 18

第一章 文献综述

1.1 引言

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