对提高拜氏梭菌在ABE发酵中高浓度丁醇抗逆性的研究文献综述
2020-04-13 15:32:33
文 献 综 述
丙酮丁醇发酵
随着石油资源的消耗和温室效应等环境问题的日益突出，使得生物法生产丁醇又重新进入人们的视野中[1]。发酵法生产丙酮丁醇曾是仅次于乙醇的全球第二大发酵工业[2]。目前丁醇发酵的菌种主要是梭菌属。丙酮丁醇梭菌可以利用淀粉、葡萄糖等原料进行发酵，发酵产物主要为丙酮、丁醇、乙醇，简称ABE发酵。丙酮丁醇发酵是严格的厌氧发酵，所得产品比例为丙酮：丁醇：乙醇=3：6：1。[3]
丙酮丁醇发酵代谢机理
丙酮丁醇发酵分为产酸期和产溶剂期两个阶段。在发酵初期，生成大量的有机酸，如乙酸、丁酸等，导致pH值迅速下降，此时有大量的CO2和H2产生。当酸度达到一定数值后便进入产溶剂期，此时有机酸被还原，生成大量的溶剂，如丙酮、丁醇、乙醇等，同时伴随部分CO2和H2的产生。在产酸期，丙酮丁醇梭菌利用葡萄糖，经过EMP途径产生丙酮酸，丙酮酸和CoA在丙酮酸-铁氧还原蛋白氧化还原酶的作用下生成乙酰-CoA，同时产生CO2。在各种酶的作用下，将乙酰-CoA转化为乙酸和丁酸。溶剂产生的开始涉及碳代谢有产酸向产溶剂途径的转变，但这种机制目前尚未研究透彻。[4]
丁醇对细胞的毒性机制
梭菌是一种革兰氏阳性菌，丙酮丁醇发酵过程中要经过产酸和产溶剂两个阶段，其中从产酸向产溶剂阶段的过度，被认为是一种解毒和适应机制[5]。丁醇是梭菌溶剂生产中毒性最大的，工业发酵过程中，当丁醇浓度达到13g/L，溶剂生产就会停止[6]，因此丁醇被认为是抑制丙酮丁醇梭菌生理活性的主要毒性化合物。[5]
丁醇的毒性机制与其疏水性有关，这些分子的主要作用可能是破坏细胞膜磷脂结构 [7]。醇在膜中的可溶性以及对膜的流动性作用会随着链长度的增加而增加，在丁醇存在的情况下，膜的流动性增加可能会导致膜的不稳定，破坏与细胞膜相关的功能[5]。与此同时，丁醇的加入会抑制细胞维持胞内pH的能力，破坏细胞膜的pH梯度。[8]
丁醇的毒性还表现在抑制膜对糖和氨基酸的吸收方面[9]。7.4g/L的丁醇可引起细胞对不可代谢的葡萄糖类似物的吸收减少50%，这种抑制作用是因为破坏了需能的转运系统。[10]
在C.acetobutylicum P262中，丁醇的毒性还和产溶剂细胞的自溶有关，在产溶剂阶段，丁醇会参与自溶素的施放。[11]
