微生物同步高效代谢五/六碳混合糖产氢策略及机理研究

研究利用廉价且丰富的木质纤维素类生物质资源发酵产氢是解决能源危机，实现废物利用和改善环境的有效手段，并对于建立可持续发展的能源体系，促进社会和经济的发展以及生态环境的改善均具有重大的现实意义。本研究以木质纤维素类生物质的主要水解产物葡萄糖和木糖为研究对象，以产氢菌 Clostridium sp. HR-1 发酵混合糖产氢的基质利用效率和产氢效率为指标，通过分子生物技术手段和发酵工艺方法改造或改进产氢菌对混合糖各基质的吸收利用性能，以期获得同步高效代谢五碳/六碳混合糖发酵产氢的工程菌株和产氢工艺，为发酵法生物制氢的工业化提供一定的理论与技术支持。

本研究以木质纤维素类生物质的主要水解产物葡萄糖和木糖为研究对象，以产氢菌 Clostridium sp. HR-1 发酵混合糖产氢的基质利用效率和产氢效率为指标。揭示了产氢菌分别利用五碳糖和六碳糖产氢的特性，初步预测了其代谢木糖的产氢途径。用 Logistic 方程和修正的 Gompertz 模型描述产氢菌的生长过程；选用修正的 Gompertz 模型来描述产氢菌产氢的过程；成功的获得了相应过程的动力学参数。构建了描述产氢菌对数生长期特性的潜在生长速率方程 和同步性产氢指数方程，解决了用于描述产氢菌在五碳糖和六碳糖基质中的对数期潜在生长速率及生长与产氢的同步性问题。初步推测出产氢菌是通过木糖异构酶直接将木糖转化为木酮糖而后进入磷酸戊糖途径加以利用。. 批式发酵产氢菌利用混合糖产氢，表明葡萄糖的存在会减缓产氢菌对木糖的消耗速率，但是这种作用会随着木糖比例的升高逐渐减弱，当混合糖中葡萄糖与木糖的比例为 1:3 时，产氢菌对其中木糖的消耗与对消耗纯木糖的速率相当。另外随着混合糖中葡萄糖比例的增加，其产氢速率和比产氢量都有所增加。不同稀释率下连续发酵产氢菌利用混合糖产氢，表明混合糖中葡萄糖的存在会影响产氢菌对木糖的吸收，但是这种影响随着稀释率的降低表现的更加微小。补料分批发酵培养产氢菌利用混合糖产氢，成功的提高了对基质的消耗速率，同时具有稳定而高效的产氢速率，显示出补料分批培养在利用混合糖产氢中的优势。. 研究表明玉米棒具有很好的发酵产氢潜力，玉米棒通过酸化气爆、碱浸泡和热水蒸煮预处理和酶解，还原糖的获得量分别为 720mg、670mg、530mg/g-玉米棒；产氢菌的氢气产量分别为 119 ml 氢气、100 ml 氢气、83 ml 氢气/g-玉米棒，分别约为其理论产氢量的 55.9%、46.7% 和 38.8%。