摘 要

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细菌。由于它能够生产出一种像粪味一样的化合物 3-甲基吲哚而得名。粪味梭菌被认为是一名发酵能手，它能够利用的底物包括多样的糖类和蛋白质,比如核糖、果糖、葡萄糖、谷氨酸、天冬氨酸、胆碱等。此外，粪味梭菌能够利用H₂/CO₂或CO进行自养代谢，主要代谢产物是乙酸、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。

合成气（主要成份为CO、CO₂和H₂）主要来自于煤、石油、生物质和城市固定废弃物的气化产物和工厂（如炼钢厂和炼油厂）的工业废气，由于气化过程可以将原料中的所有含碳的有机物转化为合成气，因此包括木质素在内的一些难降解物质都可以被利用。以工业废气和合成气作为发酵反应底物，成本较低，而且能够减轻大气温室效应。合成气发酵微生物主要是产乙酸菌，它们能够通过Wood-Ljungdahl通路，依靠CO₂和H₂为碳源和能源，合成乙酰辅酶A，进行物质和能量代谢。目前关于粪味梭菌合成气发酵的研究报道较少，本篇论文旨在从合成气的组成成分和比例水平了解粪味梭菌的能量代谢情况。

关键词：粪味梭菌 合成气 发酵 能量代谢

Clostridium dung flavour of H₂ / CO₂ fermentation research

ABSTRACT

Clostridium dung flavour (Clostridium scatologenes ATCC 25775) was isolated from the soil in 1927 and a strict anaerobic gram-positive bacteria, spore production. As being able to produce a dung flavour compounds, named 3 - methyl indole. Clostridium dung flavour is considered a good fermentation, able to take advantage of the substrate including the variety of sugar and protein, ribose, choline and betaine. In addition, clostridium dung flavour to use H₂ or CO/CO₂ autotrophic metabolism, the main products are acetic acid, butyric acid and ethanol. Clostridium dung flavour is the most suitable growth temperature 37 to 40 ℃, the most appropriate growth pH is 5.4 to 7.0.

Syngas (ingredient for CO, CO₂ and H₂) mainly comes from coal, oil, biomass and urban fixed waste gasification and factory (such as steel mills) of industrial waste gas, the gasification process all the carbonaceous organic matter in raw material can be transformed to syngas, so some difficult degradation substances, including lignin, can be used. Industrial waste gas and syngas as fermentation substrate reaction, lower cost, but also can reduce atmospheric greenhouse effect. Synthesis gas fermentation microorganisms is mainly produces acetic acid bacteria, they can through the Wood - Ljungdahl pathway, rely on CO₂ and H₂ as carbon and energy source, synthesis of acetyl coenzyme A, the substance and energy metabolism. Current research on dung flavour clostridium syngas fermentation reported less, this paper aims to understand from syngas composition and proportion of level dung flavour clostridium energy metabolism.

Key Words：Clostridium scatologenes; Syngas; The fermentation; energy metabolism

目录

摘 要 I

ABSTRACT II

前 言 1

第一章 文献综述 2

1.1发酵概述 2

1.2微生物菌种发酵及其应用 2

1.3粪味梭菌的种类及应用 3

1.4合成气发酵的优势和发酵的大环境 3

1.5粪味梭菌发酵的生理生化研究 4

1.6粪味梭菌的H₂/CO₂发酵研究的应用前景 5

1.7本课题的主要研究方法、目的及意义 5

第二章 实验材料与方法 7

2.1实验材料 7

2.1.1 菌株与培养基 7

2.1.2 实验试剂 7

2.1.3 实验仪器 9

2.2实验方法 9

2.2.1 粪味梭菌生长曲线的测定 9

2.2.2 粪味梭菌在CO₂/H₂作碳源条件下的发酵实验 9

2.3实验步骤 10

2.3.1 活化过程 10

2.3.2 驯化过程 10

2.3.3 发酵过程 10

第三章 结果与讨论 12

3.1 第一批次实验数据分析 12

3.2 第二批次实验数据分析 13

3.3 第三批次实验数据分析 14

3.4 讨论 15

3.5 小结 16

第四章 展 望 18

参考文献 19

附 录 21

致 谢 24

前 言

梭菌属是至今分离的产乙酸菌中分布最广的菌属之一，第一株被认定的产乙酸菌C. aceticum属于梭菌属。梭菌是一类专性厌氧、产芽孢、大多数借周生鞭毛运动的革兰氏阳性杆菌。因芽孢常比菌体大，致使菌体呈梭状而得名细胞大小约0.3μm×1.9μm～2μm×10μm。大多数种类为化能异养菌，少部分是化能自养菌。它们能够发酵糖或蛋白胨产生有机酸和醇类。它们的代谢具有多样性，最适温度为10-65℃。广泛地分布于污泥、土壤、人和动物的肠道等地方。有许多致病菌，如破伤风梭菌(Clostridium tetani)、肉毒梭菌(C. botulinum)产气荚膜梭菌(C. perfringens)等。丙酮丁醇梭菌(C. acetobutylicum)等是重要的工业发酵菌种。

粪味梭菌从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，能进行合成气发酵并且产乙酸、乙醇和丁酸。粪味梭菌能以合成气(CO₂和H₂)作为碳源和能源，通过Wood-Ljungdahl通路合成乙酰辅酶A，并进一步转化为各种有用的燃料和化学品，比如乙酸、乙醇、丁酸和丁醇等。合成气发酵是一个厌氧气态底物发酵过程，反应式如下所示：