粗甘油發(fā)酵生產(chǎn)1, 3-丙二醇的研究進展

蔣歡 馬江山 曾柏全 張良波 李培旺，3

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長沙 410004；2.木本油料資源利用國家重點實驗室，長沙 410004；3.湖南省林業(yè)科學(xué)院油脂分子構(gòu)效湖南省重點實驗室，長沙 410004）

隨著化石資源日趨枯竭，生物柴油作為潛在替代品備受青睞，然而在生物柴油生產(chǎn)過程中伴隨著大量副產(chǎn)物粗甘油的產(chǎn)生。平均每生產(chǎn)100 t生物柴油就產(chǎn)生10 t粗甘油。據(jù)統(tǒng)計，全球約有67%的粗甘油來源于生物柴油工業(yè)生產(chǎn)［1-2］。粗甘油中含有大量殘留的甲醇、鹽、催化劑、甲酯和游離脂肪酸等雜質(zhì)，在未經(jīng)預(yù)處理的情況下，其工業(yè)應(yīng)用價值低［3］。隨著全球生物柴油工業(yè)的持續(xù)快速增長，粗甘油產(chǎn)量將進一步增加，預(yù)測至2025年全球粗甘油產(chǎn)量將達到600萬t［4］。粗甘油雜質(zhì)多、價格低、產(chǎn)量大，其再開發(fā)利用途徑主要分為三大類：第一，純化精制成純甘油，再進入傳統(tǒng)甘油市場［5-6］；第二，直接進入動物飼料市場或生物燃料市場［7-9］；第三，開發(fā)成高附加值化工產(chǎn)品，如1, 3-丙二醇（1,3-propanediol，1, 3-PDO）和環(huán)氧氯丙烷等［10-12］。粗甘油的前兩種利用途徑受經(jīng)濟效益、市場規(guī)模和附加值低等影響，導(dǎo)致大量粗甘油無法得到有效處理和應(yīng)用而被廢棄。這不僅不利于生物柴油生產(chǎn)成本的降低，而且還可能成為一種新的環(huán)境污染源，從而阻礙生物柴油產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展［8］。目前對粗甘油利用的研究熱點主要開發(fā)為高附加值化工產(chǎn)品1, 3-PDO［13-15］。

1 甘油發(fā)酵生產(chǎn)1, 3-PDO

2 1, 3-PDO的主要生產(chǎn)菌株、代謝途徑及關(guān)鍵酶

1, 3-PDO是一種重要的有機化工原料，廣泛用于高分子材料、食品、醫(yī)藥、化妝品和化工等領(lǐng)域。其中，以1, 3-PDO作為單體合成聚對苯二甲酸丙二醇酯聚酯纖維（PTT），因其具有良好的彈性、抗污性、著色性及生物可降解性等優(yōu)點備受關(guān)注［16-17］。隨著全球市場對1, 3-PDO需求的迅速增加，1, 3-PDO的市場價值也快速攀升［18］。廣闊的市場前景和巨大的商業(yè)價值使得如何實現(xiàn)低成本、高效、綠色環(huán)保生產(chǎn)1, 3-PDO成為當(dāng)下研究熱點［19］。目前，1, 3-PDO工業(yè)生產(chǎn)主要有化學(xué)合成法和生物法兩種。傳統(tǒng)的化學(xué)合成法主要分為丙烯醛法和環(huán)氧乙烷法，均具有成本高、產(chǎn)率低、依賴不可再生原料等缺點［20］。與化學(xué)合成法相比，生物法反應(yīng)條件更溫和、原材料來源廣泛，而且對環(huán)境污染小，符合綠色化工的要求，有望逐步取代化學(xué)合成法［21］。生物法主要以甘油為底物，采用相應(yīng)的微生物發(fā)酵，通過歧化反應(yīng)，將甘油轉(zhuǎn)化為1, 3-PDO。然而大部分的研究主要集中在以純甘油為底物來發(fā)酵生產(chǎn)1, 3-PDO。一般而言，微生物受粗甘油中大量雜質(zhì)的影響，其發(fā)酵過程中1, 3-PDO的產(chǎn)量、生產(chǎn)效率及生產(chǎn)強度等會明顯低于純甘油［22］。盡管可利用減壓蒸餾、離子交換、活性炭吸附以及其它化學(xué)方法對粗甘油進行純化，但成本昂貴。目前限制微生物生產(chǎn)1, 3-PDO工業(yè)化的主要原因之一是成本較高，而原料價格占整個成本的50%［12］。粗甘油價格低廉，通過開展能直接利用粗甘油發(fā)酵生產(chǎn)1, 3-PDO的微生物的篩選及耐受機制研究，將對降低1, 3-PDO生產(chǎn)成本和提升其經(jīng)濟效益具有重要的促進作用，這也是生物柴油下游產(chǎn)業(yè)的研究重點［23-24］。

自然界中能代謝甘油生產(chǎn)1, 3-PDO的微生物主要有腸桿菌屬的克雷伯氏肺炎桿菌（Klebsiella pneumoniae）與產(chǎn)酸克雷伯氏菌（Klebsiella oxytoca）［25-26］；梭 菌 屬 的 巴 氏 梭 狀 芽 孢 桿 菌（Clostridia pasteuianum）、產(chǎn)氣夾膜梭狀芽孢桿菌（Clostridium perfringens）和丁酸梭狀芽孢桿菌（Clostridia butyricum）［27-29］；以及乳桿菌屬的雙科特迪瓦乳桿菌（Lactobacilli diolivorans）、羅伊氏乳酸桿菌（Lactobacillus reuteri）和短乳桿菌（Lactobacilli brevis）等［30-32］。其中，克雷伯氏肺炎桿菌、巴氏梭狀芽孢桿菌和丁酸梭狀芽孢桿菌等3種細菌能以甘油為唯一碳源發(fā)酵生產(chǎn)1, 3-PDO，其轉(zhuǎn)化率和生產(chǎn)強度均高于其他菌，因此對這3種細菌生產(chǎn)1, 3-PDO的研究更為廣泛和深入［33］。

微生物代謝甘油途徑分為氧化和還原兩條分支：還原途徑生成1, 3-PDO，氧化途徑為菌體生長及還原途徑分別提供ATP和NADH（圖1）［34］。在還原途徑中，甘油經(jīng)甘油脫水酶（glycerol dehydratase，GDHt）的催化作用，脫去一分子水生成中間產(chǎn)物3-羥 基 丙 醛（3-hydroxypro-pionaldehyde，3-HPA），在NADH存在下，通過1, 3-PDO氧化還原酶（1,3-propanediol oxidoreductase，PDOR）催化3-HPA生成1, 3-PDO。在氧化途徑中，甘油首先被甘油脫氫酶（glycerol dehydrogenase，GDH）催化脫氫，生成2-羥基丙酮（DHA），該過程同時伴隨著NADH的生產(chǎn)；隨后通過2-羥基丙酮激酶（dihydroxyacetone kinase，DHAK）催化生成磷酸二羥丙酮（dihydroxyacetone phosphate，DHAP），DHAP進一步轉(zhuǎn)化成丙酮酸，并進入糖代謝途徑生成其他小分子醇和酸等代謝產(chǎn)物，同時釋放出ATP，為微生物生長提供能量［35］。氧化途徑與還原途徑通過NADH和NAD+相互轉(zhuǎn)換偶聯(lián)。微生物甘油代謝途徑中主要涉及甘油脫氫酶、甘油脫水酶和1, 3-PDO氧化還原酶等關(guān)鍵酶。甘油脫氫酶屬于NAD+依賴型酶，主要催化甘油生成DHA。不同來源的甘油脫氫酶結(jié)構(gòu)不同，主要分為四聚體、六聚體和八聚體等3種結(jié)構(gòu)［36］。甘油脫水酶是還原途徑中控制甘油分解和1, 3-PDO生成的限速酶，對1, 3-PDO的合成速率和產(chǎn)率起著至關(guān)重要的作用［37］。甘油脫水酶分為輔酶B12依賴性和非依賴性兩種，這兩種甘油脫水酶編碼基因序列并無同源性。前者存在于大部分微生物中，而輔酶B12非依賴性甘油脫水酶目前僅在丁酸梭狀芽孢桿菌中發(fā)現(xiàn)［37］。1, 3-PDO氧化還原酶將甘油還原途徑的中間產(chǎn)物3-HPA還原為1, 3-PDO，同時消耗NADH產(chǎn)生NAD+，維持細胞內(nèi)還原力當(dāng)量平衡［38］。

圖1 微生物代謝甘油途徑示意圖Fig.1 Schematic diagram of microbial glycerol metabolic pathway

3 粗甘油對微生物發(fā)酵生產(chǎn)1, 3-PDO的影響

當(dāng)前生物柴油工業(yè)生產(chǎn)工藝一般是以動植物的油脂與甲醇作為反應(yīng)原料，在催化劑作用下，使油脂醇解生成生物柴油與副產(chǎn)物：甘油。反應(yīng)過程中，使用的催化劑不同，其產(chǎn)生的粗甘油中甘油和雜質(zhì)含量有較大差異。來源于生物柴油工業(yè)的粗甘油經(jīng)過初步純化后其甘油含量一般為65%-90%（W/W），此外還含有大量雜質(zhì)，包括1%-2%脂肪酸、6%-13%醇類及 1%-8% 無機鹽等［3，39-40］。

當(dāng)微生物以粗甘油作為單一碳源發(fā)酵時，其1, 3-PDO 的產(chǎn)率及底物消耗速率等會明顯低于純甘油底物，這是因為粗甘油中含有的雜質(zhì)對微生物菌體生長代謝以及酶活性等會產(chǎn)生嚴(yán)重抑制作用。由于不同微生物具有不同的生長和代謝特性，因此粗甘油中不同雜質(zhì)對微生物生長和1, 3-PDO產(chǎn)率均有不同的影響。如Chatzifragkou等［41］發(fā)現(xiàn)粗甘油中對于1, 3-PDO發(fā)酵菌株C.butyricum VPI 1718發(fā)酵影響主要是不飽和脂肪酸類物質(zhì)。由于不飽和油酸中雙鍵的存在使分子發(fā)生扭結(jié)，彎曲分子與膜的相互作用通過阻礙營養(yǎng)物質(zhì)和代謝物跨膜擴散而影響其運輸，從而抑制菌株生長與1, 3-PDO生產(chǎn)，且油酸的不飽和度越高，抑制作用越大。Moon等［42］證明粗甘油中甲醇類物質(zhì)對于1, 3-PDO發(fā)酵菌株C.butyricum DMS 15410發(fā)酵效率影響最大。高濃度的醇類物質(zhì)對細胞膜流動性影響較大，通過改變細胞膜的通透性影響細胞生理活動，對菌株發(fā)酵產(chǎn)生抑制作用。Ito等［43］證實粗甘油中鹽類物質(zhì)對于甘油利用菌株Enterobacter aerogenes HU-101的抑制作用最大。高濃度鹽離子可降低細胞脂質(zhì)膜中的范德華力，并導(dǎo)致細胞膜腫脹，改變細胞內(nèi)的生化過程，從而抑制細菌的生長代謝。Venkataramanan等［44］發(fā)現(xiàn)粗甘油中脂肪酸雜質(zhì)對C.pasteurianum ATCC 6013轉(zhuǎn)化甘油有著強烈抑制作用，而其他雜質(zhì)如鹽類和甲醇等雜質(zhì)對細菌轉(zhuǎn)化甘油的影響不大。Laura等［45］研究證明粗甘油雜質(zhì)主要是對K.penumoniae DSMZ 2026發(fā)酵過程中1, 3-PDO產(chǎn)率產(chǎn)生了嚴(yán)重的抑制作用，但是對該菌發(fā)酵過程的菌體生長影響較小。本課題組開展的粗甘油雜質(zhì)對K.penumoniae 2e發(fā)酵影響研究結(jié)果表明，不飽和亞油酸是影響菌株生長和代謝的主要雜質(zhì)［46］。上述研究表明，粗甘油中雜質(zhì)直接抑制微生物發(fā)酵及1, 3-PDO產(chǎn)量，從而制約其工業(yè)化應(yīng)用，而粗甘油中不同雜質(zhì)對不同微生物發(fā)酵的影響各有差異。

4 不同種屬微生物發(fā)酵粗甘油生產(chǎn)1, 3-PDO

近些年來，已有不少學(xué)者開展了粗甘油直接發(fā)酵生產(chǎn)1, 3-PDO的研究，并篩選分離出多種耐受粗甘油雜質(zhì)生產(chǎn)1, 3-PDO的微生物，盡管距離實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用還有眾多尚待解決的問題，但是這些研究的開展將對于推動直接利用粗甘油工業(yè)化生產(chǎn)1, 3-PDO的實現(xiàn)具有重要意義。

4.1 腸桿菌屬

對腸桿菌屬以粗甘油為碳源發(fā)酵的研究，在近年來取得了較大進展。其中，K.pneumoniae是目前研究最深入的1, 3-PDO生產(chǎn)腸桿菌屬之一［47］。有研究表明，K.pneumoniae以粗甘油為底物發(fā)酵時的甘油轉(zhuǎn)化率及1, 3-PDO產(chǎn)量等均優(yōu)于其他菌屬，對粗甘油雜質(zhì)具有高耐受性。如Yang等［48］研究表明，K.pneumoniae ATCC 8724分批發(fā)酵粗甘油時，1, 3-PDO最高產(chǎn)率和最高產(chǎn)量分別可達0.65 mol/mol和20 g/L，幾乎與純甘油底物發(fā)酵時1, 3-PDO得率相當(dāng)。為提高菌株對粗甘油耐受性及1, 3-PDO產(chǎn)量，許多學(xué)者采用從特殊環(huán)境篩選或者誘變等方式獲得粗甘油高產(chǎn)1, 3-PDO菌株。例如本課題組從生物柴油生產(chǎn)廢渣污染土樣中，分離篩選出一株粗甘油高產(chǎn)1, 3-PDO細菌K.pneumoniae 2e。該菌以粗甘油為底物發(fā)酵12 h后，其1, 3-PDO產(chǎn)率達0.64 mol/mol，與文獻報道的同種屬菌株相比優(yōu)勢明顯，具有應(yīng)用于工業(yè)發(fā)酵粗甘油生產(chǎn)1, 3-PDO的潛力［46］。

K.pneumoniae與大腸桿菌的生化與遺傳特性相近，較易通過基因工程手段開展遺傳改造和基因工程育種［25，49］。如 Oh 等［50］通過構(gòu)建的 K.pneumoniae菌株乳酸和2, 3-丁二醇代謝途徑缺陷突變體，利用粗甘油發(fā)酵生產(chǎn)的1, 3-PDO最大產(chǎn)量與發(fā)酵強度分別為81.1 g/L與3.38 g/（L·h），且乳酸和2, 3-丁二醇副產(chǎn)物顯著減少。這表明通過基因工程手段對提高K.pneumoniae發(fā)酵粗甘油產(chǎn)1, 3-PDO得率的潛力巨大。值得注意的是，K.pneumoniae屬于條件致病菌，如何去除或減少其致病性以保證其生產(chǎn)安全性，是其工業(yè)化應(yīng)用前需要解決的重要問題［25］。盡管腸桿菌屬中大腸桿菌本身不能利用甘油生產(chǎn)1, 3-PDO，通過基因工程技術(shù)對其進行遺傳改造后，可獲得發(fā)酵甘油生產(chǎn)1, 3-P DO的大腸桿菌工程菌株。例如，Clomburg等［51］將來自Citrobacter freundii菌株中甘油脫氫酶基因gldA及1, 3-PDO氧化還原酶基因yqhD轉(zhuǎn)入大腸桿菌后，其利用粗甘油生產(chǎn)1, 3-PDO的產(chǎn)率可達21.3%，與純甘油類似。此外，由于腸桿菌屬生長速度快且對其進行遺傳改造的技術(shù)較成熟，因此該菌屬在發(fā)酵粗甘油生產(chǎn)1, 3-PDO工業(yè)中極具開發(fā)和應(yīng)用前景。

4.2 梭菌屬

梭菌屬發(fā)酵甘油產(chǎn)1, 3-PDO的過程中需要嚴(yán)格的厭氧條件，其對甘油發(fā)酵過程中的底物和產(chǎn)物具有較高的耐受性，該菌屬在對粗甘油轉(zhuǎn)化效率方面具有優(yōu)勢。例如Wilkens等［52］篩選到一株生長快且高耐受雜質(zhì)的菌株C.butyricum AKR102a，其利用粗甘油發(fā)酵生產(chǎn)的1, 3-PDO濃度達 76.2 g/L，生產(chǎn)強度為2.3 g/（L·h），其生產(chǎn)強度高于文獻報道的其他野生菌株。通過基因工程手段，可有效提高梭菌屬發(fā)酵粗甘油產(chǎn)1, 3-PDO的得率。例如，Wischral等［53］將大腸桿菌的甘油脫氫酶基因gldA和二羥基丙酮激酶基因dhaKLM轉(zhuǎn)入C.beijerinckii DSM 791后，其發(fā)酵粗甘油生產(chǎn)1, 3-PDO的產(chǎn)率達0.54 g/g，相比野生型菌株提高了37.5%。Jensen等［54］采用化學(xué)試劑對一株C.pasteurianum菌株誘導(dǎo)突變后，其利用粗甘油發(fā)酵生產(chǎn)的1, 3-PDO產(chǎn)率達0.25 mol/L，生產(chǎn)強度為1.21 g/（L·h）。與野生型相比，其產(chǎn)率提高了48%。值得關(guān)注的是，梭菌屬編碼的甘油脫水酶是非輔酶B12依賴型，其在發(fā)酵過程中不需要額外添加輔酶B12來促進甘油脫水酶酶活，因此有利于工業(yè)化生產(chǎn)中降低生產(chǎn)成本［55］。此外，梭菌屬為非致病菌，對工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)過程中的安全無影響。這些研究表明梭菌屬具有成為粗甘油生產(chǎn)1, 3-PDO候選菌株的潛力［56］。

4.3 乳桿菌屬

對乳桿菌屬利用粗甘油生產(chǎn)1, 3-PDO的研究，目前主要開展菌種篩選。例如，Vivek等［31］分離篩選到一株能發(fā)酵粗甘油產(chǎn)1, 3-PDO的短乳桿菌L.brevis N1E9.3.3，其在厭氧培養(yǎng)條件下利用粗甘油生產(chǎn)的1, 3-PDO濃度可達18.6 g/L，產(chǎn)率為0.83 g/g。Grahame等［57］分離篩選出的一株面包乳桿菌L.panis PM1在堿性條件下（pH 9-10）對粗甘油發(fā)酵產(chǎn)1, 3-PDO的轉(zhuǎn)化率達到71%。為了進一步提高乳桿菌屬對粗甘油的發(fā)酵性能，已有不少學(xué)者通過改造其甘油代謝途徑，有效減少了副產(chǎn)物生成量，獲得高效發(fā)酵菌株。Vaidyanathan等［58］通過在中引入大腸桿菌乙醇脫氫酶編碼基因（YqhD），可顯著促進L.reuteri發(fā)酵甘油過程的中間產(chǎn)物3-HPA向1, 3-PDO轉(zhuǎn)化，與野生型菌株相比，其轉(zhuǎn)化粗甘油產(chǎn)1, 3-PDO的效率提高了34%，但該菌產(chǎn)乳酸和乙醇副產(chǎn)物的量增加了。推測其原因，可能是在其甘油代謝途徑，引入的乙醇脫氫酶基因過表達后，對NADPH的消耗量增加，導(dǎo)致其原有的NADH依賴型1, 3-PDO氧化還原酶（PDOR）活性降低，使得產(chǎn)生的NADH更多地流向乳酸和乙醇生成途徑。Pflügl等［59］對 L.diolivorans的 1, 3-PDO 氧化還原酶基因過表達后，與野生型菌株相比，其發(fā)酵粗甘油產(chǎn)1, 3-PDO產(chǎn)率提高了20%。這些研究表明通過基因工程手段對乳桿菌代謝甘油生產(chǎn)1, 3-PDO途徑的定向改造，成為提高其利用粗甘油產(chǎn)1, 3-PDO效率的重要手段。此外，乳桿菌屬作為1, 3-PDO的天然生產(chǎn)菌株之一，有著獨特的優(yōu)勢，其屬于非致病菌株，且發(fā)酵過程中也不需要嚴(yán)格的厭氧條件，預(yù)示著該菌屬在發(fā)酵粗甘油產(chǎn)1, 3-PDO方面具有重要的發(fā)展前景。

5 混菌發(fā)酵粗甘油生產(chǎn)1, 3-PDO

混菌發(fā)酵主要是利用菌種之間協(xié)調(diào)互作關(guān)系，克服中間產(chǎn)物過多積累對發(fā)酵產(chǎn)物生成的不利影響，能提高微生物對發(fā)酵環(huán)境的適應(yīng)性和產(chǎn)物產(chǎn)率。為了克服單一菌種發(fā)酵甘油產(chǎn)1, 3-PDO過程中轉(zhuǎn)化率不高、性能不穩(wěn)定等缺點，近些年來，有學(xué)者嘗試通過混菌發(fā)酵方式來提高1, 3-PDO產(chǎn)率的研究。Pan等［60］采用梭菌與腸桿菌屬混合菌株對粗甘油厭氧發(fā)酵時，1, 3-PDO產(chǎn)量高達0.44 g/g，且副產(chǎn)物乙酸的量顯著降低；進一步采用Bacillus megaterium和Corynebacterium hydrocarbooxydans混合菌株對上述發(fā)酵液再次發(fā)酵，生產(chǎn)的1, 3-PDO純度由最初的27.7%提高到接近100%。相比單菌發(fā)酵，混菌發(fā)酵方式還可以提高對粗甘油發(fā)酵過程中底物和產(chǎn)物濃度的耐受性。Zhou等［61］從活性污泥樣中篩選出主要由梭菌屬和肽鏈球菌屬組成的厭氧菌群C2-2M，該菌群在甘油補料分批發(fā)酵中，生產(chǎn)的1, 3-PDO濃度高達57.86 g/L，生成的產(chǎn)物濃度相比單菌發(fā)酵提高幅度較大。Jiang等［62］從大連海域篩選出高耐受粗甘油雜質(zhì)的菌群DL38，該菌群對粗甘油耐受濃度達200 g/L，生產(chǎn)的1, 3-PDO濃度達到81.4 g/L，轉(zhuǎn)化率為0.63 mol/L。此外，通過混菌發(fā)酵方式對未經(jīng)滅菌的甘油也具有較好的轉(zhuǎn)化效率，例如Gallardo等［63］通過添加額外菌株至菌群DL38改造形成了新的菌群DL38-BH，該菌群利用未滅菌甘油生產(chǎn)的1, 3-PDO產(chǎn)量、轉(zhuǎn)化率及生產(chǎn)強度均與底物經(jīng)滅菌后的相當(dāng)。這表明其具有應(yīng)用于實際生產(chǎn)的巨大潛力（表1）。

表1 不同菌株或菌群利用粗甘油為底物發(fā)酵生產(chǎn)1，3-PDOTable 1 Production of 1，3-PDO by different strain or microbial consortium using crude glycerol substrate

混合菌群對粗甘油的高度適應(yīng)是不同菌株共同作用的結(jié)果，利用微生物菌群混合發(fā)酵手段不僅可以提高粗甘油利用率、減少副產(chǎn)物的生成，還可降低下游工藝中目標(biāo)產(chǎn)物的分離成本，為未來大規(guī)模利用粗甘油生產(chǎn)1, 3-PDO提供新思路。需要指出的是，菌群活性、結(jié)構(gòu)組成及發(fā)酵性能等因素穩(wěn)定性對發(fā)酵過程中的1, 3-PDO產(chǎn)率起著至關(guān)重要作用。而混合菌群經(jīng)過長時間低溫保存，其發(fā)酵性能有所降低，影響其在工業(yè)上應(yīng)用。因此，如何提高保藏過程中菌群活性和穩(wěn)定性，是混菌發(fā)酵應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)之前需要解決的關(guān)鍵問題之一［64］。

6 展望

在生物柴油產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展過程中，對伴隨產(chǎn)生的大量副產(chǎn)物粗甘油如何進行有效處理已經(jīng)成為影響該產(chǎn)業(yè)能否可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。通過微生物發(fā)酵將粗甘油直接轉(zhuǎn)化成高值化學(xué)品1, 3-PDO，成為該副產(chǎn)物極具前景的高值化利用途徑之一。其中，如何克服粗甘油雜質(zhì)對微生物發(fā)酵抑制的影響，是未來實現(xiàn)粗甘油直接生物轉(zhuǎn)化生產(chǎn)1, 3-PDO工業(yè)化應(yīng)用亟待解決的關(guān)鍵問題。盡管目前通過自然篩選、誘變、基因工程等手段發(fā)掘出多種能直接發(fā)酵粗甘油生產(chǎn)1, 3-PDO菌株，但是對其相關(guān)功能基因在粗甘油底物發(fā)酵過程中的表達調(diào)控、功能酶對雜質(zhì)耐受特性等從分子層面解析與粗甘油耐受機制相關(guān)的研究還很少見報道。同時，目前尚未有應(yīng)用于實際生產(chǎn)的菌株開發(fā)出來。

為了進一步促進微生物發(fā)酵法轉(zhuǎn)化粗甘油生產(chǎn)1, 3-PDO的應(yīng)用，未來針對粗甘油高效發(fā)酵生產(chǎn)1, 3-PDO的研究可從以下三個方面開展：第一，開展對粗甘油高耐受微生物與耐受相關(guān)功能酶的發(fā)掘與研究，通過對其耐受特性、蛋白分子結(jié)構(gòu)特征等方面探究，獲取具有優(yōu)良性狀的酶資源；第二，對耐受粗甘油的功能基因的表達調(diào)控機制開展深入探究，以解析其耐受粗甘油的分子調(diào)控機制；對粗甘油高耐受微生物開展關(guān)鍵耐受功能酶資源的發(fā)掘與研究；第三，通過對微生物發(fā)酵粗甘油過程中副產(chǎn)物生成途徑開展深入解析，為通過基因工程手段改造其代謝途徑以減少副產(chǎn)物提供理論依據(jù)。基于上述研究結(jié)果，通過對微生物甘油代謝、1, 3-PDO生產(chǎn)途徑中功能酶及與耐受相關(guān)基因的表達調(diào)控途徑、副產(chǎn)物生成途徑等通過代謝工程、分子生物學(xué)手段進行改造，提高微生物直接發(fā)酵粗甘油生產(chǎn)1, 3-PDO效率，促進其應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。