合成气来自于煤、石油、生物质和有机废物的气化，其主要成份为CO、H2和CO2。研究发现某些厌氧菌能利用合成气生成乙醇。由于生物转化所具有的优势，合成气发酵乙醇被认为是一项极具潜力和竞争力的技术，在生物质及有机废物的利用方面将发挥重要作用。研究微生物利用合成气产乙醇的生物转化规律，构建优良的发酵菌株，是合成气发酵制乙醇研究的关键。本论文围绕合成气发酵菌株Clostridium autoethanogenum的生长特性、合成气发酵规律及关键酶基因表达差异等方面展开了研究。　　首先，对C.autoethanogenum的生长培养基进行了改进，确定了以木糖为碳源，绘制了C.autoethanogenum在改良培养基上的生长曲线。研究结果表明，C.autoethanogenum在改良培养基上生长良好，菌体浓度为前期研究结果的3倍多;C.autoethanogenum代谢木糖的主要产物是乙酸，只产生少量乙醇，即使提高木糖浓度也不能有效增加乙醇的产量，培养14d后初始木糖浓度8～10 g/L的培养液中得到的乙醇浓度小于0.75 g/L，而另一产物乙酸的浓度在2.4 g/L以上。种龄及接种量的研究显示，种龄对菌株生长速率及最终的菌体浓度的影响较大，接种量的影响较小，接种后培养液的pH值从5.6到5.1不等，但是菌株的生长与代谢基本未受影响。C.autoethanogenum在含蛋白胨或酵母膏等有机氮源的培养基中生长迅速，菌体浓度高，而在仅含无机氮源NH4Cl的培养基上生长较缓慢，得到的菌体浓度较低;与无机氮源相比较，C.autoethanogenum利用有机氮源生长，能产生更多的乙酸，但是乙醇的浓度相差不大。　　采用木糖生长-CO发酵两步法，在3L发酵罐内研究了C.autoethanogenum的CO分批发酵。培养基初始木糖浓度分别为3 g/L和2 g/L时，连续通CO发酵得到的最高乙醇浓度分别是2.86 g/L和1.71 g/L，发酵结果优于文献报道。发酵曲线显示，菌株生长及乙酸生成使得发酵液的pH值和氧化还原电位（ORP）下降，乙醇的生成伴随着乙酸的减少、pH值及ORP上升。菌株生长及发酵阶段均会产生CO2，在CO发酵阶段还有微量的H2产生。但是，因为受到反应器及操作条件的限制，发酵过程中的气液传质速率较低，导致CO利用率低。　　为克服传统的固定体积培养系统的缺陷，采用了一个新型的具有弹性体积的培养系统-气体采样袋来研究合成气发酵。研究发现，气体采样袋具有良好的气密性，能够长时间保持袋内气体组成的稳定，是一个非常有效的适合气体发酵微生物的培养系统。气袋发酵结果显示，C.autoethanogenum可以利用CO作为唯一的碳源和能源，当培养基含1.0 g/L酵母膏、初始pH为6.0时，在1 L和2L气体采样袋中发酵得到的乙醇浓度分别是3.45 g/L和9.63 g/L，CO利用率为100％，相应的乙醇得率（每消耗1摩尔CO产生的乙醇摩尔数）分别为0.097和0.135，分别是理论得率的58％和81％，该结果大大优于文献报道。对不同瓶装气体的研究发现，C.autoethanogenum优先利用CO，它以100％ CO为底物时产出的乙醇最多。C.autoethanogenum也能利用真实合成气(36.2％ CO，23.0％ H2，15.4％ CO2，11.3％ N2)，但是由于O2和C2H2的存在，该利用过程比较慢而且CO利用率较低。此外，本论文对C.autoethanogenum和C.ljungdahlii的CO发酵性能进行了比较，发现C.autoethanogenum发酵CO产乙醇的能力优于C.ljungdahlii，而且当培养基中补加0.5 g/L的乙酸后，C.autoethanogenum和C.ljungdahlii的乙醇生产均得到了促进，相应的乙醇浓度分别提高了69.8％和25.2％。经过气袋驯化后，C.autoethanogenum的CO发酵能力大幅度提高，发酵周期可以缩短至7～8 d。以上结果表明C.autoethanogenum是一株具有高产乙醇潜力的菌株。　　研究了发酵抑制物糠醛和5-羟甲基糠醛对C.autoethanogenum生长的影响，结果显示5-羟甲基糠醛的影响较为显著。对不同的甘蔗渣水解液进行比较，发现在N2环境，180℃，4 Mpa，20 min条件下高温液态水处理甘蔗渣得到的水解液含0.7～1.1 g/L木糖，而糠醛和5-羟甲基糠醛含量较低，适合用于Cautoethanogenum的培养，再耦联CO发酵，得到的乙醇浓度为3.13 g/L，CO的乙醇得率为0.078，是理论得率的46.9％。　　采用实时荧光定量PCR技术对C.autoethanogenum的磷酸乙酰转移酶，乙醛铁氧还蛋白氧化还原酶，乙醇脱氢酶及CO脱氢酶共19个基因的表达进行了研究，相对定量了这些基因在不同条件下的表达水平，通过分析上述基因表达水平的差异，筛选出与合成气转化乙醇相关的基因:磷酸乙酰转移酶基因CAETHG_3358，乙醛铁氧还蛋白氧化还原酶基因CAETHG_0102和CAETHG_0092，乙醇脱氢酶基因CAETHG_3604，CAETHG_1841，CAETHG_1813和CAETHG_0410。研究还发现，除了CAETHG_0455基因的表达水平较明显下调，其余CO脱氢酶基因在转录水平上不受碳源的影响。此外，利用稳定性同位素(13C)示踪技术对C.autoethanogenum CO发酵过程中乙酸转化的代谢流进行了研究，结果显示，外加0.3 g/L13C乙酸时，乙酸中77.2％13C标记的C原子进入到乙醇中，只有2.05％的13C原子仍留在乙酸中;当外加1.2 g/L13C乙酸时，90％的13C原子流向了乙醇，4.01％的13C原子保留在乙酸中。该结果说明外加的乙酸绝大部分被转化成了乙醇，而且外加的乙酸越多，它转化为乙醇的比例也越高。　　基于Ⅱ型内含子插入失活的原理，计算得到C.autoethanogenum磷酸乙酰转移酶基因(pta)及乙醛铁氧还蛋白氧化还原酶基因（aor1，aor2）的内含子最佳插入位点，分别是pta基因的反义链第428与429位碱基之间，aor1基因有义链的第558与559位碱基之间及aor2基因有义链的第360与361位碱基之间。之后设计引物，采用重叠延伸PCR法扩增了内含子的IBS，EBS1d和EBS2序列，在质粒pMTL007的基础上，成功构建了分别用于C.autoethanogenum的pta，aor1及aor2基因插入失活的载体pMTL007-Cau-pta-428a，pMTL007-Cau-aor1-558s和pMTL007-Cau-aor2-360s，为后续基因工程菌的构建打下了基础。