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本论文应用多尺度参数相关性分析方法和微观代谢流分析方法考察和定量分析了谷氨酸棒杆菌对溶氧变化的代谢响应,分别从酶学、胞内氧化还原电势变化规律及代谢流定量计算分析等角度,详细考察了溶氧影响谷氨酸棒杆菌生长、谷氨酸合成能力的机制。 溶氧(DO)是好氧发酵过程中的重要参数,对细胞生理代谢有重要影响。谷氨酸发酵是典型的好氧发酵过程,限制供氧会降低谷氨酸产量并可能导致细胞失活,定量分析此条件下的代谢流变化有助于深入认识发酵过程中谷氨酸棒杆菌的行为。本文通过多尺度参数相关分析方法对谷氨酸发酵过程有了深入认识,并选择以溶氧为切入点对谷氨酸棒杆菌过量合成谷氨酸的机制进行研究。分别控制0％、5％、30％三个溶氧水平进行谷氨酸分批发酵,考察了这三种溶氧水平下发酵的谷氨酸棒杆菌的代谢响应。结果表明菌体生长受溶氧影响较小,而谷氨酸生物合成在不同溶氧水平下差异较大;随着溶氧降低,发酵液中柠檬酸和α-酮戊二酸的含量降低,TCA循环还原臂途径中的有机酸含量增加,丙氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸含量也有所增加,在溶氧为0％时,乳酸和乙酸大量积累。通过分析不同溶氧水平下的相关酶活和胞内氧化还原状态,发现随着溶氧降低,谷氨酸脱氢酶酶活降低,乳酸脱氢酶酶活升高,胞内氧化还原电势(NADH/NAD+)升高,它们的共同作用使氧限制条件下发酵的代谢流流向TCA循环的还原臂途径和乳酸合成途径,从而导致谷氨酸产量下降。 进一步将13C同位素示踪试验技术成功应用于谷氨酸发酵代谢通量计算中,在300mL微型全息式反应器中以含U-13C葡萄糖的合成培养基培养谷氨酸棒杆菌,分别在谷氨酸合成期控制溶氧为30％和0％,计算了这两种条件下谷氨酸棒杆菌代谢途径中关键节点的通量比例。并用化学计量学方法对全局代谢通量进行了分析,发现氧限制条件(DO=0％)下谷氨酸棒杆菌的代谢途径向还原性TCA循环迁移,同时PP途径、回补途径和乳酸、丙氨酸、赖氨酸的合成途径增强。这表明氧限制条件下流向乳酸和副产物氨基酸合成途径的代谢流通量增加,而流向谷氨酸合成途径的通量减少,从而导致谷氨酸合成量降低。