细菌纤维素（Bacterial cellulose,BC）是细菌产生的一种胞外多糖,其在纤维素合成酶（Bacterial cellulose synthase,BCS）的作用下由单体吡喃葡萄糖通过β-（1,4）-糖苷键聚合而成,是天然存在的一种大分子直链多糖。细菌纤维素在化学组成上与植物纤维素相近,却有后者不具备的纳米网状结构、强吸水力、高纤维素纯度、高亲水性、高结晶度、高抗张强度和高生物相容性等优良特性。细菌纤维素作为一种新型的纳米级生物材料,在食品工业、造纸工业、电子工业和生物医疗等领域都具有广泛的应用价值,已在美国、加拿大与日本实现现代化工业生产和应用。我国对于细菌纤维素的应用主要在食品行业,且采用传统的静态发酵工艺即静置发酵。对于新型的动态发酵如搅拌式发酵罐发酵等仍停留在实验室阶段,尚无成熟的大规模生产体系,其主要原因在于缺乏性能优良的工业菌株、生产工艺落后及相关菌株的生物遗传学研究匮乏。为满足细菌纤维素的工业化生产需求、夯实产细菌纤维素菌株生物遗传工程改造的理论基础,本文主要研究内容和结论如下:1.产细菌纤维素高产菌株的自然选育及特性研究本文利用平板分离、小试管产膜初筛、三角瓶振荡培养复筛的方法,筛选了264份水果样品,自然选育分离得到2个属、12个种共54株产纤维素菌株。其中菌株LTF-20171129Z2-3纤维素动态发酵产量高、遗传稳定,三角瓶振荡培养4 d后细菌纤维素产量为2.69±0.05 g/L,相比已报道的高产菌株产量高出69.3%。该菌株为短杆状革兰氏阴性菌,菌落为圆形乳黄色,边缘整齐,根据生理生化鉴定结果可归属于驹形杆菌属,但区别于已有种。为了详细了解该菌株的分类地位和遗传学特性,本文对该菌株进行了全基因组测序及分析,完成了该菌株的全基因组图谱绘制,并根据ANI分析结果结合生理生化特征将其确定为驹形杆菌属新种Komagataeibacter sp.nov.。对该菌株所产细菌纤维素的表面微观形态、化学官能团组成、结晶度及机械性能的分析表明其具有良好的材料学性质。2.细菌纤维素合成酶基因生物学功能研究本文依据全基因组分析结果,分析完善了其细菌纤维素合成的多种碳源代谢通路,为进一步丰富其细菌纤维素合成机制的认识及遗传学改造奠定了坚实基础。另外,全基因组分析发现菌株Z2-3中存在4个纤维素合成酶bcs操纵子,各操纵子之间序列相似度低,并且首次报道不同bcs操纵子对细菌纤维素的合成具有不同的影响。本文首次证明bcs ABⅢ基因对细菌纤维素合成起到最为关键的作用,bcs CⅢ基因在动态发酵条件下起到向胞外运输细菌纤维素的主要作用。此外,bcs DⅠ基因的缺失会导致所产细菌纤维素网状结构排列的不稳定。3.高产菌株动态发酵培养条件优化及细菌纤维素的应用经发酵条件及培养基成分优化后,菌株Z2-3在挡板三角瓶发酵中细菌纤维素产量高达5.98±0.23 g/L,相比优化前产量提高了137.40%,和文献报道相比处于高产水平,且所产细菌纤维素结晶度达66.42%,与静态发酵所产细菌纤维素相近,表明该菌株适合动态发酵。该菌株在使用工业废甘油WG2作为唯一碳源的情况下,活菌数显著高于对照且细菌纤维素产量高,具有极大的经济价值且环保可持续。在动物蛋白饮料可可奶和植物纤维饮料鲜榨橙汁的细菌纤维素应用实验表明,添加细菌纤维素的稳定剂配方均能显著提高饮料的悬浮稳定性。总而言之,本文以自然选育得到的高产菌株Z2-3为材料,对菌株的特性及其细菌纤维素的合成机制进行了探究,为进一步的菌株遗传改造以及细菌纤维素生产工业化提供了坚实的理论基础。