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嗜热厌氧菌（Thermoanaerobes）因具有广泛的底物谱、代谢产物类型简单和较高的底物转化率等特点,在上世纪80年代能源危机后引起生物燃料研究者的关注。本课题组前期研究中筛选并改造了一株嗜热厌氧杆菌（Thermoanaerobacterium aotearoense LA1002,以下简称LA1002）,能有效利用葡萄糖、木糖、纤维二糖、葡聚糖等单一糖分发酵生产乳酸,而且乳酸的转化率接近理论转化率,展现出很好的工业应用价值。本论文就该菌株的碳源代谢利用机制及其效率提高展开系统研究。碳代谢物阻遏（Carbon catabolite repression,CCR）是微生物普遍存在的一种适应性调节机制。不同微生物碳代谢物阻遏机制不尽相同,即使同一类微生物,调节途径也是多样的。混合碳源利用研究表明,该嗜热厌氧杆菌对纤维二糖、半乳糖、乳糖等的利用受到2-脱氧葡萄糖和葡萄糖的严重抑制,显示其对该类碳源的利用存在明确的碳代谢物阻遏效应。鉴于此,本论文克隆鉴定了CCR机制关键蛋白编码基因pts H和hprK。体外磷酸化实验证实HPr（histidine-containing phosphocarrier protein）的位点特异性磷酸化由HPrK（HPr kinase/phosphorylase）催化完成,且该过程无需1,6-二磷酸果糖和6-磷酸葡萄糖的刺激即可实现。体外亲和实验和等离子体表面共振研究表明,位点Ser46磷酸化的HPr（HPr-Ser46-P）与分解代谢物控制蛋白A（Catabolite control protein A,CcpA）可特异性结合,其结合常数（KD）为2.22±0.36 nM。上述研究表明,该嗜热厌氧杆菌的碳代谢物阻遏依循厚壁菌门微生物（Firmicutes）的CCR机制,为后续该菌株的CCR的解除和多种碳源等效利用奠定了理论基础。底物抑制会导致微生物发酵过程菌体生长减缓、发酵速度下降、生产能力降低等问题。针对产乳酸突变株T.aotearoense LA1002的高浓度底物抑制现象（>50 g/L糖底物）,本论文采用梯度适应性驯化方法获得了可稳定、快速利用高糖底物的突变株T.aotearoense LA1002-G40。以100 g/L糖为碳源（90 g/L葡萄糖+10 g/L果糖）的摇瓶发酵研究表明,接种后突变株LA1002-G40几乎没有迟滞期存在,培养至24 h时OD600可达到1.3左右,而原始菌株LA1002在同样发酵条件下未见明显生长。进一步以厨余废弃物水解液为原料（75 g/L葡萄糖和16 g/L果糖）,可在48 h内完成发酵,乳酸产量和转化率分别达68.03±0.77 g/L和0.79±0.03 g/g,且批次间稳定（SD<5%）。转录组测序结果表明共有239个基因呈现显著性差异表达,有6条代谢通路至少含有5个差异基因富集。胞内溶质响应研究显示,相比于出发菌株,高浓度底物条件下LA1002-G40的葡糖基供体UDP-Glucose上调了1.88倍;作为渗透压保护剂的谷氨酸和甘氨酸等相容性溶质,其胞内含量也分别提高了2.90和1.42倍,与转录组数据相吻合。同时,应对环境压力的DNA修复相关基因的表达也被上调。本研究结果为同类菌株的工业化应用提供了范例,且对高浓度底物抑制解除的菌株理性改造具有指导性意义。