嗜极微生物.ppt.ppt

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1、厌氧嗜热真细菌的生物技术常艳艳2120180417半纤维素水解酶纤维素水解酶半纤维素水解酶纤维素水解酶在我国，以纤维素为主要成分的生物质资源极其丰富，木质纤维素是由45%的纤维素30%的半纤维素和25%的木质素组成，纤维素和半纤维素在木质或农业生物质组成中占比可达70%—80%，所以，纤维素是自然界中储量最丰富的有机物。纤维素是由葡萄糖脱水通过β—1，4—糖苷键形成的直链聚合体在植物体内，这些纤维素以聚合度很高的结晶态存在，阻碍了纤维素的直接降解工业上通过酸水解高温爆破等预处理后，再将其降解为还原糖，不但提高了成本，还造成环境污染长期以来，纤

2、维素的水解过程一直被认为是整个生物转化过程中最重要的限速阶段。纤维素水解酶自然界存在着许多种真菌、放线菌和细菌能降解纤维素，其中包括嗜热厌氧纤维素降解细菌，这一类细菌在高温厌氧下具有较强的纤维素降解能力，可利用某些未经处理的植物秸秆，所以它们在纤维素废料和农作物秸秆处理方面的广阔应用前景。纤维素不能直接透过细胞质膜，只有在微生物合成的纤维素酶作用下，水解成单糖后，才能被吸收至细胞内利用。纤维素酶有细胞表面酶和胞外酶两种。细菌纤维素酶一般为细胞表面酶，位于细胞膜上，分解纤维素时，细菌必须附着在纤维素表面。真菌和放线菌的纤维素酶为胞外酶，它们可以

3、在胞外环境中起作用，菌体无需直接与纤维素表面接触。根据对真菌的研究，纤维素酶是多种作用于纤维素的酶的总称，它包括如下三种酶：⑴、C1酶（内-β-葡聚糖酶）此酶主要水解纤维素分子内的β-糖苷键，产生带有自由末端的长链片段。一种微生物能分泌一种以上的C1同功酶。⑵、CX酶（外-β-葡聚糖酶）此酶作用于纤维素分子的末端，产生纤维二糖。与C1酶一样，一种微生物也能分泌出多种结构不同而功能相同的CX酶。⑶、β-葡萄糖苷酶此酶能将纤维二糖、纤维三糖及低分子量的寡糖水解成葡萄糖。纤维酶对纤维素的水解过程可表示为：厌氧性的热纤梭菌（Clostridiumth

4、emocellum）、嗜热氢硫梭菌、布氏嗜热厌氧菌和乙酸乙基嗜热拟杆菌(Thermobacteroidesacetoethylicus)等能直接利用除葡萄糖等己糖外较为广泛的有机物质转化为乙醇。但已知和研究较深入的能直接将纤维素转化为乙醇的细菌仅是热纤梭菌。纤维素水解酶热纤梭菌（Clostridiumthermocellum）稳定的纯培养物于1948年由McBee分离纯化得到，它是一种嗜热、产芽孢的严格厌氧菌，革兰氏染色呈阳性，其体内的由70个亚单元组成，胞外纤维素酶复合体活性较高，大部分是糖基水解酶类，内切葡聚糖酶活性较高，外切葡聚糖酶活性

5、较低。能发酵纤维素和纤维糊精产生乙醇、乙酸、乳酸、氢和二氧化碳，但不能发酵戊糖。热纤梭菌是已知的能够直接将纤维素转化为乙醇的最有效的菌种之一，热纤梭菌在以微晶纤维素为唯一碳源的培养基中的生长速率在已知微生物中是最高的，与木霉属相比，热纤梭菌纤维素酶不但稳定性更强，而且对终产物葡萄糖纤维二糖的敏感性更低.热纤梭菌细胞壁表面分布有不连续的包含有纤维素酶系的纤维素体（Cellulosome）。这些纤维素体与纤维素相黏附，然后纤维素酶系逐步将纤维素分解为可溶性糖类，吸收入细胞进一步利用，转化为乙醇。然而，由于木质素、半纤维素对纤维素的保护作用以及纤维

6、素本身的结晶结构，天然木质纤维素直接进行酶水解时，其纤维素水解成糖的比率一般仅有10%~20%。因此由热纤梭菌直接转化为乙醇的效率较低。研究表明，在热纤梭菌和嗜热厌氧乙醇菌的混合培养体系对纤维酒精的生产具有显著地提高作用，前者高效降解纤维素为糖类，然后后者可以以糖类作为底物通过发酵转为酒精。纤维素水解酶生物酒精可以直接代替汽油，柴油等石油燃料，是最具有潜力的替代传统石化燃料的新型能源，但是目前工业上生物酒精的原来主要为食物原料如淀粉，玉米，蔗糖等，随着全球粮食供应的紧张，采用来源更加广泛，成本更加低廉的木质纤维素生产酒精，可从根本上能源工业的

7、持续化发展，具有广阔的应用前景。以热纤梭菌为代表的嗜热厌氧细菌在高温厌氧条件下降解纤维素和半纤维素形成纤维二糖和纤维糊精，然后在酶的作用下转化为五碳糖和六碳糖，最后经过嗜热厌氧乙醇菌有效的发酵，糖类转化为酒精。所以热纤梭菌为生物能源中酒精的生产开辟了新的道路。半纤维素水解酶在植物体内，半纤维素的含量仅次于纤维素。一年生作物中，半纤维素约占25%~40%。木材中，约占25%~35%。半纤维素是由各种五碳糖、六碳糖及糖醛酸组成的大分子聚合物。结构上可分为仅含一种单糖如木聚糖、半乳聚糖、甘露聚糖等的同聚糖和有多种单糖或糖醛酸同时存在的异聚糖两类。半

8、纤维素也不能直接透过细胞质膜，只有在胞外酶（聚糖酶）将其水解为单糖以后，才能被进一步利用。木聚糖是半纤维素的主要成分，而木聚糖酶能够以内切方式水解木聚糖主链骨架的β