微生物與物質轉化

1、大氣中的大氣中的O2（包括水體）（包括水體）呼吸作用呼吸作用CO2光合作用光合作用植物、藻類、藍細菌等植物、藻類、藍細菌等動物、原生生物、微生物動物、原生生物、微生物目前大氣氧氣含量為目前大氣氧氣含量為21%21%，一天中落日前最高，日出時最低。，一天中落日前最高，日出時最低。污染嚴重的城市氧氣含量更低。大氣污染嚴重的城市氧氣含量更低。大氣COCO2 2含量為含量為0.032%0.032%（320ppm320ppm），正逐漸增加。），正逐漸增加。 O2在大氣中分布均勻，而在水體中有垂直方在大氣中分布均勻，而在水體中有垂直方向上的變化。向上的變化。 無論是無論是O2還是還是CO2 ，除了在大氣中

2、的含量以，除了在大氣中的含量以外，它們在水體（海洋）中的含量，也是不外，它們在水體（海洋）中的含量，也是不可忽視的?？珊鲆暤摹?此循環(huán)的平衡，具有十分重要的意義，如維持此循環(huán)的平衡，具有十分重要的意義，如維持大氣中大氣中CO2的濃度。的濃度。CO2增高增高溫室效應溫室效應地球溫度增高地球溫度增高？ 自然界中含碳物質有自然界中含碳物質有COCO2 2、碳水化合物、脂、碳水化合物、脂肪、蛋白質等。碳的循環(huán)以肪、蛋白質等。碳的循環(huán)以COCO2 2為中心。為中心。 在碳循環(huán)中，在碳循環(huán)中，COCO2 2大部分來源于微生物分大部分來源于微生物分解有機物，另外，由于解有機物，另外，由于COCO2 2同時也

3、參與氧循同時也參與氧循環(huán)，因此，實際上環(huán)，因此，實際上C C和和O O循環(huán)是相互關聯(lián)的循環(huán)是相互關聯(lián)的。 COCO2 2可以成為植物、藻類的碳源?？梢猿蔀橹参?、藻類的碳源。碳素循環(huán)藻類、綠色植藻類、綠色植物、藍細菌等物、藍細菌等（CH2O）n有機化合物有機化合物呼吸作用動呼吸作用動植物及微生植物及微生物物需氧需氧厭氧厭氧CO2厭氧呼吸、發(fā)厭氧呼吸、發(fā)酵厭氧微生物，酵厭氧微生物，包括光合細菌包括光合細菌有機化合物有機化合物（CH2O）n光合光合細菌細菌沉積作用沉積作用產(chǎn)甲烷細菌產(chǎn)甲烷細菌甲基化合物甲基化合物甲烷氧化細菌甲烷氧化細菌CH4燃燒燃燒含碳化合物的轉化含碳化合物的轉化（一）纖維素的轉化（

4、一）纖維素的轉化 纖維素是葡萄糖的高分子聚合物纖維素是葡萄糖的高分子聚合物，(C(C6 6H H1010O O5 5)n)n，n=1400-10000 n=1400-10000 來源：以樹木、農作物為原料的來源：以樹木、農作物為原料的工業(yè)生產(chǎn)，如造紙、印染等。工業(yè)生產(chǎn)，如造紙、印染等。 作用的微生物：細菌、放線菌和作用的微生物：細菌、放線菌和真菌。真菌。 分解過程：首先必須經(jīng)過微生物分解過程：首先必須經(jīng)過微生物胞外酶（水解酶）的作用，使之胞外酶（水解酶）的作用，使之水解成可溶性的較簡單的葡萄糖水解成可溶性的較簡單的葡萄糖后，才能被微生物吸收分解。后，才能被微生物吸收分解。 纖纖 維維 素素 酶

5、酶 纖纖 維維 二二 糖糖 酶酶 纖纖 維維 素素 纖纖 維維 二二 糖糖 葡葡 萄萄 糖糖 糖糖 酵酵 解解 ATP 好好 氧氧 分分 解解 H2O CO2 葡葡 萄萄 糖糖 丙丙 酮酮 丁丁 醇醇 發(fā)發(fā) 酵酵 丙丙 酮酮 + 丁丁 醇醇 + CO2 + H2 厭厭 氧氧 發(fā)發(fā) 酵酵 丁丁 酸酸 發(fā)發(fā) 酵酵 丁丁 酸酸 + 乙乙 酸酸 + CO2 + H2 三三 羧羧 酸酸 循循 環(huán)環(huán) 厭厭氧氧發(fā)發(fā)酵酵 l好氧細菌好氧細菌粘細菌、鐮狀纖維菌和纖維弧菌粘細菌、鐮狀纖維菌和纖維弧菌l厭氧細菌厭氧細菌產(chǎn)纖維二糖產(chǎn)纖維二糖芽孢梭菌芽孢梭菌、無芽孢厭氧分解菌、無芽孢厭氧分解菌及嗜熱纖維芽孢梭菌。及嗜熱

6、纖維芽孢梭菌。l放線菌放線菌鏈霉菌屬。鏈霉菌屬。l真真 菌菌青霉菌、曲霉、鐮刀霉、木霉及毛霉。青霉菌、曲霉、鐮刀霉、木霉及毛霉。l需要時可以向需要時可以向有菌種庫的研究機構購買有菌種庫的研究機構購買或或自行篩選自行篩選 細菌的纖維素酶結合在細胞質膜上，是細菌的纖維素酶結合在細胞質膜上，是表面酶表面酶。真菌和。真菌和放線菌的纖維素酶是放線菌的纖維素酶是胞外酶胞外酶，可分泌到培養(yǎng)基中。，可分泌到培養(yǎng)基中。 纖維素酶根據(jù)其催化反應功能的不同可分為內切葡聚纖維素酶根據(jù)其催化反應功能的不同可分為內切葡聚糖酶（糖酶（C1C1酶），來自真菌的簡稱酶），來自真菌的簡稱EG,EG,來自細菌的簡稱來自細菌的簡稱C

7、enCen；外；外切葡聚糖酶（切葡聚糖酶（CxCx酶），來自真菌的簡稱酶），來自真菌的簡稱CBH,CBH,來自細菌的簡稱來自細菌的簡稱CexCex和和-葡聚糖苷酶（簡稱葡聚糖苷酶（簡稱BGBG）。內切葡聚糖酶隨機切割纖）。內切葡聚糖酶隨機切割纖維素多糖鏈內部的無定型區(qū)維素多糖鏈內部的無定型區(qū), ,產(chǎn)生不同長度的寡糖和新鏈的產(chǎn)生不同長度的寡糖和新鏈的末端。外切葡聚糖酶作用于這些還原性和非還原性的纖維素末端。外切葡聚糖酶作用于這些還原性和非還原性的纖維素多糖鏈的末端多糖鏈的末端, ,釋放葡萄糖或纖維二糖。釋放葡萄糖或纖維二糖。-葡萄糖苷酶水解葡萄糖苷酶水解纖維二糖產(chǎn)生兩分子的葡萄糖。纖維二糖產(chǎn)生兩

8、分子的葡萄糖。l纖維素酶降解纖維素的機理研究纖維素酶降解纖維素的機理研究l纖維素酶是多組分酶系，且底物結構極其復雜。由于纖維素酶是多組分酶系，且底物結構極其復雜。由于底物的底物的水不溶性水不溶性，纖維素酶的，纖維素酶的吸附作用吸附作用代替了酶與底物形代替了酶與底物形成的成的ESES復合物過程。纖維素酶先特異性地吸附在底物纖維復合物過程。纖維素酶先特異性地吸附在底物纖維素上，然后在幾種組分的協(xié)同作用下將纖維素分解成葡萄素上，然后在幾種組分的協(xié)同作用下將纖維素分解成葡萄糖。糖。19501950年，年，ReeseReese等提出了等提出了C1-CxC1-Cx假說，認為必須以不同假說，認為必須以不同的

9、酶協(xié)同作用，才能將纖維素徹底的水解為葡萄糖。協(xié)同的酶協(xié)同作用，才能將纖維素徹底的水解為葡萄糖。協(xié)同作用一般認為是內切葡聚糖酶作用一般認為是內切葡聚糖酶(C1(C1酶酶) )首先進攻纖維素的非首先進攻纖維素的非結晶區(qū)，形成結晶區(qū)，形成CxCx所需的新的游離末端，然后由所需的新的游離末端，然后由CxCx酶從多糖酶從多糖鏈的還原端或非還原端切下纖維二糖單位，最后由鏈的還原端或非還原端切下纖維二糖單位，最后由-葡聚葡聚糖苷酶將纖維二糖水解成二個葡萄糖。糖苷酶將纖維二糖水解成二個葡萄糖。l纖維素酶的協(xié)同作用順序不是絕對的，纖維素酶的協(xié)同作用順序不是絕對的，C1-CxC1-Cx和和-葡聚糖葡聚糖苷酶必須苷

10、酶必須同時存在同時存在才能水解天然纖維素。若先用才能水解天然纖維素。若先用C1C1酶作用酶作用結晶纖維素，然后除掉結晶纖維素，然后除掉C1C1酶，再加入酶，再加入CxCx酶，如此順序作用酶，如此順序作用卻不能將結晶纖維素水解。卻不能將結晶纖維素水解。 C1酶酶Cx酶酶l是由幾種不同類型的單是由幾種不同類型的單糖構成的異質多聚體，糖構成的異質多聚體，這些糖是這些糖是五碳糖五碳糖和和六碳六碳糖糖，包括木糖、阿伯糖，包括木糖、阿伯糖、甘露糖和半乳糖等。、甘露糖和半乳糖等。半纖維素木聚糖在木質半纖維素木聚糖在木質組織中占總量的組織中占總量的50%50%，它，它結合在纖維素微纖維的結合在纖維素微纖維的表

11、面，并且相互連接，表面，并且相互連接，這些纖維構成了堅硬的這些纖維構成了堅硬的細胞相互連接的網(wǎng)絡。細胞相互連接的網(wǎng)絡。木聚糖酶木聚糖酶存在于植物細胞壁的存在于植物細胞壁的雜多糖雜多糖，造紙廢水和人造纖維廢水中，造紙廢水和人造纖維廢水中含半纖維素。含半纖維素。 TCA循環(huán)循環(huán) 聚糖酶聚糖酶 CO2 + H2O 半纖維素半纖維素 單糖單糖 + 糖醛酸糖醛酸 H2O 各種發(fā)酵產(chǎn)物各種發(fā)酵產(chǎn)物 厭氧分解厭氧分解分解纖維素的微生物大多數(shù)能分解半纖維素分解纖維素的微生物大多數(shù)能分解半纖維素。許多芽孢桿菌、假單胞菌、節(jié)細菌及放線菌能分解半纖維許多芽孢桿菌、假單胞菌、節(jié)細菌及放線菌能分解半纖維素。霉菌有根霉、

12、曲霉、小克銀漢霉、青霉及鐮刀霉素。霉菌有根霉、曲霉、小克銀漢霉、青霉及鐮刀霉。l 果膠果膠(Pectin)(Pectin)是一組聚半乳糖醛酸，水溶性，分子量是一組聚半乳糖醛酸，水溶性，分子量5-305-30萬。在適宜條件下其溶液能形成凝膠和部分發(fā)生甲氧基化（甲萬。在適宜條件下其溶液能形成凝膠和部分發(fā)生甲氧基化（甲酯化，形成甲醇酯）酯化，形成甲醇酯）, ,其主要成分是部分甲酯化的其主要成分是部分甲酯化的-(l,4)-D-(l,4)-D-聚半乳糖醛酸，殘留的羧基單元以游離酸的形式存在或形成銨聚半乳糖醛酸，殘留的羧基單元以游離酸的形式存在或形成銨、鉀、鈉和鈣等鹽。、鉀、鈉和鈣等鹽。果膠存在于植物的細

13、胞壁和細胞內層，為內部細胞的支撐果膠存在于植物的細胞壁和細胞內層，為內部細胞的支撐物質。不同的蔬菜，水果口感有區(qū)別，主要是由它們含有的果物質。不同的蔬菜，水果口感有區(qū)別，主要是由它們含有的果膠含量以及果膠分子的差異決定的。柑橘、檸檬、柚子等果皮膠含量以及果膠分子的差異決定的。柑橘、檸檬、柚子等果皮中約含中約含3030果膠，是果膠的最豐富來源。果膠，是果膠的最豐富來源。l 按果膠的組成可有同質多糖和雜多糖按果膠的組成可有同質多糖和雜多糖( (最常見最常見) )兩種類型：兩種類型：同質多糖型果膠如同質多糖型果膠如D-D-半乳聚糖、半乳聚糖、L-L-阿拉伯聚糖和阿拉伯聚糖和D-D-半乳糖醛酸半乳糖醛

14、酸聚糖等；雜多糖果膠由半乳糖醛酸聚糖、半乳聚糖和阿拉伯聚聚糖等；雜多糖果膠由半乳糖醛酸聚糖、半乳聚糖和阿拉伯聚糖以不同比例組成，通常稱為果膠酸。部分甲酯化的果膠酸稱糖以不同比例組成，通常稱為果膠酸。部分甲酯化的果膠酸稱為果膠酯酸。天然果膠中約為果膠酯酸。天然果膠中約20206060的羧基被酯化，分子量的羧基被酯化，分子量為為2 2萬萬4 4萬。果膠廣泛用于食品工業(yè)，適量的果膠能使冰淇淋萬。果膠廣泛用于食品工業(yè)，適量的果膠能使冰淇淋、果醬和果汁凝膠化。、果醬和果汁凝膠化。 鼠李糖鼠李糖雜多糖果膠雜多糖果膠同質多糖型果膠同質多糖型果膠l果膠酶是分解果膠質的原果膠酶、果膠酯酶以及果膠酶是分解果膠質的

15、原果膠酶、果膠酯酶以及聚半乳糖醛酸酶的總稱。聚半乳糖醛酸酶的總稱。原果膠酶原果膠酶能夠水解不溶能夠水解不溶性原果膠為水溶性果膠，切斷聚甲氧基半乳糖醛性原果膠為水溶性果膠，切斷聚甲氧基半乳糖醛酸和阿拉伯糖之間的化學鍵；酸和阿拉伯糖之間的化學鍵；果膠酯酶果膠酯酶能夠分解能夠分解水溶性果膠分子中的甲氧基（水溶性果膠分子中的甲氧基（-0CH2-0CH2）與半乳糖醛）與半乳糖醛酸之間的酯鍵，形成半乳糖醛酸和甲醇；酸之間的酯鍵，形成半乳糖醛酸和甲醇；聚半乳聚半乳糖醛酸酶糖醛酸酶能切斷果膠酸的能切斷果膠酸的-1,4-1,4-糖苷鍵，形成游糖苷鍵，形成游離的半乳糖醛酸。離的半乳糖醛酸。示果膠酯酶的作用位置示果

16、膠酯酶的作用位置表示聚半乳糖醛酸酶的作用位置表示聚半乳糖醛酸酶的作用位置Pectin degradation and catabolism in D. dadantii. The upper part of the figure shows the detailed structure of pectin and the action of the different pectinases. The porins KdgM and KdgN, mediating the entry of unsaturated oligogalacturonate into the periplasm, an

17、d the transport systems TogMNAB and TogT, responsible for the entry of digalacturonate into the cytoplasm of the cells, are indicated. The secretion system of pectinases into the external medium is indicated (Out secretion system). 淀粉的種類淀粉的種類直鏈淀粉（直鏈淀粉（-1,4-1,4-糖苷糖苷鍵結合）鍵結合）支鏈淀粉（支鏈淀粉（-1,6-1,6-糖苷糖苷鍵結合）

18、鍵結合）淀粉的降解途徑淀粉的降解途徑1 1、枯草桿菌將淀粉分解為、枯草桿菌將淀粉分解為COCO2 22 2、根霉和曲霉先將淀粉轉、根霉和曲霉先將淀粉轉化為葡萄糖，接著由酵母化為葡萄糖，接著由酵母菌將葡萄糖發(fā)酵為乙醇和菌將葡萄糖發(fā)酵為乙醇和COCO2 23 3、梭狀芽孢桿菌參與發(fā)酵、梭狀芽孢桿菌參與發(fā)酵4 4、丁酸梭狀芽孢桿菌參與、丁酸梭狀芽孢桿菌參與發(fā)酵發(fā)酵l淀粉酶淀粉酶(amylase)(amylase)一般作用于可溶性淀粉、直鏈淀粉、糖元一般作用于可溶性淀粉、直鏈淀粉、糖元等等-1,4-1,4-葡聚糖，水解葡聚糖，水解-1,4-1,4-糖苷鍵的酶。根據(jù)作用的糖苷鍵的酶。根據(jù)作用的方式可分為

19、方式可分為-淀粉酶與淀粉酶與-淀粉酶。淀粉酶。l（1 1）-淀粉酶：廣泛分布于動物（唾液、胰臟等）、植淀粉酶：廣泛分布于動物（唾液、胰臟等）、植物（麥芽、山物（麥芽、山萮萮菜）及微生物。以菜）及微生物。以CaCa2+2+為必需因子，既作用為必需因子，既作用于直鏈淀粉，亦作用于支鏈淀粉，于直鏈淀粉，亦作用于支鏈淀粉，無差別地切斷無差別地切斷-1-1，4-4-鏈鏈，引起底物溶液粘度的急劇下降和碘反應的消失（故又，引起底物溶液粘度的急劇下降和碘反應的消失（故又稱為稱為液化酶液化酶），最終產(chǎn)物在分解直鏈淀粉時以麥芽糖為主），最終產(chǎn)物在分解直鏈淀粉時以麥芽糖為主，還有麥芽三糖及少量葡萄糖。在分解支鏈淀粉

20、時，除麥，還有麥芽三糖及少量葡萄糖。在分解支鏈淀粉時，除麥芽糖、葡萄糖外，還生成分支部分具有芽糖、葡萄糖外，還生成分支部分具有-1,6-1,6-鍵的鍵的-極極限糊精。限糊精。l（2 2）-淀粉酶：從淀粉酶：從非還原性末端非還原性末端逐次以麥芽糖為單位切逐次以麥芽糖為單位切斷斷1,4-1,4-葡聚糖鏈。主要見于高等植物中（大麥、小麥葡聚糖鏈。主要見于高等植物中（大麥、小麥、甘薯、大豆等），但也在細菌、牛乳、霉菌中存在。直、甘薯、大豆等），但也在細菌、牛乳、霉菌中存在。直鏈淀粉能完全分解得到麥芽糖和少量的葡萄糖；作用于支鏈淀粉能完全分解得到麥芽糖和少量的葡萄糖；作用于支鏈淀粉或葡聚糖的時候，切斷至

21、鏈淀粉或葡聚糖的時候，切斷至1,6-1,6-鍵的前面反應就鍵的前面反應就停止了，因此生成分子量比較大的極限糊精。停止了，因此生成分子量比較大的極限糊精。l（3 3）糖化酶又稱葡萄糖淀粉酶，能在常）糖化酶又稱葡萄糖淀粉酶，能在常溫條件下將淀粉分子的溫條件下將淀粉分子的-1,4-1,4-和和-1,6-1,6-糖苷鍵切開，而使淀粉轉化為葡萄糖。糖苷鍵切開，而使淀粉轉化為葡萄糖。l（4 4）支鏈淀粉酶水解支鏈淀粉中）支鏈淀粉酶水解支鏈淀粉中-, ,- -糖苷鍵，切下整個側枝，形成長短不糖苷鍵，切下整個側枝，形成長短不一的直鏈淀粉。一的直鏈淀粉。l由飽和脂肪酸和甘油組成的，常溫下呈固態(tài)的稱為脂；由由飽和

22、脂肪酸和甘油組成的，常溫下呈固態(tài)的稱為脂；由不飽和脂肪酸和甘油組成，在常溫下呈液態(tài)的稱為油。不飽和脂肪酸和甘油組成，在常溫下呈液態(tài)的稱為油。l水中來源：水中來源：毛紡、毛條廠廢水、油脂廠廢水、肉聯(lián)廠廢水毛紡、毛條廠廢水、油脂廠廢水、肉聯(lián)廠廢水、制革廠廢水含有大量油脂、制革廠廢水含有大量油脂l降解油脂較快的微生物：降解油脂較快的微生物：l細細 菌菌 熒光桿菌、綠膿桿菌、靈桿菌熒光桿菌、綠膿桿菌、靈桿菌l絲狀菌絲狀菌 放線菌、分支桿菌放線菌、分支桿菌l真真 菌菌 青霉、乳霉、曲霉青霉、乳霉、曲霉l途徑：途徑：水解水解+氧化氧化l脂肪酶脂肪酶(Lipase(Lipase，EC3EC31 11 13

23、3，甘油酯水解酶，甘油酯水解酶) )是指催化酯酰甘油水解的一類酶的總稱，是指催化酯酰甘油水解的一類酶的總稱，生成脂生成脂肪酸、甘油和甘油單酯或二酯。肪酸、甘油和甘油單酯或二酯。是單純蛋白質的是單純蛋白質的酶類，是一類特殊的酯鍵水解酶，天然底物是長酶類，是一類特殊的酯鍵水解酶，天然底物是長鏈脂肪酸酯，既可以在兩相系統(tǒng)鏈脂肪酸酯，既可以在兩相系統(tǒng)( (油、水界面油、水界面) )中中起作用，也可以在水相中起作用。脂肪酶可催化起作用，也可以在水相中起作用。脂肪酶可催化由不同底物出發(fā)的水解和合成反應，且反應不需由不同底物出發(fā)的水解和合成反應，且反應不需要輔酶，反應條件溫和，副產(chǎn)物少。因此，脂肪要輔酶，反

24、應條件溫和，副產(chǎn)物少。因此，脂肪酶在食品工業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生、化學化工、環(huán)境保護酶在食品工業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生、化學化工、環(huán)境保護、能源開發(fā)等領域的應用十分廣泛，已成為生物、能源開發(fā)等領域的應用十分廣泛，已成為生物技術和有機合成方面應用最廣泛的一類酶。技術和有機合成方面應用最廣泛的一類酶。l產(chǎn)脂肪酶的微生物有產(chǎn)脂肪酶的微生物有6565個屬，主要集中在黑曲霉個屬，主要集中在黑曲霉 、假絲酵母、根霉、假單胞菌、鏈霉菌和堿假單、假絲酵母、根霉、假單胞菌、鏈霉菌和堿假單胞菌等菌株。另外，通過基因重組技術，開發(fā)出胞菌等菌株。另外，通過基因重組技術，開發(fā)出許多新的、具有特定功能的脂肪酶。如為提高擴許多新的、具有特定功能

25、的脂肪酶。如為提高擴展青霉展青霉FS1884FS1884脂肪酶活性，采用一步突變法對脂脂肪酶活性，采用一步突變法對脂肪酶的基因進行體外定點誘變，突變體脂肪酶活肪酶的基因進行體外定點誘變，突變體脂肪酶活性比野生型提高性比野生型提高5 5 。解脂耶氏酵母菌突變體脂。解脂耶氏酵母菌突變體脂肪酶產(chǎn)量是未突變菌株的肪酶產(chǎn)量是未突變菌株的3535倍。黏質沙雷菌倍。黏質沙雷菌8000 8000 ( (Serratia marcescerSerratia marcescer 8000) 8000)突變體脂肪酶產(chǎn)量是突變體脂肪酶產(chǎn)量是未突變菌株的未突變菌株的3 3倍倍 。把。把Rhizopus delemarR

26、hizopus delemar脂肪酶脂肪酶基因的基因的9494位位PhePhe替換成替換成AspAsp后，活性提高了后，活性提高了2 2倍倍 。把把209209位位ValVal和和112112位位PhePhe分別換成分別換成TrpTrp后，對丁酸甘后，對丁酸甘油酯的水解活力增加了近油酯的水解活力增加了近8080倍。倍。l/水解酶折疊結構水解酶折疊結構: :包含一個被包含一個被 -螺旋包圍著的以平行螺旋包圍著的以平行-片層結構為主的核，片層結構為主的核，-折疊片之間通過折疊片之間通過-螺旋相連接螺旋相連接。-螺旋和螺旋和-折疊的數(shù)目和空間排列方式不同的脂肪酶不折疊的數(shù)目和空間排列方式不同的脂肪酶不盡相同。親核催化三元組盡相同。親核催化三元組SerSerHisHisAspAsp或或SerSerHisHisAluAlu存存在于脂肪酶的催化部位，而催化部位被埋在分子中，表面被在于脂肪酶的催化部位，而催化部位被埋在分子中，表面被對它們起保護作用的對它們起保護作用的-螺旋蓋狀結構覆蓋。螺旋蓋