微生物与物质转化

淀粉酶(amylase)一般作用于可溶性淀粉、直链淀粉、糖元 等α-1,4-葡聚糖，水解α-1,4-糖苷键的酶。根据作用的 方式可分为α-淀粉酶与β-淀粉酶。 （1）α-淀粉酶：广泛分布于动物（唾液、胰脏等）、植 物（麦芽、山萮菜）及微生物。以Ca2+为必需因子，既作 用于直链淀粉，亦作用于支链淀粉，无差别地切断α-1， 4-链，引起底物溶液粘度的急剧下降和碘反应的消失（故 又称为液化酶），最终产物在分解直链淀粉时以麦芽糖为 主，还有麦芽三糖及少量葡萄糖。在分解支链淀粉时，除 麦芽糖、葡萄糖外，还生成分支部分具有α-1,6-键的α极限糊精。 （2）β-淀粉酶：从非还原性末端逐次以麦芽糖为单位切 断α－1,4-葡聚糖链。主要见于高等植物中（大麦、小麦 、甘薯、大豆等），但也在细菌、牛乳、霉菌中存在。直 链淀粉能完全分解得到麦芽糖和少量的葡萄糖；作用于支 链淀粉或葡聚糖的时候，切断至α－1,6-键的前面反应就 停止了，因此生成分子量比较大的极限糊精。
二、 碳循环
自然界中含碳物质有CO2、碳水化合物、脂 肪、蛋白质等。碳的循环以CO2为中心。 在碳循环中，CO2大部分来源于微生物分 解有机物，另外，由于CO2同时也参与氧循 环，因此，实际上C和O循环是相互关联的 。 CO2可以成为植物、藻类的碳源。
（CH2O）n 有机化合物
碳 素 循 环
藻类、绿色植 物、蓝细菌等
纤维素酶 纤维二糖酶 纤维素 纤维二糖 厌 氧 发 酵
葡萄糖 糖酵解 ATP H2 O CO2 好氧分解
三羧酸 循 环
葡萄糖 丙酮丁醇发酵 丙酮 + 丁醇 + CO2 + H2 丁酸发酵 丁酸 + 乙酸 + CO2 + H2 厌氧发酵
分解纤维素的微生物

好氧细菌——粘细菌、镰状纤维菌和纤维弧菌
（四）淀粉的转化
淀粉的种类
直链淀粉（α-1,4-糖苷 键结合） 支链淀粉（α-1,6-糖苷 键结合）
淀粉的降解途径 1、枯草杆菌将淀粉分解为 CO2 2、根霉和曲霉先将淀粉转 化为葡萄糖，接着由酵母 菌将葡萄糖发酵为乙醇和 CO2 3、梭状芽孢杆菌参与发酵 4、丁酸梭状芽孢杆菌参与 发酵




产脂肪酶的微生物有65个属，主要集中在黑曲霉 、假丝酵母、根霉、假单胞菌、链霉菌和碱假单 胞菌等菌株。另外，通过基因重组技术，开发出 许多新的、具有特定功能的脂肪酶。如为提高扩 展青霉FS1884脂肪酶活性，采用一步突变法对脂 肪酶的基因进行体外定点诱变，突变体脂肪酶活 性比野生型提高5％ 。解脂耶氏酵母菌突变体脂 肪酶产量是未突变菌株的35倍。黏质沙雷菌8000 (Serratia marcescer 8000)突变体脂肪酶产量是 未突变菌株的3倍 。把Rhizopus delemar脂肪酶 基因的94位Phe替换成Asp后，活性提高了2倍 。 把209位Val和112位Phe分别换成Trp后，对丁酸甘 油酯的水解活力增加了近80倍。
（3）糖化酶又称葡萄糖淀粉酶，能在常 温条件下将淀粉分子的α-1,4-和α-1,6糖苷键切开，而使淀粉转化为葡萄糖。 （4）支链淀粉酶水解支链淀粉中α-１, ６-糖苷键，切下整个侧枝，形成长短不 一的直链淀粉。

（五）油脂的转化

由饱和脂肪酸和甘油组成的，常温下呈固态的称为脂；由
不饱和脂肪酸和甘油组成，在常温下呈液态的称为油。
•木质素存在于除苔藓和藻类外所有植物的细胞壁中
分解纤维素的微生物大多数能分解半纤维素。 许多芽孢杆菌、假单胞菌、节细菌及放线菌能分解半纤维 素。霉菌有根霉、曲霉、小克银汉霉、青霉及镰刀霉。
（三）果胶质的转化


果胶(Pectin)是一组聚半乳糖醛酸，水溶性，分子量5-30 万。在适宜条件下其溶液能形成凝胶和部分发生甲氧基化（甲 酯化，形成甲醇酯）,其主要成分是部分甲酯化的α-(l,4)-D聚半乳糖醛酸，残留的羧基单元以游离酸的形式存在或形成铵 、钾、钠和钙等盐。 果胶存在于植物的细胞壁和细胞内层，为内部细胞的支撑 物质。不同的蔬菜，水果口感有区别，主要是由它们含有的果 胶含量以及果胶分子的差异决定的。柑橘、柠檬、柚子等果皮 中约含30％果胶，是果胶的最丰富来源。 按果胶的组成可有同质多糖和杂多糖(最常见)两种类型： 同质多糖型果胶如D-半乳聚糖、L-阿拉伯聚糖和D-半乳糖醛酸 聚糖等；杂多糖果胶由半乳糖醛酸聚糖、半乳聚糖和阿拉伯聚 糖以不同比例组成，通常称为果胶酸。部分甲酯化的果胶酸称 为果胶酯酸。天然果胶中约20％～60％的羧基被酯化，分子量 为2万～4万。果胶广泛用于食品工业，适量的果胶能使冰淇淋 、果酱和果汁凝胶化。

α/β水解酶折叠结构:包含一个被 α-螺旋包围着的以平行 β-片层结构为主的核，β-折叠片之间通过α-螺旋相连接 。α-螺旋和β-折叠的数目和空间排列方式不同的脂肪酶不 尽相同。亲核催化三元组Ser—His—Asp或Ser—His—Alu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 对它们起保护作用的α-螺旋盖状结构覆盖。
燃烧
呼吸作用动 植物及微生 物
甲烷氧化细菌 需氧 CH4 产甲烷细菌 甲基化合物 光合 细菌 沉积作用 厌氧呼吸、发 酵厌氧微生物， 包括光合细菌 CO2 厌氧
有机化合物 （CH2O） n
含碳化合物的转化
（一）纤维素的转化 纤维素是葡萄糖的高分子聚合物 ，(C6H10O5)n，n=1400-10000 来源：以树木、农作物为原料的 工业生产，如造纸、印染等。 作用的微生物：细菌、放线菌和 真菌。 分解过程：首先必须经过微生物 胞外酶（水解酶）的作用，使之 水解成可溶性的较简单的葡萄糖 后，才能被微生物吸收分解。
纤维素酶降解纤维素的机理研究


纤维素酶是多组分酶系，且底物结构极其复杂。由于 底物的水不溶性，纤维素酶的吸附作用代替了酶与底物形 成的ES复合物过程。纤维素酶先特异性地吸附在底物纤维 素上，然后在几种组分的协同作用下将纤维素分解成葡萄 糖。 1950年，Reese等提出了C1-Cx假说，认为必须以不同 的酶协同作用，才能将纤维素彻底的水解为葡萄糖。协同 作用一般认为是内切葡聚糖酶(C1酶)首先进攻纤维素的非 结晶区，形成Cx所需的新的游离末端，然后由Cx酶从多糖 链的还原端或非还原端切下纤维二糖单位，最后由β-葡聚 糖苷酶将纤维二糖水解成二个葡萄糖。 纤维素酶的协同作用顺序不是绝对的，C1-Cx和β-葡聚糖 苷酶必须同时存在才能水解天然纤维素。若先用C1酶作用 结晶纤维素，然后除掉C1酶，再加入Cx酶，如此顺序作用 却不能将结晶纤维素水解。

水中来源：毛纺、毛条厂废水、油脂厂废水、肉联厂废水 、制革厂废水含有大量油脂


降解油脂较快的微生物：
细 菌 —— 荧光杆菌、绿脓杆菌、灵杆菌 菌 —— 青霉、乳霉、曲霉 丝状菌 —— 放线菌、分支杆菌 真
途径：水解+β氧化

脂肪酶(Lipase，EC3．1．1．3，甘油酯水解酶) 是指催化酯酰甘油水解的一类酶的总称，生成脂 肪酸、甘油和甘油单酯或二酯。是单纯蛋白质的 酶类，是一类特殊的酯键水解酶，天然底物是长 链脂肪酸酯，既可以在两相系统(油、水界面)中 起作用，也可以在水相中起作用。脂肪酶可催化 由不同底物出发的水解和合成反应，且反应不需 要辅酶，反应条件温和，副产物少。因此，脂肪 酶在食品工业、医药卫生、化学化工、环境保护 、能源开发等领域的应用十分广泛，已成为生物 技术和有机合成方面应用最广泛的一类酶。
同质多糖型果胶
杂多糖果胶
鼠李糖

果胶酶是分解果胶质的原果胶酶、果胶酯酶以及 聚半乳糖醛酸酶的总称。原果胶酶能够水解不溶 性原果胶为水溶性果胶，切断聚甲氧基半乳糖醛 酸和阿拉伯糖之间的化学键；果胶酯酶能够分解 水溶性果胶分子中的甲氧基（-0CH2）与半乳糖醛 酸之间的酯键，形成半乳糖醛酸和甲醇；聚半乳 糖醛酸酶能切断果胶酸的α-1,4-糖苷键，形成游 离的半乳糖醛酸。
C1酶
Cx酶
（二）半纤维素的转化

是由几种不同类型的单 糖构成的异质多聚体， 这些糖是五碳糖和六碳 糖，包括木糖、阿伯糖 、甘露糖和半乳糖等。 半纤维素木聚糖在木质 组织中占总量的50%，它 结合在纤维素微纤维的 表面，并且相互连接， 这些纤维构成了坚硬的 细胞相互连接的网络。
木聚糖酶
存在于植物细胞壁的杂多糖，造纸废水和人造纤维废水中 含半纤维素。 分解过程 TCA循环 聚糖酶 CO2 + H2O 半纤维素 单糖 + 糖醛酸 H2O 各种发酵产物 厌氧分解
7、微生物与物质循环
一、 氧循环
大气中的O2（包括水体）
动物、原生生物、微生物 植物、藻类、蓝细菌等
呼吸作用 CO2
光合作用
目前大气氧气含量为21%，一天中落日前最高，日出时最低。 污染严重的城市氧气含量更低。大气CO2含量为0.032% （320ppm），正逐渐增加。
O2在大气中分布均匀，而在水体中有垂直方 向上的变化。 无论是O2还是CO2 ，除了在大气中的含量以 外，它们在水体（海洋）中的含量，也是不 可忽视的。 此循环的平衡，具有十分重要的意义，如维持 大气中CO2的浓度。 [CO2]增高→温室效应→地球温度增高→？？
源自文库
—→示果胶酯酶的作用位置 ┄→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, and 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).
厌氧细菌——产纤维二糖芽孢梭菌、无芽孢厌氧分解菌 及嗜热纤维芽孢梭菌。


放线菌——链霉菌属。
真 菌——青霉菌、曲霉、镰刀霉、木霉及毛霉。
需要时可以向有菌种库的研究机构购买或自行筛选。
纤维素酶所在的部位
细菌的纤维素酶结合在细胞质膜上，是表面酶。真菌和 放线菌的纤维素酶是胞外酶，可分泌到培养基中。 纤维素酶根据其催化反应功能的不同可分为内切葡聚 糖酶（C1酶），来自真菌的简称EG,来自细菌的简称Cen；外 切葡聚糖酶（Cx酶），来自真菌的简称CBH,来自细菌的简称 Cex和β-葡聚糖苷酶（简称BG）。内切葡聚糖酶随机切割纤 维素多糖链内部的无定型区,产生不同长度的寡糖和新链的 末端。外切葡聚糖酶作用于这些还原性和非还原性的纤维素 多糖链的末端,释放葡萄糖或纤维二糖。β-葡萄糖苷酶水解 纤维二糖产生两分子的葡萄糖。
（六）木质素的转化

木质素是由四种醇单体（对香豆醇、松柏醇、5-羟基松柏 醇、芥子醇）形成的一种复杂酚类聚合物，是构成植物细 胞壁的成分之一，具有细胞相连的作用。 因单体不同，可将木质素分为3种类型： 由紫丁香基丙烷结构单体聚合而成的紫丁香基木质素（ syringyl lignin，S-木质素） 由愈创木基丙烷结构单体聚合而成的愈创木基木质素（ guajacyl lignin，G-木质素） 由对-羟基苯基丙烷结构单体聚合而成的对-羟基苯基木质 素（hydroxy-phenyl lignin，H-木质素）； 裸子植物主要为愈创木基木质素（G），双子叶植物主要含 愈创木基-紫丁香基木质素（G-S），单子叶植物则为愈创 木基-紫丁香基-对-羟基苯基木质素（G-S-H）。