微生物与物质转化

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。
（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



（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）。
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。

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。
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。
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。

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。
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

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。
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→？？
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
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。
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。
•木质素存在于除苔藓和藻类外所有植物的细胞壁中