微生物与物质转化

1、大气中的大气中的O2（包括水体）（包括水体）呼吸作用呼吸作用CO2光合作用光合作用植物、藻类、蓝细菌等植物、藻类、蓝细菌等动物、原生生物、微生物动物、原生生物、微生物目前大气氧气含量为目前大气氧气含量为21%21%，一天中落日前最高，日出时最低。，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。大气污染严重的城市氧气含量更低。大气COCO2 2含量为含量为0.032%0.032%（320ppm320ppm），正逐渐增加。），正逐渐增加。 O2在大气中分布均匀，而在水体中有垂直方在大气中分布均匀，而在水体中有垂直方向上的变化。向上的变化。 无论是无论是O2还是还是CO2 ，除了在大气中

2、的含量以，除了在大气中的含量以外，它们在水体（海洋）中的含量，也是不外，它们在水体（海洋）中的含量，也是不可忽视的。可忽视的。 此循环的平衡，具有十分重要的意义，如维持此循环的平衡，具有十分重要的意义，如维持大气中大气中CO2的浓度。的浓度。CO2增高增高温室效应温室效应地球温度增高地球温度增高？ 自然界中含碳物质有自然界中含碳物质有COCO2 2、碳水化合物、脂、碳水化合物、脂肪、蛋白质等。碳的循环以肪、蛋白质等。碳的循环以COCO2 2为中心。为中心。 在碳循环中，在碳循环中，COCO2 2大部分来源于微生物分大部分来源于微生物分解有机物，另外，由于解有机物，另外，由于COCO2 2同时也

3、参与氧循同时也参与氧循环，因此，实际上环，因此，实际上C C和和O O循环是相互关联的循环是相互关联的。 COCO2 2可以成为植物、藻类的碳源。可以成为植物、藻类的碳源。碳素循环藻类、绿色植藻类、绿色植物、蓝细菌等物、蓝细菌等（CH2O）n有机化合物有机化合物呼吸作用动呼吸作用动植物及微生植物及微生物物需氧需氧厌氧厌氧CO2厌氧呼吸、发厌氧呼吸、发酵厌氧微生物，酵厌氧微生物，包括光合细菌包括光合细菌有机化合物有机化合物（CH2O）n光合光合细菌细菌沉积作用沉积作用产甲烷细菌产甲烷细菌甲基化合物甲基化合物甲烷氧化细菌甲烷氧化细菌CH4燃烧燃烧含碳化合物的转化含碳化合物的转化（一）纤维素的转化（

4、一）纤维素的转化 纤维素是葡萄糖的高分子聚合物纤维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 来源：以树木、农作物为原料的来源：以树木、农作物为原料的工业生产，如造纸、印染等。工业生产，如造纸、印染等。 作用的微生物：细菌、放线菌和作用的微生物：细菌、放线菌和真菌。真菌。 分解过程：首先必须经过微生物分解过程：首先必须经过微生物胞外酶（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较简单的葡萄糖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。后，才能被微生物吸收分解。 纤纤 维维 素素 酶

5、酶 纤纤 维维 二二 糖糖 酶酶 纤纤 维维 素素 纤纤 维维 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 发发 酵酵 丙丙 酮酮 + 丁丁 醇醇 + CO2 + H2 厌厌 氧氧 发发 酵酵 丁丁 酸酸 发发 酵酵 丁丁 酸酸 + 乙乙 酸酸 + CO2 + H2 三三 羧羧 酸酸 循循 环环 厌厌氧氧发发酵酵 l好氧细菌好氧细菌粘细菌、镰状纤维菌和纤维弧菌粘细菌、镰状纤维菌和纤维弧菌l厌氧细菌厌氧细菌产纤维二糖产纤维二糖芽孢梭菌芽孢梭菌、无芽孢厌氧分解菌、无芽孢厌氧分解菌及嗜热纤维芽孢梭菌。及嗜热

6、纤维芽孢梭菌。l放线菌放线菌链霉菌属。链霉菌属。l真真 菌菌青霉菌、曲霉、镰刀霉、木霉及毛霉。青霉菌、曲霉、镰刀霉、木霉及毛霉。l需要时可以向需要时可以向有菌种库的研究机构购买有菌种库的研究机构购买或或自行筛选自行筛选 细菌的纤维素酶结合在细胞质膜上，是细菌的纤维素酶结合在细胞质膜上，是表面酶表面酶。真菌和。真菌和放线菌的纤维素酶是放线菌的纤维素酶是胞外酶胞外酶，可分泌到培养基中。，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（糖酶（C1C1酶），来自真菌的简称酶），来自真菌的简称EG,EG,来自细菌的简称来自细菌的简称C

7、enCen；外；外切葡聚糖酶（切葡聚糖酶（CxCx酶），来自真菌的简称酶），来自真菌的简称CBH,CBH,来自细菌的简称来自细菌的简称CexCex和和-葡聚糖苷酶（简称葡聚糖苷酶（简称BGBG）。内切葡聚糖酶随机切割纤）。内切葡聚糖酶随机切割纤维素多糖链内部的无定型区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多糖链的末端, ,释放葡萄糖或纤维二糖。释放葡萄糖或纤维二糖。-葡萄糖苷酶水解葡萄糖苷酶水解纤维二糖产生两分子的葡萄糖。纤维二糖产生两

8、分子的葡萄糖。l纤维素酶降解纤维素的机理研究纤维素酶降解纤维素的机理研究l纤维素酶是多组分酶系，且底物结构极其复杂。由于纤维素酶是多组分酶系，且底物结构极其复杂。由于底物的底物的水不溶性水不溶性，纤维素酶的，纤维素酶的吸附作用吸附作用代替了酶与底物形代替了酶与底物形成的成的ESES复合物过程。纤维素酶先特异性地吸附在底物纤维复合物过程。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。糖。19501950年，年，ReeseReese等提出了等提出了C1-CxC1-Cx假说，认为必须以不同假说，认为必须以不同的

9、酶协同作用，才能将纤维素彻底的水解为葡萄糖。协同的酶协同作用，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作用一般认为是内切葡聚糖酶(C1(C1酶酶) )首先进攻纤维素的非首先进攻纤维素的非结晶区，形成结晶区，形成CxCx所需的新的游离末端，然后由所需的新的游离末端，然后由CxCx酶从多糖酶从多糖链的还原端或非还原端切下纤维二糖单位，最后由链的还原端或非还原端切下纤维二糖单位，最后由-葡聚葡聚糖苷酶将纤维二糖水解成二个葡萄糖。糖苷酶将纤维二糖水解成二个葡萄糖。l纤维素酶的协同作用顺序不是绝对的，纤维素酶的协同作用顺序不是绝对的，C1-CxC1-Cx和和-葡聚糖葡聚糖苷酶必须苷

10、酶必须同时存在同时存在才能水解天然纤维素。若先用才能水解天然纤维素。若先用C1C1酶作用酶作用结晶纤维素，然后除掉结晶纤维素，然后除掉C1C1酶，再加入酶，再加入CxCx酶，如此顺序作用酶，如此顺序作用却不能将结晶纤维素水解。却不能将结晶纤维素水解。 C1酶酶Cx酶酶l是由几种不同类型的单是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体，糖构成的异质多聚体，这些糖是这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。半纤维素木聚糖在木质半纤维素木聚糖在木质组织中占总量的组织中占总量的50%50%，它，它结合在纤维素微纤维的结合在纤维素微纤维的表

11、面，并且相互连接，表面，并且相互连接，这些纤维构成了坚硬的这些纤维构成了坚硬的细胞相互连接的网络。细胞相互连接的网络。木聚糖酶木聚糖酶存在于植物细胞壁的存在于植物细胞壁的杂多糖杂多糖，造纸废水和人造纤维废水中，造纸废水和人造纤维废水中含半纤维素。含半纤维素。 TCA循环循环 聚糖酶聚糖酶 CO2 + H2O 半纤维素半纤维素 单糖单糖 + 糖醛酸糖醛酸 H2O 各种发酵产物各种发酵产物 厌氧分解厌氧分解分解纤维素的微生物大多数能分解半纤维素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、

12、曲霉、小克银汉霉、青霉及镰刀霉素。霉菌有根霉、曲霉、小克银汉霉、青霉及镰刀霉。l 果胶果胶(Pectin)(Pectin)是一组聚半乳糖醛酸，水溶性，分子量是一组聚半乳糖醛酸，水溶性，分子量5-305-30万。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）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，残留的羧基单元以游离酸的形式存在或形成铵聚半乳糖醛酸，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。、钾、钠和钙等盐。果胶存在于植物的细

13、胞壁和细胞内层，为内部细胞的支撑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、柚子等果皮中约含中约含3030果胶，是果胶的最丰富来源。果胶，是果胶的最丰富来源。l 按果胶的组成可有同质多糖和杂多糖按果胶的组成可有同质多糖和杂多糖( (最常见最常见) )两种类型：两种类型：同质多糖型果胶如同质多糖型果胶如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；杂多糖果胶由半乳糖醛酸聚糖、半乳聚糖和阿拉伯聚聚糖等；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。天然果胶中约为果胶酯酸。天然果胶中约20206060的羧基被酯化，分子量的羧基被酯化，分子量为为2 2万万4 4万。果胶广泛用于食品工业，适量的果胶能使冰淇淋万。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。、果酱和果汁凝胶化。 鼠李糖鼠李糖杂多糖果胶杂多糖果胶同质多糖型果胶同质多糖型果胶l果胶酶是分解果胶质的原果胶酶、果胶酯酶以及果胶酶是分解果胶质的

15、原果胶酶、果胶酯酶以及聚半乳糖醛酸酶的总称。聚半乳糖醛酸酶的总称。原果胶酶原果胶酶能够水解不溶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；酸和阿拉伯糖之间的化学键；果胶酯酶果胶酯酶能够分解能够分解水溶性果胶分子中的甲氧基（水溶性果胶分子中的甲氧基（-0CH2-0CH2）与半乳糖醛）与半乳糖醛酸之间的酯键，形成半乳糖醛酸和甲醇；酸之间的酯键，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断果胶酸的能切断果胶酸的-1,4-1,4-糖苷键，形成游糖苷键，形成游离的半乳糖醛酸。离的半乳糖醛酸。示果胶酯酶的作用位置示果

16、胶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). 淀粉的种类淀粉的种类直链淀粉（直链淀粉（-1,4-1,4-糖苷糖苷键结合）键结合）支链淀粉（支链淀粉（-1,6-1,6-糖苷糖苷键结合）

18、键结合）淀粉的降解途径淀粉的降解途径1 1、枯草杆菌将淀粉分解为、枯草杆菌将淀粉分解为COCO2 22 2、根霉和曲霉先将淀粉转、根霉和曲霉先将淀粉转化为葡萄糖，接着由酵母化为葡萄糖，接着由酵母菌将葡萄糖发酵为乙醇和菌将葡萄糖发酵为乙醇和COCO2 23 3、梭状芽孢杆菌参与发酵、梭状芽孢杆菌参与发酵4 4、丁酸梭状芽孢杆菌参与、丁酸梭状芽孢杆菌参与发酵发酵l淀粉酶淀粉酶(amylase)(amylase)一般作用于可溶性淀粉、直链淀粉、糖元一般作用于可溶性淀粉、直链淀粉、糖元等等-1,4-1,4-葡聚糖，水解葡聚糖，水解-1,4-1,4-糖苷键的酶。根据作用的糖苷键的酶。根据作用的方式可分为

19、方式可分为-淀粉酶与淀粉酶与-淀粉酶。淀粉酶。l（1 1）-淀粉酶：广泛分布于动物（唾液、胰脏等）、植淀粉酶：广泛分布于动物（唾液、胰脏等）、植物（麦芽、山物（麦芽、山萮萮菜）及微生物。以菜）及微生物。以CaCa2+2+为必需因子，既作用为必需因子，既作用于直链淀粉，亦作用于支链淀粉，于直链淀粉，亦作用于支链淀粉，无差别地切断无差别地切断-1-1，4-4-链链，引起底物溶液粘度的急剧下降和碘反应的消失（故又，引起底物溶液粘度的急剧下降和碘反应的消失（故又称为称为液化酶液化酶），最终产物在分解直链淀粉时以麦芽糖为主），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

20、时，除麦，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芽糖、葡萄糖外，还生成分支部分具有-1,6-1,6-键的键的-极极限糊精。限糊精。l（2 2）-淀粉酶：从淀粉酶：从非还原性末端非还原性末端逐次以麦芽糖为单位切逐次以麦芽糖为单位切断断1,4-1,4-葡聚糖链。主要见于高等植物中（大麦、小麦葡聚糖链。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、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

21、链淀粉或葡聚糖的时候，切断至1,6-1,6-键的前面反应就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。停止了，因此生成分子量比较大的极限糊精。l（3 3）糖化酶又称葡萄糖淀粉酶，能在常）糖化酶又称葡萄糖淀粉酶，能在常温条件下将淀粉分子的温条件下将淀粉分子的-1,4-1,4-和和-1,6-1,6-糖苷键切开，而使淀粉转化为葡萄糖。糖苷键切开，而使淀粉转化为葡萄糖。l（4 4）支链淀粉酶水解支链淀粉中）支链淀粉酶水解支链淀粉中-, ,- -糖苷键，切下整个侧枝，形成长短不糖苷键，切下整个侧枝，形成长短不一的直链淀粉。一的直链淀粉。l由饱和脂肪酸和甘油组成的，常温下呈固态的称为脂；由由饱和

22、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。不饱和脂肪酸和甘油组成，在常温下呈液态的称为油。l水中来源：水中来源：毛纺、毛条厂废水、油脂厂废水、肉联厂废水毛纺、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、制革厂废水含有大量油脂l降解油脂较快的微生物：降解油脂较快的微生物：l细细 菌菌 荧光杆菌、绿脓杆菌、灵杆菌荧光杆菌、绿脓杆菌、灵杆菌l丝状菌丝状菌 放线菌、分支杆菌放线菌、分支杆菌l真真 菌菌 青霉、乳霉、曲霉青霉、乳霉、曲霉l途径：途径：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类酶的总称，是指催化酯酰甘油水解的一类酶的总称，生成脂生成脂肪酸、甘油和甘油单酯或二酯。肪酸、甘油和甘油单酯或二酯。是单纯蛋白质的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，既可以在两相系统链脂肪酸酯，既可以在两相系统( (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发的水解和合成反应，且反应不需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，脂肪要辅酶，反

24、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、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。技术和有机合成方面应用最广泛的一类酶。l产脂肪酶的微生物有产脂肪酶的微生物有6565个属，主要集中在黑曲霉个属，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、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。如为提高扩许多新的、具有特定功能

25、的脂肪酶。如为提高扩展青霉展青霉FS1884FS1884脂肪酶活性，采用一步突变法对脂脂肪酶活性，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性比野生型提高5 5 。解脂耶氏酵母菌突变体脂。解脂耶氏酵母菌突变体脂肪酶产量是未突变菌株的肪酶产量是未突变菌株的3535倍。黏质沙雷菌倍。黏质沙雷菌8000 8000 ( (Serratia marcescerSerratia marcescer 8000) 8000)突变体脂肪酶产量是突变体脂肪酶产量是未突变菌株的未突变菌株的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替换成替换成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分别换成分别换成TrpTrp后，对丁酸甘后，对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/水解酶折叠结构水解酶折叠结构: :包含一个被包含一个被 -螺旋包围着的以平行螺旋包围着的以平行-片层结构为主的核，片层结构为主的核，-折叠片之间通过折叠片之间通过-螺旋相连接螺旋相连接。-螺旋和螺旋和-折叠的数目和空间排列方式不同的脂肪酶不折叠的数目和空间排列方式不同的脂肪酶不尽相同。亲核催化三元组尽相同。亲核催化三元组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，表面被对它们起保护作用的对它们起保护作用的-螺旋盖状结构覆盖。螺旋盖