文档：分解纤维素的微生物

分解纤维素的微生物纤维素是由D-葡萄糖以β-1,4糖苷键结合起来的链状高分子化合物，具有不溶性的刚性结构，在常温下不溶于水、也不溶于稀酸和稀碱，在自然条件下分解缓慢。全球每年产生的纤维素高达1000亿，中国农作物秸秆量达到6亿t，林木枝桠和林业废弃物年可获得量约9亿t，但这些资源大部分通过简单的焚烧方式利用，利用率极低，在浪费能源的同时对环境造成了污染。目前，对于纤维素的利用主要是通过化学或生物处理从而实现资源化。微生物分解纤维素是纤维素生物处理技术的核心。到70年代以后，随着能源危机和环境污，纤维素的资源化利用是当前研究的热点。微生物作为处理纤维素的一种手段，由于其对环境危害小，且能实现资源的再利用而越来越受到重视。弄清纤维素酶的作用机制是关键，此外分离和选育出针对不同行业的高效纤维素分解菌种，研究不同来源纤维素酶以及不同菌种之间的协同作用，弄清菌株与菌株之间的关系及其在降解发酵过程中的作用，以达到构建高效稳定的纤维素降解菌群的目的，从而为实现纤维素的资源化利用提供科学的基础保障。近二三十年来，在纤维素酶菌株的选育、纤维素酶组分及降解机制、纤维素酶合成的调节和控制以及纤维素酶应用等诸多分枝课题都取得了很大的进展。有关纤维素降解机理的研究有很多，但纤维素酶将天然纤维素转化成葡萄糖过程中的细节至今仍不清楚。目前，关于纤维素的降解机理主要有以下几种。假说1950年Reese等人就对纤维素酶的作用方式提出了一个著名的C1-Cx假说，该学说认为，C1酶首先作用于结晶纤维素，使形成结晶结构的纤维素链开裂，长链分子的末端部分离，使其转化为非结晶形式，从而使纤维素链易于水解；Cx酶随机水解非结晶纤维素，可溶性纤维素衍生物和葡萄糖的β-1,4-寡聚物；β-葡萄糖苷酶将纤维二糖和纤维三糖水解成葡萄糖。2.协同理论该理论认为：纤维素降解是由EG(内切葡聚糖酶)、CBH(外切葡聚糖纤维二糖水解酶)和CB(纤维二糖酶或β-葡萄糖苷酶)共同作用的结果。其酶反应的顺序机理：内切葡聚糖酶首先进攻纤维素的非晶区，形成外切纤维素酶需要的新的游离末端，然后外切纤维素酶从多糖链的非还原端切下纤维二糖单位，β-葡萄糖苷酶再水解纤维二糖单位形成葡萄糖。3.原初反应假说在对褐腐菌降解纤维素的研究过程中发现，褐腐菌降解结晶纤维素的早期阶段纤维素的机械强度大幅度降低，但只有极微量的重量损失和很少的还原糖生成。这与纤维素酶解时的聚合度降低而还原糖增加现象明显不同，因此Coughlan提出了结晶纤维素降解的多步骤学说，该学说认为原初反应即无序化反应使纤维素的结晶状态发生改变，更便于随后的纤维素水解。4.短纤维形成理论该理论认为天然纤维素首先在一种非水解性质的解链因子或解氢键酶作用下，纤维素链内或链内的氢键打开，从而形成短纤维，然后再在其他纤维素酶的作用下进行水解。5.其他理论2002年山东大学的高培基概括纤维素酶降解机制及纤维素酶分子结构与功能研究进展时，提出了新的纤维素酶降解模式。该模式认为纤维素降解是由纤维素聚合物分子链的解链和其糖苷键的水解(解聚)先后发生并同时反复进行的过程所组成。前者起始于纤维素酶分子对纤维表面的吸附，导致了分子链间氢链断裂和单一基元纤维的分离，造成纤维素聚集结构态的改变，是降解过程的限速阶段。后一过程水解单一基元纤维链的糖苷键，使其断裂，形成可溶性糖类，对解链也有协同作用。总的来说，以上机理虽然在某些方面能很好的解释微生物对纤维素的降解过程，但也存在一些缺陷。C1-Cx假说对C1酶的作用机制并不清楚；而协同理论始终没有说明协同作用的起始反应是如何进行的，特别是对结晶区的降解机制没有很好的解释[9]；短纤维形成现象早在20世纪60年代就己被发现，但是否是纤维素降解中第一步所必需的则一直处于争论中。因此，对于纤维素酶降解纤维素的机理研究仍然是当前和今后一段时间的热点问题。自然界中菌株的筛选从自然界筛选纤维素分解菌是构建高效纤维素分解技术的基础性工作。为了获得酶活较高的野生纤维素降解菌，国内外科学工作者自20世纪60年代开始做了大量的工作，目前已筛选到很多纤维素降解菌，主要包括细菌、放线菌和丝状真菌等。能降解纤维素的细菌有很多，主要有纤维粘菌(Cytophaga)和纤维杆菌(Cellulomonas)两类。具有降解纤维素能力的放线菌主要有纤维放线菌、诺卡氏菌属（Ncardia）[12]和链霉菌属。真菌由于具有较高的胞外酶活性且其酶种类比较全面使其有很强的纤维素降解能力，因此对其的研究报道比较多。己报道的对纤维素作用较强的菌株多是木霉属、曲霉属、青霉属、枝顶孢霉属、漆斑霉属、脉孢霉属、毛壳霉属的菌株等。目前纤维素酶产生菌的筛选除了寻找