嗜极微生物.ppt

厌氧嗜热真细菌的生物技术,常艳艳 2120180417,半纤维素水解酶,,纤维素水解酶,半纤维素水解酶,纤维素水解酶,在我国，以纤维素为主要成分的生物质资源极其丰富，木质纤维素是由45%的纤维素30%的半纤维素和25%的木质素组成，纤维素和半纤维素在木质或农业生物质组成中占比可达70%—80%，所以，纤维素是自然界中储量最丰富的有机物 纤维素是由葡萄糖脱水通过β—1，4—糖苷键形成的直链聚合体在植物体内，这些纤维素以聚合度很高的结晶态存在，阻碍了纤维素的直接降解工业上通过酸水解高温爆破等预处理后，再将其降解为还原糖，不但提高了成本，还造成环境污染 长期以来，纤维素的水解过程一直被认为是整个生物转化过程中最重要的限速阶段 纤维素水解酶,自然界存在着许多种真菌、放线菌和细菌能降解纤维素，其中包括嗜热厌氧纤维素降解细菌，这一类细菌在高温厌氧下具有较强的纤维素降解能力，可利用某些未经处理的植物秸秆，所以它们在纤维素废料和农作物秸秆处理方面的广阔应用前景 纤维素不能直接透过细胞质膜，只有在微生物合成的纤维素酶作用下，水解成单糖后，才能被吸收至细胞内利用纤维素酶有细胞表面酶和胞外酶两种细菌纤维素酶一般为细胞表面酶，位于细胞膜上，分解纤维素时，细菌必须附着在纤维素表面。

真菌和放线菌的纤维素酶为胞外酶，它们可以在胞外环境中起作用，菌体无需直接与纤维素表面接触根据对真菌的研究，纤维素酶是多种作用于纤维素的酶的总称，它包括如下三种酶： ⑴ 、 C 1 酶（内 - β - 葡聚糖酶） 此酶主要水解纤维素分子内的β - 糖苷键，产生带有自由末端的长链片段一种微生物能分泌一种以上的 C 1 同功酶 ⑵ 、 C X 酶（外 - β - 葡聚糖酶） 此酶作用于纤维素分子的末端，产生纤维二糖与 C 1 酶一样，一种微生物也能分泌出多种结构不同而功能相同的 C X 酶 ⑶ 、β - 葡萄糖苷酶 此酶能将纤维二糖、纤维三糖及低分子量的寡糖水解成葡萄糖纤维酶对纤维素的水解过程可表示为：厌氧性的热纤梭菌（ Clostridiumthemocellum ）、嗜热氢硫梭菌、布氏嗜热厌氧菌和乙酸乙基嗜热拟杆菌 ( Thermobacteroides acetoethylicus ) 等能直接利用除葡萄糖等己糖外较为广泛的有机物质转化为乙醇但已知和研究较深入的能直接将纤维素转化为乙醇的细菌仅是热纤梭菌纤维素水解酶,热纤梭菌（Clostridium thermocellum）稳定的纯培养物于1948年由McBee分离纯化得到，它是一种嗜热、产芽孢的严格厌氧菌，革兰氏染色呈阳性，其体内的由70个亚单元组成，胞外纤维素酶复合体活性较高，大部分是糖基水解酶类，内切葡聚糖酶活性较高，外切葡聚糖酶活性较低。

能发酵纤维素和纤维糊精产生乙醇、乙酸、乳酸、氢和二氧化碳，但不能发酵戊糖热纤梭菌是已知的能够直接将纤维素转化为乙醇的最有效的菌种之一，热纤梭菌在以微晶纤维素为唯一碳源的培养基中的生长速率在已知微生物中是最高的，与木霉属相比，热纤梭菌纤维素酶不但稳定性更强，而且对终产物葡萄糖纤维二糖的敏感性更低 .,热纤梭菌细胞壁表面分布有不连续的包含有纤维素酶系的 纤维素体 （ Cellulosome ）这些纤维素体与纤维素相黏附，然后纤维素酶系逐步将纤维素分解为可溶性糖类，吸收入细胞进一步利用，转化为乙醇然而，由于木质素、半纤维素对纤维素的保护作用以及纤维素本身的结晶结构，天然木质纤维素直接进行酶水解时，其纤维素水解成糖的比率一般仅有 10%~20% 因此由热纤梭菌直接转化为乙醇的效率较低 研究表明，在热纤梭菌和嗜热厌氧乙醇菌的混合培养体系对纤维酒精的生产具有显著地提高作用，前者高效降解纤维素为糖类，然后后者可以以糖类作为底物通过发酵转为酒精纤维素水解酶,生物酒精可以直接代替汽油，柴油等石油燃料，是最具有潜力的替代传统石化燃料的新型能源，但是目前工业上生物酒精的原来主要为食物原料如淀粉，玉米，蔗糖等，随着全球粮食供应的紧张，采用来源更加广泛，成本更加低廉的木质纤维素生产酒精，可从根本上能源工业的持续化发展，具有广阔的应用前景。

以热纤梭菌为代表的嗜热厌氧细菌在高温厌氧条件下降解纤维素和半纤维素形成纤维二糖和纤维糊精，然后在酶的作用下转化为五碳糖和六碳糖，最后经过嗜热厌氧乙醇菌有效的发酵，糖类转化为酒精所以热纤梭菌为生物能源中酒精的生产开辟了新的道路半纤维素水解酶,在植物体内，半纤维素的含量仅次于纤维素一年生作物中，半纤维素约占25%~40% 木材中，约占25%~35% 半纤维素是由各种五碳糖、六碳糖及糖醛酸组成的大分子聚合物结构上可分为仅含一种单糖如木聚糖、半乳聚糖、甘露聚糖等的同聚糖和有多种单糖或糖醛酸同时存在的异聚糖两类半纤维素也不能直接透过细胞质膜，只有在胞外酶（聚糖酶）将其水解为单糖以后，才能被进一步利用 木聚糖是半纤维素的主要成分，而木聚糖酶能够以内切方式水解木聚糖主链骨架的 β-1，4木糖苷键，从而将木聚糖降解为木糖和低聚木糖（又称木寡糖，由2-7 个木糖分子结合而成）另外，在木质纤维素中，木聚糖主链附近包含由阿拉伯糖和葡萄糖醛酸组成的侧枝结构，这些侧枝会阻碍木聚糖酶与木聚糖的结合，降低水解效率聚糖酶既有结构酶，也有诱导酶可把半纤维素酶归纳为三种类型： ① 内切酶，它能任意切割半纤维素基本结构单元之间的联结键，将大分子破碎成不同大小的片段。

② 外切酶，它能从半纤维素的一端开始，依次切下一个单糖或二糖，经内切酶水解后，半纤维素可出现很多末端，有利于外切酶的进一步作用③ 糖苷酶，它的作用是水解寡糖或二糖，产生单糖或糖醛酸糖苷酶对底物有一定的专一性，并常以其底物命名一种微生物可以含有多种不同的半纤维素酶，因此可以分解多种半纤维素半纤维素水解酶,很多常温微生物具备对木聚糖的降解能力，例如木霉属，但缺点是热稳定性差降解效率低,在能够利用木聚糖的嗜热微生物中，海栖热袍菌是最具有应用潜力的 海栖热袍菌是已知的耐热性最强的菌种之一，生长温度达90℃ ，属严格厌氧型极端嗜热菌，最早提取自意大利海底火山附近，海栖热袍菌底物范围广泛，能直接分解纤维素半纤维素淀粉等多聚糖，但其生长期细胞密度不易过大，这就限制了其大规模培养 半纤维素水解酶,海栖热袍菌有两种耐高温木聚糖酶XYNA和XYNB，耐高温木聚糖酶在高温环境下可增加底物的溶解性，避免污染，且对酸或碱性耐受性好但因为海栖热袍菌的培养条件较苛刻，产酶水平低（低于 10%）且酶系复杂，所以人们更多地利用分子生物学手段，提取其体内的酶基因转化中温微生物，以期获得性能优良的酶制剂 韩国学者将海栖热袍菌的xynA 与纤维素酶基因 cel5C进行融合表达，重组蛋白具备了同时降解纤维素和木聚糖的能力，最适温度约80℃ .,半纤维素水解酶,海栖热袍菌 α—L阿拉伯糖苷酶的热稳定性在所有已知的嗜热菌中是最高的，通过与葡萄糖醛酸酶的协同作用可以解除木聚糖主链附近侧枝结构的影响，因此在木聚糖的降解中应用前景可观。

如果能够利用海栖热袍菌与嗜热厌氧乙醇杆菌组成混合菌，就能够将木聚糖降解产物直接生成乙醇，提高乙醇产率致敬 谢谢！！！,。