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在石油日益枯竭的“资源短缺”时代,可再生能源的开发日益引起各国政府的重视。与其它可再生资源的最大的区别在于,水能,风能和太阳能等均是功能单一的能源,不能提供工业原料,而生物质却身兼代替能源和替代石油基材料的两重身份。生物质资源的充分利用对人类社会的可持续发展将起到重要作用。
作为植物细胞壁主要成份的木质纤维素是地球上最丰富的生物质类可再生资源,以其为原料生产燃料乙醇被认为是燃料乙醇产业未来发展的方向之一。但由于结晶纤维素的存在,造成纤维素酶解效率低,纤维素酶的成本过高,现阶段以生物质为原料生产的燃料乙醇在价格上还无法与汽油竞争。
某些嗜纤维菌(Cytophaga)具有极强的纤维素降解能力,能在贫瘠的环境中迅速彻底地降解结晶纤维素,却只有极低的胞外纤维素降解酶活力和葡萄糖类水解产物,显示其具有独特的结晶纤维素降解体系,但具体的降解机制还不清楚。哈氏嗜纤维菌(Cytophaga hutchinsonii)因其在陆地上广泛存在以及没有类似厌氧菌的纤维小体等特点被美国能源部列入微生物基因组研究计划,并于2005年完成了Cytophaga hutchinsonii ATCC 33406的4MB的全基因组序列的测定。本文从形态,生理以及生化的角度对CytophaEa hutchinsonii降解纤维素的机理进行了初步的研究。
·在用核荧光染料Hoechst33342跟踪Cytophaga hutchinsonii ATCC33406类核的变化时,首次发现存在三个类核的状态。
·在分批培养条件下,Cytophaga hutchinsonii ATCC 33406会从杆菌状态转变为球菌状态。球菌状态对渗透压敏感,失去了利用纤维素的能力,在合适的条件下,球菌状态又可萌发形成杆菌。杆菌状态是CytophaEahutchinsonii ATCC 33406利用纤维素的有效状态。
·首次发现Cytophaga hutchinsonii ATCC 33406至少具有一种组成型表达的纤维素内切酶(分子量约为57,7 KDa,在细胞质、细胞膜、周质空间、细胞壁及细胞外均具有活性)。令发现三种诱导表达的纤维素内切酶。C.gyt的纤维素内切酶的表达受葡萄糖效应的调控。同时,C.hut的生长受高浓度的葡萄糖抑制。
·Fe<3+>对C.hut的生长表现出促进作用;Ca<2+>的存在,对C.hut胞外纤维素内切酶产生有抑制作用,推测Ca<2+>的存在稳定了C.hut外膜上的脂多糖,不利于纤维素内切酶的释放所致。
·C.hut在滤纸上生长时,变得细长,直径为0.15μm,可以穿过0.22μm的微孔滤膜,造成滤膜底部的纤维素水解出现透明圈。在菌体无法通过微孔的培养条件下,纤维底物上没有出现透明圈。表明C.hut对纤维素的彻底降解需要菌体细胞与纤维底物的接触。同时通过电镜观察发现C.hut在降解滤纸的过程中形成类似胞间联丝样的结构。
通过对C.hut生长过程中形态、生理、生化的研究,阐明了C.hut的纤维素内切酶在菌体上的分布、合成情况。证明菌体与底物的接触在纤维素的彻底降解中是必须的,为C.hut降解结晶纤维素机理的研究奠定了基础。