4-微生物與替代工藝和替代產(chǎn)品

1、第四章 微生物與替代工藝和替代產(chǎn)品第一節(jié) 微生物采油1微生物采油技術(shù)（microbial enhanced oil recovery）是指將人工培養(yǎng)的微生物或微生物代謝產(chǎn)物注入油藏，經(jīng)微生物的生命活動或代謝產(chǎn)物的作用，改變油藏或原油的某些物化特性，從而提高原油采收率的技術(shù)。2一、采油原理石油通常存在于地下的地質(zhì)沉積巖層中，俗稱原油。油井鉆成后，靠地層壓力將原油運(yùn)移到地面，稱為一次采油。一次采油維持的時間較短。一次采油后，為了將大量的原油繼續(xù)釆出，采用注水采油工藝，通過高壓注水，靠水的壓力將油從油井驅(qū)動到地面，稱為二次采油。二次采油的釆收率一般為3 0 50%，仍有大量原油難以采出。在此基礎(chǔ)上，

2、油田開采業(yè)使用的多種采油技術(shù)，統(tǒng)稱為三次采油技術(shù)。蒸汽驅(qū)、氣驅(qū)、化學(xué)驅(qū)油3二、地上微生物采油地上微生物采油技術(shù)是指在地面上建立發(fā)酵設(shè)施，生產(chǎn)微生物的某種代謝產(chǎn)物，主要是生物表面活性劑和生物聚合物，將生物產(chǎn)物注入地下油藏而提高原油采收率。該技術(shù)的關(guān)鍵是選育優(yōu)良微生物菌種，確定最佳發(fā)酵工藝。其優(yōu)點(diǎn)是發(fā)酵條件易于控制，微生物生長和代謝活動不受地層條件的影響。41 . 生物表面活性劑生物表面活性劑的主要成分是糖脂類和脂肽類，很容易溶解在地層水和注水中，在油水界面上具有較高的表面活性，能很好濕潤含油巖石的表面，從巖石表面洗掉油膜，具有強(qiáng)的分散原油的能力，所以驅(qū)油能力強(qiáng)。研究表明，生物表面活性劑的驅(qū)油效率

3、比人工合成的表面活性劑的驅(qū)油效率高3.5-8倍。糖脂類Dodecyl-glutamate: C12 Glu8脂肽Novel Structures Greener Surfactants 5假單胞菌(Pseudomonas)、節(jié)桿菌(Arthrobacter)、不動桿菌(Acinetobacter)、棒桿菌(Corynebacterium)等是生物表面活性劑的主要類群。Trehalose tetra ester from Arthrobacter sp.6O-CH- CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH3C-CH2-CH - CH2 - CH2 - CH2

4、 - CH2 - CH2 - CH2 - CH3O-OOHOOH ORCH3ORhamnolipid monomerMicelle formation at CMC concentrationsCMC = 0.1 mM (50mg/L)O=CCH2Ca2+5 nm diameterPseudomonas aeruginosa makes a surfactant molecule, rhamnolipid: 72. 生物聚合物具有很髙的假塑性，在髙剪切力下粘度降低，剪切力減弱又恢復(fù)粘性，故在鉆井中廣泛使用。黃原膠(Xanthan)是最常用的一種，其產(chǎn)量超過20000 t/a，結(jié)構(gòu)為主鏈?zhǔn)瞧咸烟?/p>

5、，具有D-甘露糖和D-葡糖醛酸側(cè)鏈。小核菌葡聚糖(Scleroglucan),也作為黃原膠的替代產(chǎn)品?？贫继m膠(Curdlan)為中性的1,3-D-葡聚糖(分子量74000)，彈性好，遇熱不熔解，酸性下形成凝膠。8假單胞菌(Pseudomonas)、黃單胞菌(Xanthomonas)、固氮菌(Azotobacter)、土壤桿菌(Agrobacterium)、產(chǎn)葡聚糖小核菌(Sclerotium glucanicun)、糞產(chǎn)堿菌(Alcaligenes)等是生物聚合物的主要類群。9三、地下微生物采油將選育的微生物菌種注入貯油層中，同時注入適當(dāng)?shù)臓I養(yǎng)物質(zhì)，使微生物在地下生長繁殖， 產(chǎn)生多種代謝產(chǎn)物

6、， 菌體細(xì)胞和代謝產(chǎn)物聯(lián)合作用于原油，改變貯油層和原油的某些物化特性，從而提髙原油采收率。地下微生物釆油技術(shù)具有增產(chǎn)效果持續(xù)時間長，施工成本低的優(yōu)點(diǎn)。目前地下微生物采油技術(shù)是應(yīng)用微生物釆油研究和開發(fā)應(yīng)用的主要方向。101. 地下微生物采油的機(jī)理細(xì)菌直接在貯油巖石表面上的繁殖，占據(jù)孔隙而驅(qū)出空隙中的原油，同時降解原油中的某些成分使原油黏度降低， 流動性增大。細(xì)菌產(chǎn)生各種代謝產(chǎn)物，如溶劑、表面活性劑、生物聚合物、有機(jī)酸和氣體。這些產(chǎn)物或減小油-巖石和油-水界面的表面張力，或增加注水的流動性從而提髙水驅(qū)中注水波及油田系數(shù)，或降低原油黏度、清除堵塞等。112. 采油微生物菌種選育在油井內(nèi)有一定氧分壓下

7、生活的細(xì)菌有芽孢桿菌、假單胞菌、微球菌(Micrococcus) 和不動桿菌；厭氧菌有梭菌(Clostridium) 、脫硫弧菌(Desulfovibrio) 和甲烷桿菌。一般釆油微生物必須具備的條件是：厭氧或兼性厭氧，能耐高溫、高壓、高礦化度，以烴作唯一或主要碳源，能在油層中運(yùn)移，能生長繁殖。12營養(yǎng)液的配制主要根據(jù)選用的菌種、地層條件和工程目的來決定。首先確定地層中缺乏的營養(yǎng)物質(zhì)。然后在實(shí)驗(yàn)室確定所需注入的最優(yōu)營養(yǎng)配方。一般需要注入含磷化合物、含氮化合物、肽，有機(jī)物質(zhì)、含碳化合物及微量元素。所選用的營養(yǎng)物質(zhì)在地層條件下應(yīng)具有熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，而且不會與地層流體中的無機(jī)鹽發(fā)生反應(yīng)而生成沉

8、淀，以免堵塞地層。在含黏土的地層中，營養(yǎng)液應(yīng)不能引起地層黏土膨脹和微粒運(yùn)移。為避免這些問題，應(yīng)利用地層水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。3. 營養(yǎng)物的配制13第二節(jié) 細(xì)菌冶金細(xì)菌冶金又稱微生物浸礦(bioleaching）是利用微生物及其代謝產(chǎn)物對某些礦物或金屬的氧化、還原、溶解或吸附作用來采礦或回收有用金屬，是濕法冶金工業(yè)上的一種新工藝。high-temperature copper heap bioleach pilot plant14、細(xì)菌冶金的原理細(xì)菌從礦石中把金屬溶浸出來的原理，至今仍在探討之中。假說1：細(xì)菌能把金屬從礦石中溶浸出來是細(xì)菌生命活動中生成的代謝物的作用。腺苷酸硫酸4個ATP1個ATP半個AT

9、P2個ATP15假說2：細(xì)菌對礦石具有直接浸提作用，細(xì)菌對礦石可直接氧化， 通過物理化學(xué)接觸把金屬溶解出來。有的研究還發(fā)現(xiàn)，某些異養(yǎng)細(xì)菌，可產(chǎn)生有機(jī)物與礦石中的金屬成分螯合，從而使金屬從礦石中溶解出來 此外，還發(fā)現(xiàn)微生物菌體在礦石表面能產(chǎn)生各種酶，這也支持了細(xì)菌直接作用浸礦的學(xué)說。16二、濕法冶金的微生物資源優(yōu)良的微生物菌種是生物冶金成功的必備條件，目前研究和應(yīng)用的微生物濕法冶金的菌種有以下幾類：中溫的硫桿菌屬(Thiobacillus ) 及鉤端螺菌屬(Leptospirillum)中度嗜熱的硫化芽孢桿菌屬(Sulfobacillus)極度嗜熱的古菌，硫化葉菌(Sulfolobus)和酸雙面

10、菌(Acidianus)等。其中用于工業(yè)化生產(chǎn)的大多為化能自養(yǎng)型的硫桿菌。17硫桿菌屬Thiobacillus are colorless, rod-shaped, Gram-negative bacteria with polar flagella. They possess an iron oxidase, which allows them to metabolize metal ions such as ferrous iron. Thiobacillus are strictly aerobic bacteria.A colony of Thiobacillus ferrooxida

11、ns. The reddish color is the result of iron production.182. 鉤端螺菌屬Leptospirillums cells are Gram-negative and spiral-shaped, Metabolically they are strictly chemolithoautotrophic, fixing carbon using ferrous iron as their electron donor and oxygen as the electron acceptor. Generally Leptospirillum sp

12、ecies have few distinct physiological characteristics which make them identifiable; most researchers use molecular analyses to distinguish them from other bacteria.Spiral cell of Leptospirillum ferrooxidans19Leptospirillum plays an important role in industrial bioleaching (the conversion of metals t

13、o a soluble form) and biooxidation (the extraction of metals). They are obligate aerobes (require oxygen gas). Leptospirilla have been found to be the primary iron-oxidizers in industrial continuous-flow biooxidation tanks. The reason is most likely the fact that the high ferric-ferrous iron ratio i

14、nhibits all but species of Leptospirillum. Leptospirilla are also important contributors to the acid mine drainage process.Acid stream drainingbefore (left) and after (right) bioleaching. 203. 硫化芽孢桿菌屬Sulfobacillus sp. is a species of moderately thermophilic mineral-sulphide-oxidizing bacteria. It is

15、 Gram-positive, acidophilic and ferrous-iron-oxidising as well.Fluorescent in situ hybridization with a Sulfobacillus-specific probe (red) shows that Sulfobacillus is present in the natural community, as predicted by EMIRGE. The generic DNA stain DAPI is shown in blue, and Sulfobacillus cells with b

16、oth the specific probe and DAPI staining appear purple. Scale bar: 5 m.214. 硫化葉菌屬細(xì)胞呈球狀，高度不規(guī)則，形成獨(dú)特的裂片球狀。通常單個存在。細(xì)胞可緊緊地黏附在硫結(jié)晶體上，用熒光染料染色，在顯微鏡下能夠看見。細(xì)胞壁由以六邊形排列的蛋白質(zhì)亞單位組成。好氧，可氧化硫，硫化物或連硫四硫酸鹽，形成硫酸，并固定二氧化碳作為碳源，進(jìn)行無機(jī)營養(yǎng)生長。也能氧化復(fù)雜的有機(jī)物如酵母提取物，糖或氨基酸，進(jìn)行有機(jī)營養(yǎng)生長。該屬嗜熱嗜酸，能在5587度和PH16的條件下生長。主要分布在富含硫磺的地?zé)嵘?，如溫泉，火山的噴氣口等處。Electr

17、on micrograph of Sulfolobus infected with Sulfolobus virus Rabbit Creek, Yellowstone National Park 224. A. brierleyi is an extremely acidophilic, thermophilic archaebacteria. It is a chemolithotroph, and is unique in that it can both oxidize and reduce sulfur depending on the availability of oxygen.

18、 This microbe is a facultative anaerobe and appears yellow-orange under aerobic conditions and grayish-black under anaerobic ones. A. brierleyi has an irregular coccoid shape and is 1 to 1.5 m in diameter. It is halotolerant and grows between 45 and 75C and pH 1 to 6; optimum growth, however, occurs

19、 at 70C and pH 1.5 to 2.0 . Another unique feature of A. brierleyi is its ability to live either heterotrophically on yeast extract or autotrophically on carbon dioxide. These characteristics make A. brierleyi an ideal microorganism for bioleaching.TEM of Acidianus sp23Model of possible carbon and i

20、ron fluxes in a snottite from the first level. The oxic (grey) and anoxic parts (white) are indicated. Leptospirillum species are solely found in the oxic part, whereas acidithiobacilli are found in the oxic as well as in the anoxic part. The archaea could only be detected in the anoxic zone. In the

21、 oxic area, ferrous iron oxidation can take place while in the anoxic part iron reduction by Acidithiobacillus sp. And Ferroplasma sp. is possible. Additionally, the iron can be reduced abiotically via pyrite dissolution (grey arrows). Atmospheric CO2 fixation could only be detected in the surface a

22、rea, approximately in the first 30mm. Behind this point, a possible carbon source could be dissolved H2CO3. The inorganic carbon can be fixed by the primary producers like the autotrophic acidithiobacilli and leptospirilla. Heterotrophic organisms like Ferroplasma sp. can use the resulting organic c

23、arbon sources to sustain their energy and carbon metabolism. The role of the uncultivated archaea is so far not proven but heterotrophic growth is most likely.黃鐵礦The ISME Journal (2013) 7, 1725173724第二節(jié) 生物脫琉我國是煤炭大國，高硫煤約占20%左右。煤中的可燃硫經(jīng)燃燒生成SO2對人體粘膜肺部有刺激作用，是引起酸雨的主要物質(zhì)。因此開發(fā)煤炭脫硫技術(shù)是減少和防止煤中硫?qū)Υ髿馕廴镜挠行Х椒?。二苯并噻?

24、dibenzothiophene, DBT)為模式化合物。25生物脫硫的原理是利用微生物能夠選擇性氧化煤中有機(jī)或無機(jī)硫的特點(diǎn)，去除煤炭中的硫元素，它的優(yōu)點(diǎn)是SO2去除率髙，且不但能去除煤中無機(jī)硫還能去除有機(jī)硫，反應(yīng)條件溫和，設(shè)備簡單，成本低。盡管生物法存在反應(yīng)太慢的缺點(diǎn)，但是很有潛力，世界上許多國家都進(jìn)行了大量研究工作。DBT26煤的微生物脫硫是由生物濕法冶金發(fā)展而來的。自發(fā)現(xiàn)鐵氧化硫桿菌(Thiobacillus ferrooxidans)能夠氧化黃鐵礦以來，人們一直致力于尋找一些能夠應(yīng)用于煤脫硫的微生物。目前能去除煤中硫化物的微生物有專性自養(yǎng)菌，這類菌只能氧化FeS2；兼性自養(yǎng)菌，這類細(xì)菌

25、能氧化FeS2和部分有機(jī)硫化物;異養(yǎng)菌，這類微生物主要氧化有機(jī)硫化合物。27有多種微生物可以降解有機(jī)硫化物DBT。一些細(xì)菌，如紅球菌、短桿菌和霉菌黑曲霉可以分解DBT。從洗煤廢水中分離到的酵母和霉菌可降解煤，在煤脫硫方面有潛在應(yīng)用。有機(jī)硫的氧化有C-C和C-S氧化方式。短桿菌節(jié)桿菌28C-C裂解代謝類型1：主要是假單胞菌將DBT 轉(zhuǎn)化HDBT，其它假單胞菌株再將HDBT 降解，但是沒有硫酸鹽。代謝類型2：短桿菌Brevibacterium和節(jié)桿菌Arthrobacter將DBT降解為苯甲酸和亞硫酸鹽以及二氧化碳和水釋放。由于芳環(huán)的分解，使煤中的碳含量明顯降低，煤質(zhì)有較大程度的破壞，熱值損失較大

26、。29C-S裂解代謝類型3：紅球菌屬(Rhodococcus) 的微生物菌株直接作用于噻吩環(huán)上的硫原子，最終生成硫酸，而不會引起碳的損失。二苯并噻吩二苯并噻吩亞砜二苯并噻吩砜2羥基聯(lián)苯-2亞硫酸鹽2羥基聯(lián)苯30第三節(jié) 微生物絮凝劑絮凝劑是一類可使液體中不易沉降的懸浮顆粒物聚集、沉降的物質(zhì)。無機(jī)絮凝劑有機(jī)合成高分子絮凝劑微生物絮凝劑傳統(tǒng)的為鋁系和鐵系混凝劑為代表的無機(jī)類和以聚丙烯酰胺為代表的合成髙分子類。老年性癡呆癥神經(jīng)毒性和致癌31微生物絮凝劑(Mcirobial Flocculant）是一類由微生物產(chǎn)生的具有絮凝活性的髙分子有機(jī)物。主要有糖蛋白、黏多糖、纖維素和核酸等。它具有天然有機(jī)高分子絮

27、凝劑的 切優(yōu)點(diǎn)，而且還有可能通過選育優(yōu)良菌種，優(yōu)化發(fā)酵及回收過程來降低生產(chǎn)成本，并通過基因工程的手段，使絮凝劑產(chǎn)生菌獲得更優(yōu)良的性狀。Scanning electron (SEM) micrograph of purified bioflocculant fromBrachybacterium sp. UFH: (A) PPB; (B) CPB32一、微生物絮凝劑的組成及絮凝機(jī)理到目前為止，已報道的微生物產(chǎn)生的絮凝物質(zhì)為糖蛋白、粘多糖（extracellular polymer）、蛋白質(zhì)、纖維素、DNA等髙分子化合物。一般來說，作為微生物絮凝劑的物質(zhì)分子量多在105道爾頓以上。This SEM

28、 micrograph shows an Extracellular Polymeric Substance (EPS). 33類外源絮凝素假說病毒假說電中和作用吸附架橋作用34二、生物絮凝劑產(chǎn)生菌絮凝劑產(chǎn)生菌種類繁多，在細(xì)菌、霉菌、酵母菌、放線菌甚至藻類中都有，至今發(fā)現(xiàn)的具有絮凝性的微生物可達(dá)數(shù)十種。 其分布廣泛，研究者利用不同的培養(yǎng)條件、測試標(biāo)準(zhǔn)從各種不同的環(huán)境如活性污泥、土壤、廢水中分離絮凝劑產(chǎn)生菌。35紅城紅球菌Rhodococcus erythropolis革蘭氏陽性細(xì)菌，不僅能夠有效地降解磷苯二甲酸酯類化合物，而且產(chǎn)生具有絮凝活性的胞外分泌物，在有鈣離子的參與下，能夠有效地絮凝各種

29、無機(jī)懸浮物和微生物細(xì)胞，該胞外分泌物已進(jìn)一步被研制成微生物絮凝劑NOC-1。細(xì)菌壁外包裹一層厚厚粘性物質(zhì)36渴望產(chǎn)堿菌(Alcaligenes cupidus) 產(chǎn)生的A1201即是一種由葡萄糖、乳糖、葡糖醛酸和乙酸(摩爾比：634：555：10)組成的生物絮凝劑37擬青霉屬Paecilomyces采用乙醇沉淀和凝膠色譜法精制，得到了稱為PH101的絮凝劑。PH101為氨基半乳糖以- 1, 4 鍵相連而成的分子量3 105道爾頓的黏多糖。38醬油曲霉Aspergillus sojae產(chǎn)生的絮凝劑是由20%的半乳糖胺、0.3%的2-酮葡萄糖酸、27.5%的蛋白質(zhì)組成的分子量大于2 105道爾頓的

30、聚合物。39第四節(jié) 生物塑料塑料在人們的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活中占據(jù)重要的地位，應(yīng)用非常廣泛，在食品、化工、交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還是人們的日常生活中發(fā)揮著重要的作用。目前使用的塑料是由石油原料化學(xué)合成的，隨著塑料用量的增大，廢棄塑料處理成為困擾人們的一大難題。40RenewableResource-basedMicrobialsynthesizedAliphatic polyesterAliphatic-aromatic polyestersPolyesteramidesPolyvinyl alcohols Polyhydroxy alkanoates (PHAs)Polyhydoxybutyrate

31、 co-valerate (PHBV)PLA Polymer (From Corn)Cellulosic plasticsSoy-based plasticsStarch plasticsPetro-Bio (Mixed) SourcesSorona Biobased Polyurethane Biobased epoxy Blends etcBIOPOLYMERS: CLASSIFICATIONPetro-basedsynthetic41生物塑料，由于可在多種生物體包括植物、微生物體內(nèi)合成，而又能被多種微生物完全降解，所以引起人們的巨大關(guān)注，對其進(jìn)行了廣泛的研究和開發(fā)。這類生物塑料聚羥基烷酸

32、(polyhydroxyalkanoates，PHA)、聚乳酸（Polylactic Acid，PLA)等。聚乳酸將發(fā)酵產(chǎn)生乳酸再經(jīng)過化學(xué)催化聚合而成，而PHA則是直接由生物合成。Bioplastics based on renewable chemical building blocksMulch film made of PLA-blend bio-flex42一、PHA的組成、結(jié)構(gòu)及物理化學(xué)性質(zhì)PHA是一類結(jié)構(gòu)簡單的大分子聚合有機(jī)物，首先發(fā)現(xiàn)在微生物體內(nèi)積累作為能源和碳源儲存物。由于PHA具有低溶解度和高分子量，在胞內(nèi)積累不會引起滲透壓的增加，是一類理想的胞內(nèi)貯藏物。迄今為止發(fā)現(xiàn)的PHA

33、幾乎都是線狀，由首尾相連的-羥基脂肪酸單體聚合而成，在這些聚合物中，單體中的羧基與相鄰單體羥基形成酯鍵。43其中碳原子是手性的，從而決定了這些多聚物具有光學(xué)活性。R為多種不同鏈長的正烷基，也可以是帶支鏈的、不飽和的或帶取代基的烷基。由于聚合物長度、側(cè)鏈取代基位置不同以及對側(cè)鏈的修飾，使得PHAs種類繁多。44PHAs在物理性質(zhì)甚至分子結(jié)構(gòu)上與聚丙烯(PP)很相似，例如熔點(diǎn)、玻璃態(tài)溫度、結(jié)晶度、抗張強(qiáng)度等，而相對密度大、透氧率低和抗紫外線照射及具有光學(xué)活性、阻濕性和壓電性等則是PHAs的優(yōu)點(diǎn)。PolypropyleneChemical structures of P3HB, PHV and th

34、eir copolymer PHBV45PHAs的非常重要的特性是生物可降解性。在厭氧活性污泥中，PHAs的降解需要幾個月，而在海水中需要幾年的時間。PHAs 來源于可再生物質(zhì)，通過發(fā)酵法以農(nóng)業(yè)產(chǎn)品葡萄糖和脂肪酸為碳源和能源生產(chǎn)。正是由于PHAs的可生物降解性和可再生性使其得到廣泛應(yīng)用，可用來替代正在逐漸減少的化石原料，同時減少對環(huán)境的污染。PHACO2 + H2O (aerobically)PHA CO2 + H2O + CH4 (anaerobically)46二、PHAs的產(chǎn)生菌PHAs產(chǎn)生的微生物分布廣泛、種類繁多。4748目前研究較多的用于合成PHAs的微生物有：羅小斯通氏菌屬(Ra

35、lstonia)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、甲基桿菌屬(Methylobacterium)、球衣菌屬(Sphaerotilus)、土壤桿菌屬(Agrobacterium)、紅細(xì)菌屬(Rhodobacter)、放線桿菌屬(Actinobacillus)和固氮菌屬(Azotobacter )等，它們能分別利用不同的碳源產(chǎn)生不同PHAs，特別是不少菌可以利用廢物的有機(jī)物轉(zhuǎn)化。(80% cell dry weight)49STEM picture of Cupriavidus necator cells harbouring about 37 wt.-% of PHA granules.

36、Magnification: 1/65000.The model PHAs-producing microorganism is Cupriavidus necator（貪銅菌屬一種）50三、PHAs的合成機(jī)理FAB=fatty acid de novo biosynthesisKDPG=2-keto-3-deoxy-6-phosphogluconate pathwayNature Reviews Microbiology 8, 578-592 (August 2010)5152the biosynthetic chemical pathway is catalyzed chemical pa

37、thway is catalyzed by 3 enzymes (PhaA, PhaB, and PhaC), all of which occur in a single operon.The most important of these is PhaC or PHA synthase which PhaC, or PHA synthase, which catalyzes the addition of new (R)-3-hydroxybutyryl-CoA (3HB-CoA) monomers to the PHA polymer monomers to the PHA polyme

38、r chain.53Surrounded by 4-nm phospholipid monolayer membrane and embedded granule-associated proteins (GAPs) GAPs (necator gene):PHA synthase (PhaC) catalyzes the addition of monomers onto the PHA polymer chain Phasins (PhaP) control surface area/volume ratio and thus size and number of granules per

39、 cellPHA depolymerase (PhaZ) is used to remobilize the carbon chemical energy stored in the granule when necessaryRegulatory proteins (PhaR) of unknown function54PHA is only synthesized in environments with insufficient nutrients (other than carbon). In nature: 100-500 nm diameter, 5-10 granules per

40、 cell. PHA strands remain covalently attached to synthases. As soluble monomers are incorporated into an increasingly hydrophobic polymer chain, the polymer-synthase complex becomes aliphatic and forms a hydrophobic PHA core with other polymer strands.55第四節(jié) 生物表面活性劑The annual global production of sur

41、factants was 13 million tons in 2008, and the annual turnover reached US$24.33 billion in 2009, nearly 2% up from the previous year. ，其中作為家用洗滌劑的占54% ，用于工業(yè)的占32%。表面活性劑給人們生活、給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來極大方便的同時，也給環(huán)境帶來了污染。表面活性劑應(yīng)人類要求正向著溫和、易生物降解和多功能性，強(qiáng)調(diào)使用安全、生態(tài)保護(hù)和提高效率的方向發(fā)展56生物表面活性劑(biosurfactant, BS)是生物形成的具有表面活性的大分子物質(zhì)。生物表面活性劑存

42、在于天然生物體內(nèi)，是細(xì)胞正常代謝活動的必需成分，同時又是許多微生物的代謝產(chǎn)物。57一、生物表面活性劑的種類 化學(xué)合成表面活性劑通常是根據(jù)它們的極性基團(tuán)來分類，而生物表面活性劑則通過它們的生化性質(zhì)和生產(chǎn)菌的不同來區(qū)分。一般可分為五種類型：糖脂、磷脂和脂肪酸、脂肽和脂蛋白、聚合物和特殊表面活性劑。58（一）糖脂和分枝菌酸脂 分枝菌酸脂 海藻糖脂 鼠李糖脂 槐糖脂（二）肽和聚合物 益沐神 （Emulsan)-乙酸鈣不動桿菌產(chǎn)生 莎梵婷（Surfactin)-枯草芽孢桿菌生產(chǎn) （三）脂肪酸（四）磷脂 Surfactin5960二、生物表面活性劑的生產(chǎn)菌 微生物發(fā)酵法生產(chǎn)生物表面活性劑的生產(chǎn)菌種大致可分

43、為三類。一類是嚴(yán)格以烷烴作為碳源的微生物，如棒狀桿菌Corynebacterium sp；一類是以水溶性底物為碳源的微生物，如桿菌Bacillus sp；另一類可以以烷烴和水溶性底物兩者作為碳源，如假單胞菌Pseudomonas sp。61Candida bombicola 假絲酵母 cells producing crystalline sophorolipids槐糖脂62三、生物表面活性劑的合成 生物表面活性劑的生物合成途徑多種多樣，有從頭合成疏水部分、親水部分或者兩者都合成。實(shí)際生產(chǎn)中，利用非從頭合成。通過改良碳源如糖類、烷烴等來生產(chǎn)，各種不同碳源基質(zhì)常常能被結(jié)合進(jìn)生物表面活性劑，形成一

44、屬有關(guān)的分子。 以烴類為基質(zhì)生產(chǎn)的生物表面活性劑是生物表面活性劑中的一大類，許多微生物都可以以烴類為單一碳源生長。酵母菌和真菌主要利用直鏈飽和烴，細(xì)菌則除了降解異構(gòu)烴或環(huán)烷烴以外，還利用不飽和烴和芳香族化合物。63 微生物降解烴類存在的主要問題是烴的憎水性。各種微生物以不同方式解決這一問題。細(xì)菌和酵母菌通過分泌離子型表面活性劑，使培養(yǎng)基中的烴基質(zhì)乳化。另一些微生物則產(chǎn)生非離子表面活性劑?？傊?在烴基質(zhì)培養(yǎng)時，各種微生物都產(chǎn)生有利于烴基質(zhì)被動擴(kuò)散而進(jìn)人細(xì)胞內(nèi)的效應(yīng)，這是通過由微生物產(chǎn)生的一大類物質(zhì)起作用。這類物質(zhì)也就是所謂的“生物表面活性劑” 。Involvement of biosurfact

45、ant (rhamnolipid) produced by Pseudomonas sp in the uptake of hydrocarbons. 64鐵硫蛋白-NADH氧化還原酶鐵硫蛋白單氧酶直鏈飽和脂肪烴再有氧條件下能被某些微生物分解。分解的方式有末端氧化、亞末端氧化和兩末端氧化三種方式，大多數(shù)的烴微生物利用末端氧化方式分解直鏈飽和脂防烴。65四、生物表面活性劑合成分子機(jī)制66Fig. 1.Overview of the factors directly or indirectly involved in gene regulation of rhamnolipid productio

46、n. Green lines indicate transcriptional/translational activation and red line repression. Dashed lines indicate enzymatic activity (substrate not shown). 67681、生物表面活性劑生產(chǎn)中的代謝調(diào)節(jié)生物表面活性劑合成前體的代謝途徑有多種，在某種程度上取決于主要碳源的性質(zhì)。從碳水化合物合成糖脂表面活性劑時，有關(guān)的微生物代謝主要是糖解和脂肪形成；當(dāng)以烴類為基質(zhì)時，主要是脂解和糖原異生。69 微生物產(chǎn)生生物表面活性劑常常以烴類為基礎(chǔ)，然而也能以碳水化

47、合物為基質(zhì)。 雖然生物表面活性劑分子由糖和類脂兩部分構(gòu)成，但在以碳水化合物為基質(zhì)時，整個分子的合成速度受類脂的合成速度所控制。因此，影響碳水化合物基質(zhì)中脂肪酸形成的因素同樣也可能影響生物表面活性劑的合成。 70圖7-1 從從碳水化合物基質(zhì)合成生物表面活性劑前體的中間代謝 A一磷酸果糖激酶 B一丙酮酸激酶 C一異檸檬酸脫氫酶 DATP檸檬酸裂合酶和丙酮酸脫氫酶 A、B 、 C和D為關(guān)鍵酶712. 烴代謝的控制機(jī)理 脂肪酸可以從烴，如正構(gòu)烷烴合成得到。然后，脂肪酸基可以很方便地構(gòu)成表面活性劑分子。但是，由于表面活性劑分子中還含有糖部分，它的合成必須經(jīng)由糖異生途徑，即通過-氧化將脂肪酸氧化到乙酰一C

48、oA，或?qū)⑵鏀?shù)碳脂肪酸氧化到丙酰一CoA 。這樣，在異檸檬酸裂合酶的作用下，經(jīng)過蘋果酸、乙醛酸循環(huán)，烴類氧化得到的乙酰一CoA最終轉(zhuǎn)化成草酰乙酸。它隨后由磷酸烯醇式丙酮酸羧基激酶催化形成磷酸烯醇式丙酮酸。72 圖7-2 從烴基質(zhì)合成生物表面活性劑前體的中間代謝A一異檸檬酸裂合酶 B一蘋果酸合成酶 C一磷酸烯酸式丙酮酸羧基激酶 D1，6二磷酸果糖酶 A、B 、C和D為關(guān)鍵酶733. 生物表面活性劑合成的調(diào)節(jié) 生物表面活性劑的合成可通過油性物質(zhì)的誘發(fā)作用、葡萄糖等物質(zhì)的代謝抑制、限氮及限多價陽離于以及其他作用方法調(diào)節(jié)。此外，改變微生物生長速度常常會使生物表面活性劑過量生產(chǎn)。溫度對生物表面活性劑合成

49、也有調(diào)節(jié)作用。 目前研究最多的是烴和其他不溶于水的物質(zhì)誘發(fā)微生物生產(chǎn)生物表面活性劑的調(diào)節(jié)方式。74 據(jù)認(rèn)為，烴的存在對生物表面活性劑的生成起誘導(dǎo)作用，且發(fā)現(xiàn)在生長培養(yǎng)基中添加烴時生長的細(xì)胞在形態(tài)學(xué)上有顯著的差異。 烴的類型可能也很重要。例如不動桿菌生產(chǎn)的乳化劑對特定烴類有一定的專一性。 75 利用DNA技術(shù)控制生物表面活性劑生產(chǎn)進(jìn)展很慢，目前用遺傳工程生產(chǎn)生物表面活性劑的例子只有將乳糖利用基因在銅綠假單胞菌中的表達(dá)，使得其在乳糖或乳酪清中得以生長并生產(chǎn)鼠李糖脂。76六、生物表面活性劑的生產(chǎn)生產(chǎn)生物表面活性劑的微生物可分為三類： 完全以烷烴為碳源生產(chǎn)表面活性劑，如 Arthrobacter sp

50、; 僅以水溶性底物為碳源，如Bacillus sp; 以烷烴和水溶性底物為碳源，如Pseudomonas sp。77 與其他微生物發(fā)酵一樣，生物表面活性劑生產(chǎn)的目的是獲得最大的產(chǎn)率、轉(zhuǎn)化率和最終濃度。另外，減少其他代謝產(chǎn)物的積累十分重要，因?yàn)樗鼈儠绊懏a(chǎn)品的物理性質(zhì)和提取過程。（一）培養(yǎng)基1.碳源是影響生物表面活性劑結(jié)構(gòu)和產(chǎn)量的關(guān)鍵。 加入烷烴對生物表面活性劑 的生產(chǎn)既可能起誘導(dǎo)作用，也可能起阻礙作用。生物表面活性劑前體物質(zhì)（蔗糖）的加入可以形成甘油脂親水支鏈的組成部分，同樣脂肪酸部分的結(jié)構(gòu)也受烷烴鏈長的左右。782.氮、磷、金屬離子和其他添加劑等營養(yǎng)成分也可能會影響生物表面活性劑的生產(chǎn)。例如，Bacillus lichenifomis JF-2的脂肽生物表面活性劑的生產(chǎn)中，