纤维素体与木质素降解的转化成果

7.3.1.1　纤维素的转化

纤维素是葡萄糖的高分子聚合物，隶属于碳水化合物。碳水化合物是由碳、氢和氧3种元素所组成，它是动植物能量的主要来源。含有碳水化合物的工业废水主要来自造纸、纺织、食品、医药等工业企业。在生活污水中，碳水化合物是不含氮有机物质的主要成分，其量约占污水中有机物总量的40%～50%。

碳水化合物可分为3类：单糖、二糖和多糖，其通式为Cx（H2O）y。单糖是最简单的一类碳水化合物，葡萄糖（C6H12O6）就是单糖的一种。二糖是水解后能生成两个分子单糖的碳水化合物，属于这一类的糖有乳糖、蔗糖和麦芽糖等，它们的分子式都是C12H22O11。多糖是水解后能生成很多个分子单糖的碳水化合物，淀粉、纤维素等都是属于这一类的糖，它们的分子式可用（C6H10O5）n来表示，其中n代表一个很大的数字，例如淀粉的n约为22～28，纤维素的n约为100～200。

在树木、农作物和以这些为原料的工业产生的废水（如棉纺印染废水、造纸废水、人造纤维废水等）及城市垃圾中，都含有大量纤维素。

自然界中，分子结构复杂的有机物质如纤维素必须经微生物（主要是细菌）胞外酶的作用水解成可溶性的较为简单的物质（如葡萄糖）后，才能被菌体吸收。由于水解作用是在微生物体外进行的，产物可被微生物自己吸收，也可以被其他微生物利用。这些物质进入菌体细胞后，除一部分用于形成菌体的成分外，其余部分则在呼吸作用中进行着不同的转化过程，形成不同的产物。

纤维素在微生物（主要是细菌）酶的作用下沿下列途径分解，如图7.14所示。

参与分解纤维素的微生物主要有细菌、放线菌和真菌等，其中细菌研究得较多。好氧的纤维素分解菌中，黏细菌占重要地位，如生孢食纤维菌、食纤维菌、堆囊黏菌等。它们都是革兰阴性菌。好氧纤维素分解菌还有镰状纤维菌和纤维弧菌。黏细菌和弧细菌皆能同化无机氮（主要是硝酸氮），对氨基酸、蛋白质和其他无机氮利用能力较低，有的还能还原硝酸盐为亚硝酸盐。其最适宜的温度为22～30℃，在10～15℃便能分解纤维素，其能承受的最高温度为40℃。最适宜的pH值为7～7.5，pH值为4.5～5.0时不能生长，其承受的pH值最高可达8.5。厌氧分解纤维素菌有产气纤维二糖芽孢梭菌、无芽孢厌氧分解菌及嗜热纤维芽孢梭菌。好热性厌氧分解菌最适宜温度为55～65℃，最高承受温度为80℃，最适pH值为7.4～7.6；中温性菌最适pH值为7.0～7.4，在pH值为8.4～9.7还能生长。它们都为专性厌氧。

图7.14　纤维素的分解图主题

分解纤维素的微生物还有青霉、曲霉、镰刀霉、木霉和毛霉等。有好热真菌属和放线菌中的镰霉菌属。它们在23～65℃生长，最高温度为50℃。细菌的纤维素酶结合在细胞质膜上，是表面酶。真菌和放线菌的纤维素酶是胞外酶，可分泌到培养基中，通过过滤和离心很容易分离得到。(www.xing528.com)

7.3.1.2　半纤维素的转化

半纤维素存在于植物的细胞壁中，在植物组织中含量很高。其组成含有聚戊糖（木糖和阿拉伯糖）、聚己糖（甘露糖、半乳糖）及聚糖醛酸。除了土壤含有半纤维素外，造纸工业废水、人造纤维工业废水等也含有半纤维素。

半纤维素易被土壤微生物分解，能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、假单胞菌和放线菌能分解半纤维素。霉菌中的根霉、曲霉、青霉、小克银汉霉及镰刀霉等也能分解半纤维素。其分解过程如图7.15所示。

图7.15　半纤维素的分解

7.3.1.3　木质素的转化

木质素是植物木质化组织的重要成分，在植物性有机废物中含量仅次于纤维素和半纤维素。稻草杆、芦苇、麦秆和木材是造纸工业的原料，木材是人造纤维的原料。因此，造纸和人造纤维废水均含有大量木质素。木质素的化学结构一般认为是以苯环为核心、带有丙烷支链的一种或多种芳香族化合物经氧化缩合而成。

分解木质素的微生物主要是担子菌纲中的干朽菌、多孔菌、伞菌等的一些种，有厚孢毛霉与松栓菌。假单胞菌的个别种也能分解木质素。微生物分解木质素的速率比较缓慢，在好氧条件下分解木质素比在厌氧条件下快，真菌分解木质素比细菌快。