水解微生物裂解纖維素

在都市、森林與農業廢棄物中，纖維質廢棄物約佔有40-70 %（Burrell et al., 2004々Van Wyk, 2001）纖維素含量甚高。纖維素在自然界中是一種很豐富的多醣 體，而對環境來說更是種友善的生質材料，亦可再經生物轉換成其它再生能源。

近年有許多學者發現以纖維素或纖維質廢棄物進行生物分解產能之研究比直接 焚化更具有能源再生的潛能（Cooney et al., 1987々Van Wyk, 2002々Cowan, 1992;

Yang et al., 2004々Thanakoses et al., 2003）。而本研究所選用之基質為農業廢棄物 花生殼，花生殼含有高量的纖維素，適合用於水解醱酵以產氫。

一、具纖維素分解能力的生物

具纖維素分解能力的微物，包括、真菌或放線菌等，對此類微生物而言，纖 維素分解酵素可以幫助其分解纖維素，作為碳源利用，部分微生物產生纖維素分 解酵素以幫助孢子萌發，或破壞宿主細胞的細胞壁，例會與豆科植物形成共生的 根瘤菌。而真核生物的植物，會生產纖維素水解酵素，造成細胞的生長，又如植 物種子含有纖維素分解酵素，可幫助種子萌發。

具纖維素分解能力的生物多數為細菌、真菌和放線菌，就目前研究所知，真 菌類可產生各種纖維素水解酵素，包含內切型、外切型纖維素水解酵素和β-葡萄 糖苷酵素，構成一完整纖維素水解系統，其中木黴菌（Trichoderma reesei）是研 究應用上最多也最常見的一種。相對於真菌類完整的纖維素水解系統，只有少部 分細菌可生產外切型纖維素水解酵素，例如部分細菌並不生產 cellobiase，而是以 cellobiose phosphorylases 和 cellodextrin phosphorylases 來 分 解 纖 維 雙 醣

（cellobiose）和纖維糊精（cellodextrins）。目前已發現能產生纖維素分解酵素的 細 菌 包 括 〆 Clostridium, Cellulomonas, Bacillus, Thermomonospora, uminococcus,Bacteroides, Erwinia, Acetivibrio, Streptomyces, Cellvibrio, Pseudomonas,Rhizobium 和 Microbispora 等。在許多細菌中也具有分解纖維素的 能力（如表 2-4，2-5 所示）。

其纖維素被水解的反應式如下〆 Anaerobes （厭氧性微生物）/Facultative aerobes

Acetivibrio cellulolyticus

Bacteroides (Fibrobacter) succinogenes Bacteroides cellulosolvens

Eubacterium (cillobacterium) cellulosolvens Micromonospora propionici ^a

Micromonospora ruminantium ^a Pseudonocardia thermophila Ruminococcus albus

Ruminococcus flavefaciens

Thermoanaerobacter cellulolyticus

a No longer recognized as true members of genus, or by this name or by inclusion in Bergey’s Manual （1984-1989）.

資料來源〆Bergey, David, Krieg, Moeir & John（2001）

表 2-5 目前已知可分解纖維素之好氧性微生物 Aerobes（好氧性微生物）/Facultative anaerobes Acidothermus cellulolyticus Cytophaga johnsonae

Actinoplanes brasiliensis Cytophaga krzemieniewskae ^a Actinoplanes phillipinensis Cytophaga pectinovora Actinopolyspora halophila Cytophaga rubra ^a Archangium spp. Cytophaga tenuissima ^a Arthrobacter spp. Cytophaga winogradskii ^a

Bacillus brevis Frankia sp

Bacillus cereus Herpetosiphon geysericolus Bacillus coagulans Microbispora bispora

Bacillus firmus Micromonospora aurantiaca ^a Bacillus licheniformis Micromonospora chalcae Bacillus pasteurii Micromonospora inositola Bacillus polymyxa Micromonospora melanosporea Bacillus pumilus Micromonospora olivasterospora Bacillus stearothermophilus Polyangium spp.

Bacillus subtilis Pseudomonas fluorescens var. cellulosa Cellulomonas biazotea Pseudomonas solanacearum

Cellulomonas cellulans (formerly C. cartae) Serratia marcescens Cellulomonas cellasea Sorangium spp.

Cellulomonas fermentans ^a Sporocytophaga myxococcoides Cellulomonas fimi Staphylococcus saprophyticus Cellulomonas flavigena Streptomyces albogriseolus Cellulomonas gelida Streptomyces celluloflavus Cellulomonas turbata ^a Streptomyces cellulosae Cellulomonas uda Streptomyces flavogriseus Cellvibrio flavescens ^a Streptomyces lividans Cellvibrio fulvus ^a Streptomyces nitrosporeus Cellvibrio gilvus ^a Streptomyces olivochromogenes Cellvibrio mixtus ^a Streptomyces thermodiastaticus Cellvibrio ochraeus ^a Streptomyces thermovulgaris Cellvibrio viridus ^a Streptomyces viridosporus Cellvibrio vulgaris ^a Thermoactinomyces cellulosae Corynebacterium michiganense Thermomonospora curvata

Cytophaga aprica Thermomonospora fusca

Cytophaga aquatilis Xanthomonas albilineans Cytophaga aurantiaca Xanthomonas campestris Cytophaga hutchinsonii

a No longer recognized as true members of genus, or by this name or by inclusion in Bergey’s Manual（1984-1989）.

資料來源〆Bergey, David, Krieg, Moeir & John（2001）

目前至少有 85 種 Clostridium （梭狀芽孢桿菌屬）被發現（Cato et al., 1986）， 雖然大部分的 Clostridium 無法分解纖維素，但在能夠分解纖維素的微生物中，

Clostridium 仍佔了相當量的族群。Clostridium 屬於中溫菌，而依過去許多的研 究中便可發現，在許多有機物中可分離出 Clostridium（Duong et al., 1983）。例 如，在動物糞肥中分離出（Viljeon et al., 1926; McBee, 1950, 1954）々在污泥中分 離出 Clostridium thermocellum LQRI（Lamed & Zeikus, 1980）々以及在棉絮中分 離出 Clostridium thermocellum JW20（Ljungdahl et al., 1981）。

國內生物資源保存及研究中心生物資料庫發現，在所有分解纖維素的細菌 中，以 Clostridium thermocellum 及 Clostridium cellulolyticum 最有分解纖維素潛 力，其生長環境，Clostridium thermocellum JW20 可生長在纖維素、木質素中々而 Clostridium thermocellum 生長在纖維素中的一個特徵是會產生一種黃色色素物質

（YAS）（Ljungdahl et al., 1983），除此之外，此株菌亦可生長在葡萄糖、果糖、

木糖中，在最適生長環境方面，pH 約介於 6.1-7.5 之間，溫度為 28-69 ℃間（最 理想之溫度為 60℃），而當以 cellulose 及 cellobiose 為基質時，其生長的適應時間 分別為 6.5 hrs 及 2.5 hrs。而 Clostridium cellulolyticum 在 pH 7.5、溫度 35℃時，

有最佳的生長狀況。

二、纖維素水解

纖維素是植物結構的主要物質（如圖 2-1 所示），其主要以 D-glucose 為基本 單體，單體之間的鍵結藉由〆α-1, 4-glucosidic bonds 聚合成直鏈狀巨分子，與相 鄰的葡萄醣分子重複形成直鏈狀巨分子，而鏈的長度約為 100~14,000 個葡萄醣 分子，鏈與鏈之間，利用氫鍵彼此鍵結，以帄行排列並折疊成緊密且結晶度高的 多醣體，纖維長鏈之間的氫鍵結形成穩固結構的結晶型（crystalline domain）纖 維（如圖 2-2 所示），具有極穩定不溶於水且不易分解的特性，需要以化學或生物 方式水解成簡單的醣類，這些分子較小的醣類即可提供其它生物利用，水解方式 包括化學與酵素或生物方式，化學方式包含酸水解、超臨界二氧化碳與濕氧化等 方式，化學方式多以強酸或高溫高壓進行水解，且處理反應劑量與時間控制不

易，容易過度分解成其它副產物或反應不完全（Kim and Hong,2001々Fox and Noike, 2004）。生物處理可以免除化學處理的缺點，利用添加纖維分解酵素（cellulases）

或真菌、纖維素分解菌群將纖維水解成可溶解醣類（Shoham et al.,1999），操作簡 易更可降低操作管理的成本，且纖維素分解菌群本身具有纖維分解酵素，與直接 添加酵素的成效相當，皆具有纖維素分解為醣類並同時醱酵的功能，由纖維素分 解後產生的醣類或酸類如葡萄醣、纖維雙醣、醋酸等，可加以運用成為生質能材 料來源，對於環境是種友善兼具產能的方式（Zeikus, 1979々Van Wyk, 2001）。

圖 2-1 植物纖維素細胞壁的排列示意圖（Murphy and McCarthy, 2005 a）

圖 2-2 纖維長鏈之間的氫鍵結形成穩固結構的結晶型纖維示意圖