水解能源作物纖維素相關微生物

可分解纖維素之生物在自然界中到處存在，包含單細胞動物、真菌、細菌(好 氧性微生物與厭氧性微生物以及嗜溫性細菌、嗜熱性細菌等)。而其生長環境包括 土壤、沼澤濕地、河川湖泊、海水沈積物、腐壞的葉子、枯木及污泥等 (Ljungdahl

＆ Eriksson, 1985; Stutzenberger, 1990)。

一、纖維素(Cellulose)厭氧好氧分解菌

許多細菌具有分解纖維素的能力 (如表 2-7，2-8)，在厭氧狀態下，纖維素 經厭氧細菌分解反應後，其分解產物有乙酸、H2、CO2及醇類。而根據 Ljungdahl

＆ Eriksson (1985)研究指出，在自然的環境下，纖維素大部分被好氧真菌和細菌 氧化為 CO2；而大約只有 10％纖維素會被厭氧的微生物將其轉換為甲烷。

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)；在污泥中分離出 Clostridium thermocellum LQRI (Lamed and Zeikus, 1980)；以及在棉絮中分離出 Clostridium thermocellum JW20 (Ljungdahl et al., 1981)。

表2-7 目前已知可分解纖維素之厭氧性微生物 Anaerobes (厭氧性微生物) /Facultative aerobes Acetivibrio cellulolyticus

Bacteroides (Fibrobacter) succinogenes Bacteroides cellulosolvens

Bacteroides xylanolyticus Butyrivibrio fibrisolvens Caldocellum saccharolyticum Clostridium acetobutylicum Clostridium cellobioparum Clostridium cellulolyticum Clostridium cellulovorans Clostridium josui

Clostridium papyrosolvens Clostridium stercorarium Clostridium thermocellum Clostridium thermocopriae Erwinia carotovora

Erwinia chrysanthemi

Eubacterium (cillobacterium) cellulosolvens Micromonospora propionici^a

Micromonospora ruminantium^a Pseudonocardia thermophila Ruminococcus albus

Ruminococcus flavefaciens

Thermoanaerobacter cellulolyticus

aNo longer recognized as true members of genus, or by this name or by inclusion in Bergey’s Manual (1984-1989).

表2-8 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 tenuissima^a Actinoplanes brasiliensis Cytophaga winogradskii^a Actinoplanes phillipinensis Frankia sp

Actinopolyspora halophila Herpetosiphon geysericolus

Archangium spp. Microbispora bispora

Arthrobacter spp. Micromonospora aurantiaca^a

Bacillus brevis Micromonospora chalcae

Bacillus cereus Micromonospora inositola

Bacillus coagulans Micromonospora melanosporea

Bacillus firmus Micromonospora olivasterospora

Bacillus licheniformis Polyangium spp.

Bacillus pasteurii Pseudomonas fluorescens var. cellulosa

Bacillus polymyxa Pseudomonas solanacearum

Bacillus pumilus Serratia marcescens

Bacillus stearothermophilus Sorangium spp.

Bacillus subtilis Sporocytophaga myxococcoides Cellulomonas biazotea Staphylococcus saprophyticus Cellulomonas cellulans (formerly C. cartae) Streptomyces albogriseolus Cellulomonas cellasea Streptomyces celluloflavus Cellulomonas fermentans^a Streptomyces cellulosae Cellulomonas fimi Streptomyces flavogriseus Cellulomonas flavigena Streptomyces lividans Cellulomonas gelida Streptomyces nitrosporeus Cellulomonas turbata^a Streptomyces olivochromogenes Cellulomonas uda Streptomyces thermodiastaticus Cellvibrio flavescens^a Streptomyces thermovulgaris Cellvibrio fulvus^a Streptomyces viridosporus Cellvibrio gilvus^a Thermoactinomyces cellulosae Cellvibrio mixtus^a Thermomonospora curvata Cellvibrio ochraeus^a Thermomonospora fusca Cellvibrio viridus^a Xanthomonas albilineans Cellvibrio vulgaris^a Xanthomonas campestris Corynebacterium michiganense

Cytophaga aprica

Cytophaga aurantiaca Cytophaga hutchinsonii Cytophaga johnsonae

Cytophaga krzemieniewskae^a Cytophaga pectinovora Cytophaga rubra^a

aNo longer recognized as true members of genus, or by this name or by inclusion in Bergey’sManual(1984-1989).

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，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，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、水解纖維素相關研究

黃美燕(2006) 的研究指出，以中台灣某廢紙回收造紙廠之廢水初沉池水樣 中，培養出降解纖維素產甲烷之嗜熱厭氧混合菌群，此嗜熱厭氧菌群以濾紙或 α-纖維素為主要碳源，以批次方式培養在不同的溫度、pH 值、碳源。不同纖維來源，

包括 α-纖維素、濾紙、影印紙、瓦楞紙、報紙及稻稈及鹼度的條件下生長。結 果顯示此嗜熱厭氧生物降解纖維素產甲烷之最佳溫度與 pH 值分別為 70℃與 pH 6.8 以最佳化生長條件培養時，有最高之纖維降解速率為 1.66 g‧L^-1day^-1，且可 生成最高 4287±73 μmole 之甲烷生成。王馨怡(2006)的研究中指出乳牛所排放 出之糞便中，培養出能降解纖維素產生乙醇的嗜熱厭氧穩定菌群。研究菌群以濾

紙為纖維素基質，其最佳乙醇生成溫度及 pH 值分別為 55-60℃左右及 pH 7.7；

增加氮源濃度至培養基內的最佳乙醇產率之添加濃度均為 1g/l；最佳產乙醇率之 濾紙濃度為 8g/l；降解不同紙類產生乙醇能力為濾紙＞影印紙＞卡紙＞報紙。培 養基內濾紙(10g/l)可於九天內被研究菌群完全降解，其最終乙醇的產率約為 0.29g ethanol/g cellulose。

吳奇生(1986)的研究中指出利用纖維素物質醱酵生產化學合成中間產物，可 分解纖維素物質之菌株clostridium thermocellum經誘導變異及耐醋酸變異株 篩選，可提高醋酸生成量約為原來之 5 倍。許景富(2003)的研究中指出 在混合 物實驗法發現 55℃時，產氫最好條件的組合量配比是Clostridium

butylicum/Clostridium thermocellum：纖維素為 1/1/1。而在 40℃時，產氫最 好條件的組合量配比是Clostridium butylicum /Clostridium thermocellum / 纖維素為 2/0.5/0.5。由以上文獻可以得知，利用可以水解纖維素的微生物菌種，

可以得到好的產能結果。