碳循环的其他方式及生物多聚物的降解

四、碳循环的其他方式及生物多聚物的降解

碳的循环转化中除了最重要的CO₂外，还有甲烷、CO等。烃类物质(如甲烷)可由微生物活动产生，也可被甲烷氧化细菌所利用。藻类能产生少量的CO并释放到大气中，而一些异养和自养的微生物能固定CO作为能源(如氧化碳细菌)。生物多聚物是活跃的碳库，微生物对生物多聚物的降解是微生物在碳循环中所发挥的重要作用。

1．甲烷

通过甲烷也是碳循环中一种重要方式。大部分甲烷是微生物在厌氧环境下发酵有机物产生的，但自然的火山活动也产生小部分甲烷(表4-5)。与CO₂的量(大气为6.7×10¹¹吨)相比，甲烷的量(每年向大气释放3.5×10⁸～8.2×10⁸吨)是微不足道的，因此甲烷在总碳循环中不占重要地位。但甲烷释放可以造成多方面的环境问题，甲烷也是一种温室气体，其截留热的效率是CO₂的22倍，另外填埋场局部产生的甲烷可以造成安全的问题，甲烷在5%那样低的浓度就可以引起爆炸。如果甲烷浓度超过35%就应该收集作为能源，然而一般都未加收集，因此大量甲烷的产生很明显会加剧全球变暖的趋势。

表4-5　　　　　　　　　　释放到大气中甲烷量的估测

引自madigan et al.(1997)。

甲烷菌主要通过乙酸脱羧和还原CO₂生成甲烷，也能利用其他的一碳化合物甲醇、甲酸形成甲烷。由于只有少量的碳化合物被甲烷菌利用，因此甲烷菌依赖周围环境的其他微生物产生的这些化合物，这样就在厌氧环境中形成相互依赖的微生物群落。在这种群落中更加复杂的有机物被厌氧发酵或呼吸的群体所代谢，产生的简单有机碳化物，然后被甲烷菌所利用。

甲烷在环境中广泛存在，其可被甲烷营养菌利用作为碳源和能源。甲烷营养菌是化能异养和专性好氧的。它们代谢甲烷如下式:

甲烷营养菌利用甲烷的第一个酶是加氧酶，其把O₂掺入底物。这种加氧酶是烃开始降解的重要酶，特别值得注意的是这些酶能共代谢高氯化溶剂(如TCE)。甲烷菌共代谢降解能力可用于TCE类化学污染土壤和地下水的生物修复。这个例子说明深入研究自然发生的微生物活动能用于解决污染问题。

2.CO和其他C₁化合物

自然和人为活动可以产生大量的C₁化合物(表4-6)。CO是CO₂以外最重要的C₁化合物。CO的年总量是3×10⁹～4×10⁹吨/年，非生物来源是主要的，约1.5×10⁹吨/年产于木材、森林和矿物燃料的燃烧;小部分(0.2×10⁹吨/年)是海洋和土壤中生物活动的结果。CO与细胞质具有高亲和力，能完全抑制呼吸电子传递链的活性，具有很高的毒性。

表4-6　　　　　　　　　　环境中重要的C₁化合物

和CO的产生一样，CO的消除也包括非生物和生物作用两个方面。而且消除也是相当有效的。尽管工业革命以来向大气中排放的CO不断增加，但大气中CO水平并没有明显提高。陆地环境是CO的吸收库，吸收量大约0.4×10⁹吨/年。

CO等C₁化学物可被许多微生物转化，能够利用还原态C₁化合物作唯一碳源和能源生长的特殊微生物群称为甲基营养菌(methylotrophs)。甲基营养菌一词并不确切，因为有些甲基营养菌的底物并不含任何甲基(如甲酸和CO)。有的学者把甲烷营养菌(methanotrophs)归入甲基营养菌，但有人不赞成这种观点。甲基营养菌的黄碳酸单胞菌(Pseudomonas carboxydoflava)、氢碳酸假单胞菌(Pseudomonas carboxydohydrogena)等碳酸盐细菌(carboxydobacteria)能利用CO作为碳源和能源，它们具有利用CO的关键酶CO-氧化还原酶，催化下列的反应:

这类细菌是化能自养型，并固定反应过程中产生的CO₂为有机碳，产生氢的氧化为CO₂固定提供能源。但它们利用CO的生长是低效率的，生长较慢，被氧化的CO中仅4%～16%被固定为细胞碳。它们也能利用氢，并且生长较快，当氢与CO混合在一起时，氢更易于被利用，而CO利用受到抑制。因此碳酸细菌也被称为氢细菌。

厌氧条件下，CO能被某些甲烷菌如巴氏甲烷八叠球菌(Methanosarcina barkeri)用H₂还原成CH₄。

甲酸、甲醇、甲醛等C₁化合物也可以被甲基营养菌所利用。根据生理特性，可将甲基营养菌分成三类。第一类是异养甲基营养菌(heterotrophic methylotropyhs)，它除了利用还原态C₁化合物之外，还可利用各种各样多碳化合物生长。第二类为自养甲基营养菌(autortophic methylotrophs)，它们先将还原态C₁生长基质氧化成CO₂，然后再利用其生长。第三类是专性甲基营养菌(obigate methylotrophs)，其没有可供变通的生存方式，它们只利用还原态C₁化合物生长，而且在许多情况下只能利用其中一种或两种。许多甲基营养菌有很强的脱卤能力，从水稻土中分离到的假单胞菌No 66能以一氯乙酸和二氯乙酸作唯一碳源生长。除了代谢卤化物外，某些甲基营养菌能利用农药(如甲胺磷)作碳、氮、磷源生长，因此在治理和消除化学农药的污染中起很大的作用。

3.乙酸等二碳化合物

热醋梭菌和伍氏醋酸杆菌(Acetobacteriumwoodii)等产乙酸菌能按下述反应用H₂还原CO₂形成乙酸。

产乙酸菌除了可用H₂还原CO₂产生乙酸外，也能发酵CO、甲酸和甲醇产生乙酸，许多代谢性质类似于甲烷细菌。

与甲烷菌利用CO₂、H₂产甲烷的反应相比，产乙酸的反应所产能量较少，是低效率的。在利用CO₂、H₂底物中甲烷菌与产乙酸菌存在着竞争，用CO₂、H₂富集得到的是甲烷菌而不是乙酸菌。但在自然环境中两类细菌却是共存的，已经在同一生物絮体(floc)和生物膜中分离到这二类细菌，利用乙酸盐的甲烷菌能转化乙酸菌形成的乙酸产生甲烷。这样可以防止它们积累达到抑制浓度。甲烷菌在能量上更加有效，而兼性化能无机营养产乙酸菌能利用广泛范围的底物，且对低pH值有更大的耐受性。

4.生物多聚物的降解

生物多聚物是环境中有机碳的主要组成形式，也是生态环境中异养生物的营养基础。三类最常见的多聚物是植物多聚物——纤维素、半纤维素和木质素(表4-7)，还有淀粉、几丁质和肽聚糖等多聚物。从结构上说它们大多是多糖类多聚物，以及以phenylpropane为基础的多聚物(木质素)。

表4-7　　　　　　　　　　植物有机成分的主要类型

(1)纤维素

纤维素不仅是最丰富的植物多聚物，也是地球上最丰富的多聚物。它由1000到10000个葡萄糖亚单位组成，分子量达1.8×10⁶U。微生物依靠释放胞外酶来进行胞外的多聚物的降解。有二种胞外酶开始纤维素的降解，这就是β-1，4-内切葡聚糖酶和β-1，4外切葡聚糖酶。内切葡聚糖酶随意水解多聚物纤维素分子，产生越来越小的纤维素分子。外切葡聚糖酶从纤维素的还原端开始连续水解出两个葡萄糖亚单位，释放出两个糖的纤维二糖。第三个酶称为β-葡萄糖苷酶或纤维二糖酶，水解纤维二糖成葡萄糖。纤维二糖酶可存在于胞内外。纤维二糖和葡萄糖可为微生物的细胞所吸收。

纤维素可在好氧、厌氧、低温、高温、土壤、水体等多种生态环境中被降解。分解纤维素的微生物主要是真菌和细菌。真菌包括曲霉属、镰孢属、茎点霉属和木霉属的成员;细菌包括噬纤维菌属、多囊菌属、纤维单胞菌属、链霉菌属、弧菌属和梭菌的成员。因不同的生境，及不同pH值、氧、温度条件降解纤维素的微生物群落组成和优势种群会有所不同。

(2)半纤维素

半纤维素是仅次于纤维素最常见的植物多聚物。这种分子比纤维素更加异质，由几种单糖包括各种己糖、戊糖和糖醛酸组成的复合物。分子量约40000U。此外多聚物有分支而不是线状。半纤维素的降解过程和纤维素类似，但其分子更加异质性，因此有更多的胞外酶参与。

半纤维素比纤维素易于分解，许多真菌和细菌都可以产生木聚糖酶而能攻击半纤维素，主要有芽孢杆菌属、生孢噬纤维菌属细菌。

(3)其他多糖类多聚物

①淀粉、果胶:其他植物产生的多糖类多聚物包括淀粉、腊和果胶。淀粉可被大量产生α-淀粉酶的真菌和细菌所降解。好氧条件下米曲霉(真菌)、浸麻芽孢杆菌(细菌)是重要的分解菌。厌氧条件下，核菌是主要的分解菌。果胶可被许多真菌和细菌所分解。某些植物病原性真菌(如葡萄孢)、细菌(如灰胡萝卜软腐欧文氏菌)具有果胶降解活性。在自然环境中能形成芽孢的浸麻芽孢杆菌和多黏芽孢杆菌是活跃的果胶降解菌。

②几丁质:几丁质是乙酰化氨基糖多聚物，见于各种真菌的细胞壁和包括微型甲壳纲在内的节肢动物的骨架结构。海洋和陆地环境中的几丁质总的产量可达数百万mta(many million mta)，这些多聚物的大部分被微生物降解。几丁质酶从还原端或以随意的方式打断多聚物，最终得到的主要是二乙酰壳二糖单位。其可被乙酰氨基葡萄糖苷酶水解成N-乙酰葡萄糖胺单体。另一种攻击方式是几丁质去乙酰得到壳聚糖，后来用脱乙酰多糖酶解聚这种产物得到壳二糖亚单位。氨基葡萄糖苷酶完成降解成葡萄糖胺单体。许多细菌、放线菌和真菌具有解聚和利用几丁质的能力。此外许多无脊椎动物能产生它们自己的几丁质降解酶，其中肠道微生物对几丁质消化作出重大贡献。

③琼脂:许多海洋藻类可以产生琼脂，其仅为土壤杆菌属、黄杆菌属、芽孢杆菌属、假单胞菌属和弧属的少数细菌种所分解。这些能利用琼脂的细菌附着在藻类表面。由于仅少数微生物能解聚琼脂，因此适合作大部分微生物培养基的固化剂。

(4)木质素

木质素是第三种最常见的植物多聚物，在结构上和所有的糖类多聚物明显不同。木质素基本构架是两种芳香氨基酸酪氨酸和苯丙氨酸。这些被转化成Phenylpropene亚单位，如coumaryl醇、coniferyl醇和sinapyl醇。500～600个phenylpropene亚单位随意聚合，而形成无定型芳香环多聚物。

木质素的降解比其他有机多聚物要慢。其降解速度慢是由于其结构上是高度异质性的多聚物，此外含有芳香基(aromatic residues)，而不是糖基。分子的巨大异质性阻碍特殊的降解酶(与纤维素相比)的进化(即没有进化出专一性降解酶)，代之以非专一性胞外酶，依赖H₂O₂木质素过氧化物酶和胞外氧化酶。胞外氧化酶可产生H₂O₂，过氧化物酶和H₂O₂系统产生以氧为基础(oxygen-based)的自由基，自由基和木质素多聚物反应释放出phenylpropene亚单位。它们能被微生物细胞吸收和降解(图4-4)。整体木质素多聚物的降解仅见于好氧环境，这是因为释出木质残基的反应是需氧的。但当基团释出时，它们能在厌氧条件下降解。能降解木质素的微生物众多，包括真菌、放线菌和细菌。研究得最多的能降解木质素的微生物是白腐真菌，原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)是代表性菌。

图4-4　木质素降解过程(引自Wagner and wolf，1998)

BTEX(benzene、toluene、ethylbenzene、xylene)和多环芳烃化学物等有机污染物在结构上与phenylpropene基相似，因此木质素的降解、降解途径和这些污染物的降解、降解途径有许多相同之处，因此研究木质素的降解对理解有机污染物的降解过程有重要理论价值。上面提到的能降解木质素的原毛平革菌也能降解许多结构上类似的污染物。

(5)腐殖质

腐殖质是多种多聚物的降解产物和核酸、蛋白质分子等经过聚合或缩合(图4-5)而形成的复杂有机物，也是最稳定的有机分子。腐殖质的周转速率因不同的气候条件变化范围是每年2%～5%。这样腐殖质可以为土生土著微生物群落缓慢释放出碳源和提供能源。在土壤中腐殖质的形成速率和消减速率基本相等，因此其含量在大部分土壤中不发生改变。

图4-5　土壤腐殖质形成的可能途径(引自Wagner and Wolf，1998)