紙機生物膜微生物於缺磷狀況下所產生的跨物種抑制作用之研究

在地球上，微生物幾乎無所不在，當然包括人類工業的機器組件中，例如：造紙機中。儘管機組設備裡常是營養 (碳、氮、磷源) 缺乏且溫度極端的環境，仍有許多各式各樣的微生物生存著，甚至隨著不同機器部位所產生的環境不同而出現不同的微生物族群組合，或者擁有異於一般微生物的生長能力、具備水解各種不同物質的分解能力。其中，有些造紙機中的微生物會產生生物膜 (biofilm) 黏液以吸附並大量叢生於金屬機械表面，卻因此造成成品污染破損、抄紙網或造紙機的損害，甚至引發工廠停擺，帶來經濟上巨大的損失；然而這些微生物常因為生物膜的保護且具高抗藥性，非常難以一般抗生素清除。因此對於工業造紙環境中的微生物之瞭解及研究，將有助於進一步開發以非抗生素殺菌的可能方法，也同時能研究極端環境對於微生物族群的組成與生長狀況、相互作用關係、生物膜的形成與發展以及特殊水解酵素的分泌等等之影響。本論文其中一個主題便是針對於造紙機的缺磷環境中，兩株分類於不同目(order)的異營性細菌之間的競爭關係與其生物膜發展。我們從造紙機循環清洗儲水槽的生物膜中，分離出了13株具吸附能力的細菌株，並發現只有將其共同培養於缺磷的條件下時，沙雷氏桿菌分離株 (Serratia marcescens WW4)會跨物種地(intergeneric)抑制綠膿桿菌分離株(Pseudomonas aeruginosa WW5) 的生長。當沙雷氏桿菌分離株單獨培養於缺磷環境時，活菌數及生物膜產量於三天內便會下降，然而如果與綠膿桿菌分離株混合培養時，則明顯地提高沙雷氏桿菌分離株的存活率及生物膜產量；相反地，綠膿桿菌分離株於缺磷環境下單獨培養的三天中，活菌數及生物膜產量都可以維持良好，但若與沙雷氏桿菌分離株混合培養時，其存活率及生物膜產量則於一天內迅速下降。我們更進一步地找出這種與磷濃度相關的抑制作用之分子機制，發現可能與一個較物種專一性且具核酸內切酶 (endonuclease) 活性的細菌素 (bacteriocin) 有關。因此本論文發現於缺磷環境中，沙雷氏桿菌可能跨物種地以較專一性的細菌素抑制綠膿桿菌之生長，進而維持自身族群的生存及生物膜發展。另外，我們也解開了此沙雷氏桿菌分離株的完整染色體基因序列，總共含一個5,241,455 bp的環狀染色體及一個3,248 bp的質體。另一個論文研究主題則是針對一株造紙機黑液中的耐熱分離菌(Paenibacillus campinasensis BL11) 所分泌的聚木醣酶 (xylanase) 之研究。我們將以分生技術複製得到的聚木醣酶基因XylX (1131bp) 表現於大腸桿菌蛋白質表現系統中，產生一個約41kDa大小的聚木醣內切酶表現蛋白，具有第11族配糖水解酶 (family 11 glycoside hydrolase) 的催化區及第6族纖維素結合區(family 6 cellulose-binding module)。此表現蛋白於60 °C、pH7的最適作用條件下，活性高達2392 IU/mg，酵素受質親和力有6.78 mg mL-1的 Km 值且最大反應速率(Vmax )可達4953 mol/min/mg，甚至於鹼性高溫環境中(pH 11, 60 °C) 依舊有極高的活性 (517 IU mg-1)，於pH5至pH9之間及45 °C 至65 °C之間都能保有60 %以上的活性；於最適條件下水解聚木醣12小時後，便可產生大量的主要產物xylotriose，且此酵素並不會非專一地分解avicel、carboxymethyl cellulose及 d-(+)-cellobiose。另外，汞與N-bromosuccinimide對於此聚木醣酶有明顯抑制活性現象，而tris-(2-carboxyethyl)-phosphine (TCEP) 及2-mercaptoethanol則可增加活性。因此，此分離菌株所產生的聚木醣酶具有較寬的pH與溫度耐受度，以及較專一的分解力，將極適合應用於生物質能轉換或食品、造紙加工方面。

關鍵字

微生物跨物種抑制作用；紙機生物膜微生物；沙雷氏桿菌；綠膿桿菌；生物膜發展；缺磷環境

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Phosphate limitation ； intergeneric inhibition ； bacterial competition ； bacteriocin ； biofilm development ； Serratia marcescens

參考文獻

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