木质纤维素是植物细胞壁中的主要成分,其中包含纤维素、半纤维素和果胶质。在植物细胞壁中,纤维素构成细胞壁的骨架结构,以高度结晶的有序结构微纤丝状态存在于细胞壁中。细胞壁如此复杂的天然结构,形成了多种保护机制,其抵抗微生物以及酶降解的各种防御措施形成了植物的“抗降解屏障”,这给木质纤维素的综合利用带来极大困难。纤维素是以β-1,4-糖苷键连接而成的简单超分子化合物,但其超分子结构却非常复杂,由于其结构层次未加阐明,所以是何种因素限制酶解速率一直以来都是一个极具争议的科学问题。近年来,由于结构测定技术的迅速发展,初步建立了从米(100m)到纳米层次(10-9m)的表征手段,建立了相关微纤丝合成的模块。但是仍未系统全面分析不同层次下天然异质性纤维素的变化,仍未说明酸解、酶解、菌体以及天然生境中纤维素超分子结构的降解变化,因此本文基于天然纤维素不同层次的整体测定技术,比对局部超微结构的分析,引入切片技术分析异质性纤维细胞壁内部结构变化,阐明纤维素超分子结构降解过程变化。获得的主要进展如下1、利用聚合度测定、氢键强度测定、结晶度测定以及可及度测定全面系统表征整体结构的变化,区分了纤维素超分子结构一级、二级、三级及四级结构层次,建立了相关层次与整体结构信息的关系。应用超分子结构表征方法结合切片表征分析异质性的纤维素超分子结构,提出纤维素微纤丝为作为三级结构的基本单元,其不同堆积排列方式(四级结构)的空隙仅为7nm左右,明显限制了5-7nm游离酶分子的有效扩散,微纤丝的紧密堆积形成了限制游离酶系降解的大然屏障,使得酶解过程仅发生在植物细胞壁的表面。相对酸解过程,由与H+的大小在1A以下,可以在微纤丝孔隙中自由扩散,因此可以对内部微纤丝非晶结构进行降解,使得纤维素的结晶度上升。2、通过热纤梭菌(Clostridiem thermocellum)以及牛瘤胃天然生境系统中的微生物去对结晶纤维素类底物进行的降解分析发现,这些厌氧细菌对微纤丝的降解模式与酸解、酶解明显不同,它们可以针对整根微纤丝进行降解,从而引起结晶度的明显下降,而结晶度的降解是纤维素三级结构坍塌的表现。虽然整体结构测定的信息相对一致,但热纤梭菌与牛瘤胃天然生境系统降解模式又有区别,热纤梭可将纤维表面微纤丝重构,使得微纤丝明显变粗,然后降解孔洞逐渐扩大,完成局部区域的高效降解。而牛瘤胃天然生境系统中降解过程直接作用微纤丝,类似于内切酶的作用,在微纤丝表面不断形成切口并降解,使得微纤丝平均直径逐渐变细,形成串珠状,最后完成降解。好氧的生孢噬纤维粘菌降解模式类似于牛瘤胃中相关细菌的降解,直接破坏纤维素的三级结构,完成对整根微纤丝的高效降解,克服细胞壁形成的天然降解屏障。热纤梭菌、生孢噬纤维粘菌以及牛瘤胃生境对由于微生物菌体对结晶微纤丝这种具有高效的利用能力,使得以后结晶纤维素的高效转化研究应以菌体为主要目标,而非游离纤维素酶系。