生物法降解秸稈木質(zhì)素研究進(jìn)展

1、生物法降解秸稈木質(zhì)素研究進(jìn)展摘要秸稈中的木質(zhì)素是潛在的可再生資源。近年來，利用生物法對(duì)其進(jìn)行降解已成為研究熱點(diǎn)。從木質(zhì)素生物降解性出發(fā)，對(duì)降解木質(zhì)素微生物、酶系以及降解條件進(jìn)行介紹，以期為木質(zhì)素生物降解法的推廣應(yīng)用提供參考。關(guān)鍵詞生物法降解；秸稈;木質(zhì)素秸稈是一種豐富的纖維素可再生資源，我國(guó)農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量逾6億t,除少量被用于造紙、紡織等行業(yè)或用作粗飼料、薪柴外，大部分以堆積、荒燒等形式直接傾入環(huán)境，造成極大的污染和浪費(fèi)1。能源緊張、糧食短缺及環(huán)境污染日趨嚴(yán)重是目前世界各國(guó)所面臨的難題。而可再生資源的轉(zhuǎn)化利用，能在有利于生態(tài)平衡的條件下緩解或解決問題。木質(zhì)素又稱木素，是植物界中含量?jī)H次于纖維

2、素的一類高分子有機(jī)物質(zhì)，是一種極具潛力的可再生資源2-4,每年全世界植物可生長(zhǎng)1500億t木質(zhì)素，且木質(zhì)素總與纖維素伴生，具有無毒、價(jià)廉、較好的可熱塑和玻璃化特性。木質(zhì)素是苯丙烷結(jié)構(gòu)單元組成的復(fù)雜的、近似球狀的芳香族高聚體，對(duì)羥基肉桂醇（phydroxycinamylalcohols）脫氫聚合而成，一般認(rèn)為木質(zhì)素共有3種基本結(jié)構(gòu)（非縮合型結(jié)構(gòu)），即愈創(chuàng)木基結(jié)構(gòu)、紫丁香基結(jié)構(gòu)和對(duì)羥苯基結(jié)構(gòu)。木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元之間以醴鍵和碳-碳鍵連接，連接部位可發(fā)生在苯環(huán)酚羥基之間，或發(fā)生在結(jié)構(gòu)單元中3個(gè)碳原子之間，或是苯環(huán)側(cè)鏈之間。木質(zhì)素于分子量大，溶解性差，沒有任何規(guī)則的重復(fù)單元或易被水解的鍵，因此木質(zhì)素分子結(jié)構(gòu)

3、復(fù)雜而不規(guī)則5,6o從20世紀(jì)開始，國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直在尋找降解木質(zhì)纖維素的最佳途徑，研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾方面：物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法、生物降解法7。物理法包化學(xué)法包括無機(jī)酸（硫酸、乙酸、鹽酸等）、堿（氫氧化鈉、氨水等）和有機(jī)溶劑（甲醇、乙醇）等。物理化學(xué)法，即化學(xué)添加法和氣爆法相結(jié)合。此3種方法，可在一定程度上降解秸稈中的木質(zhì)纖維素，但都存在條件苛刻、設(shè)備要求高的特點(diǎn)，從而使預(yù)處理成本增加，且污染嚴(yán)重。生物降解法是從20世紀(jì)20年代起開始研究的，采用降解木質(zhì)素的微生物在培養(yǎng)過程中可以產(chǎn)生分解的酶類，從而可以專一性降解木質(zhì)素。此法具有作用條件溫和、專一性強(qiáng)、無環(huán)境污染、處理成本低等優(yōu)點(diǎn)。括輻

4、射、聲波、粉碎、整齊爆破等8,9。1降解秸稈木質(zhì)素的微生物在自然界中，木質(zhì)素的完全降解是于真菌、細(xì)菌及相應(yīng)的微生物群落共同作用的結(jié)果。從20世紀(jì)起，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)木質(zhì)素降解的研究從白腐真菌開始。白腐真菌是指一類具有相同功能引起木質(zhì)白色腐爛的絲狀真菌的集合，憑借其選擇性降解木質(zhì)素的能力，白腐真菌的菌絲穿入木質(zhì)，侵入木質(zhì)細(xì)胞腔內(nèi)，釋放降解木質(zhì)素的酶，導(dǎo)致木質(zhì)腐爛為淡色的海綿狀團(tuán)塊。目前用于木質(zhì)素降解研究的白腐菌主要有黃胞原毛平革菌（Phanerochetechrysosporium)、雜色云芝(Coridusversicolor)>香菇(Lentinulaedodes)變色栓菌(Thamete

5、sVersicolor)、朱紅密孔菌(Pycnoporuscinnabarinus等10,11。杭怡瓊等12以稻草秸稈加20%棉籽殼為培養(yǎng)基質(zhì)，接入3種側(cè)耳菌株，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),從接種到子實(shí)體形成過程中，培養(yǎng)物的木質(zhì)素呈不斷下降水平，木質(zhì)素降解率與酶活變化趨勢(shì)基本相似。王宏勛等13通過傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分析和木質(zhì)纖維素組分含量變化，研究了3株白腐菌在50d培養(yǎng)期內(nèi)降解稻草秸稈中木質(zhì)纖維素的降解規(guī)律，結(jié)果表明：3株白腐菌對(duì)稻草秸稈中木質(zhì)纖維素降解具有一定的順序和選擇性，先降解半纖維素和木質(zhì)素，再同時(shí)降解半纖維素、纖維素和木質(zhì)素，并且對(duì)木質(zhì)素有很好的降解優(yōu)勢(shì)。畢鑫等14研究白腐菌產(chǎn)木質(zhì)素過

6、氧化物酶發(fā)酵條件利用Lip粗酶液在體外直接降解稻草,3d后Klason木質(zhì)素的降解率為。戴永鑫等15研究了白腐菌及其產(chǎn)生的木質(zhì)素降解酶系對(duì)秸稈的木質(zhì)素生物降解方法，采用黃胞原毛平革菌和雜色云芝雙菌聯(lián)合固態(tài)培養(yǎng)可使木質(zhì)素降解率達(dá)到。鞠洪波16以香菇、金針菇、杏鮑菇等9種食用菌對(duì)云杉木質(zhì)素的降解進(jìn)行研究，試驗(yàn)表明：杏鮑菇對(duì)木質(zhì)素的降解能力最強(qiáng)，其次是木耳、茶樹菇、柳菇、榆黃菇對(duì)木質(zhì)素降解能力較高，其余4種食用菌降解木質(zhì)素能力較弱。20世紀(jì)8090年代的研究表明細(xì)菌可以代謝低分子的磺化木質(zhì)素、Kraft木質(zhì)素片斷等，細(xì)菌能夠使木質(zhì)素結(jié)構(gòu)發(fā)生改性，成為水溶性的聚合產(chǎn)物；另外，細(xì)菌與真菌協(xié)同作用使木質(zhì)素

7、易于受到真菌的攻擊，且可去除對(duì)腐朽真菌有毒性的物質(zhì)17。降解木質(zhì)素的細(xì)菌種類很多，其中放線菌是公認(rèn)降解能力較強(qiáng)的細(xì)菌，包括鏈霉菌(Strptomyces)、節(jié)桿菌(Arthrobacter)、小單胞菌(Micromonospra)等。TuomelaM等18研究表明鏈霉屬的絲狀細(xì)菌降解木質(zhì)素最高可達(dá)20%,放線菌對(duì)木質(zhì)素的降解主要在于增加木質(zhì)素的水溶性18。其他降解木質(zhì)素的細(xì)菌主要是非絲狀細(xì)菌，能夠在一定程度上引起木質(zhì)素的降解，如微球菌屬(Micrococcussp)、假單胞菌屬(Pseudomonassp.)、黃單胞菌屬(Xanthomonassp.殍。非絲狀細(xì)菌降解木質(zhì)素的能力較差，只能降解

8、小分子量或者木質(zhì)素的降解產(chǎn)物，其中假單胞菌屬是最有效的降解菌17-19。張甲耀等20通過對(duì)一嗜堿細(xì)菌對(duì)麥草木質(zhì)素降解能力的研究，發(fā)現(xiàn)在最佳綜合培養(yǎng)條件下該菌株10d對(duì)木質(zhì)素降解率可達(dá)。2秸稈木質(zhì)素降解酶系目前認(rèn)為最重要的木質(zhì)素降解酶有3種，即木質(zhì)素過氧化物酶(LigninPeroxidase,Lip)、鎰過氧化物酶(Man-dependentPeroxidase,Mnp和漆酶(Laccase,Lac木質(zhì)素過氧化物酶和鎰過氧化物酶可使木質(zhì)素分子中碳一碳鍵斷裂成苯氧殘基，漆酶對(duì)木質(zhì)素有降解和聚合的雙重作用21。Lip是最早發(fā)現(xiàn)的木質(zhì)素降解酶，存精選公文范文，管理類，工作總結(jié)類，工作計(jì)劃類文檔，感謝

9、閱讀下載6在于大多數(shù)降解菌中，它是一種糖蛋白，分子量約41000，有1個(gè)血紅素構(gòu)成其活性中心，可連接至少1個(gè)黎蘆醇。Lip能催化木質(zhì)素中富含電子的酚型或非酚型芳香化合物發(fā)生氧化，從而使木質(zhì)素形成活性基團(tuán)，然后發(fā)生一系列的非酶促裂解反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)底物的部分氧化或徹底的氧化22。Mnp也是最常見的木質(zhì)素降解酶，也是一種糖蛋白，分子量約46000。鎰過氧化物酶在過氧化氫存在時(shí)能氧化酚型木質(zhì)素及木質(zhì)素模型物，即Mn2+及一種螯合物催化木質(zhì)素發(fā)生降解。Mn2+被氧化成Mn3+,Mn3+反過來又氧化酚型化合物,并保護(hù)Mnp不受反應(yīng)活性自基的破壞23。Lac是一種多酚氧化酶，是一種典型含Cu2+的糖蛋白。La

10、c所催化的主要是氧化反應(yīng)，表現(xiàn)在底物自基的生成和4個(gè)銅離子的協(xié)同作用，主要攻擊木質(zhì)素中的苯酚結(jié)構(gòu)單元；在反應(yīng)中,苯酚的核失去1個(gè)電子而被氧化，產(chǎn)生含苯氧基的自活性基團(tuán)，可導(dǎo)致芳香基的裂解。Lac同時(shí)具有催化解聚和聚合木質(zhì)素的作用，因此單獨(dú)存在時(shí)不能降解木質(zhì)素，只有同時(shí)存在Mnp等其他酶，避免反應(yīng)產(chǎn)物重新聚合時(shí)才有較高的木質(zhì)素降解效率23,24o3秸稈木質(zhì)素生物降解的條件在木質(zhì)素降解過程中，碳源和氮源的來源以及營(yíng)養(yǎng)限制對(duì)生物降解木質(zhì)素有極大的影響，是木質(zhì)素降解的關(guān)鍵因素。研究報(bào)道和Lentinulaedodes只有在其他替代碳源如葡萄糖存在時(shí)才能降解木質(zhì)素25。王宜磊26研究碳源和氮源對(duì)Cori

11、olusversicolor木質(zhì)素酶分泌的影響，發(fā)現(xiàn)淀粉含量豐富的物質(zhì)做碳源有利于木質(zhì)素降解酶的分泌。畢鑫等27研究在靜置和振蕩2種方式下不同營(yíng)養(yǎng)條件對(duì)白腐菌合成木質(zhì)素過氧化物酶(Lip)的影響。靜置培養(yǎng)時(shí)，碳氮比低的培養(yǎng)基中顯示較高的酶活，碳源以葡萄糖和糊精同時(shí)存在及分段加入要比單一葡萄糖作為碳源時(shí)獲得更高的酶活；振蕩培養(yǎng)時(shí)，在碳氮比高的培養(yǎng)基中酶活最高，而類似于靜置培養(yǎng)的氮源組合及分段模式卻明顯抑制Lip的合成。Cu2+、Fe2+、Mn2+等金屬離子對(duì)木質(zhì)素降解有很大的影響KeremZ等28研究Pleurotuso-streatus在含不同量Mn2+的固體發(fā)酵培養(yǎng)基中對(duì)木質(zhì)素的降解,結(jié)果表

12、明增加Mn2+的含量可使木質(zhì)素降解率提高。余惠生等29人研究Cu2+對(duì)Panusconchatu產(chǎn)木質(zhì)素降解酶的調(diào)控，結(jié)果表明,Mnp的產(chǎn)生受Cu2+濃度影響不大，而Lac的產(chǎn)生卻受Cu2+的嚴(yán)格調(diào)控。沒有Cu2+的存在,Lac酶活力很低,適量的Cu2+濃度能夠提高Lac酶活力。許多研究表明，某些具有木質(zhì)素結(jié)構(gòu)類似物的添加可以明顯提高木質(zhì)素降解能力。外國(guó)學(xué)者等30報(bào)道黎蘆醇對(duì)Lip合成的影響，通過在不同的碳源培養(yǎng)基中加入一定量的黎蘆醇，發(fā)現(xiàn)2種培養(yǎng)基中的Lip酶活力都提高。羅宇煌等31-33對(duì)一嗜堿細(xì)菌降解木質(zhì)素時(shí)發(fā)精選公文范文，管理類，工作總結(jié)類，工作計(jì)劃類文檔，感謝閱讀下載9現(xiàn),ABTS、

13、愈創(chuàng)木酚能提高嗜堿細(xì)菌產(chǎn)Mnp和Lac的產(chǎn)量。4結(jié)語生物法降解秸稈木質(zhì)素具有條件溫和、專一性強(qiáng)、不存在環(huán)境污染、處理成本低等優(yōu)點(diǎn)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和研究的不斷深入，開發(fā)出降解秸稈木質(zhì)素的復(fù)合菌劑，對(duì)于解決能源緊張、糧食短缺及環(huán)境污染等難題具有重要的指導(dǎo)作用。advancesandforfungalMicrob22 FERRAZA,GUERRAA,MENDONAR,etmechanisticbasisbiopulpingJ.EnzymeTechnol,2007,43(2):178-185.23 HIROMICHII,MASANORIW,YOICHIH,etpretr-eatmentsforsi

14、multaneoussaccharificationandfermentationofbeechwoodbyethanolysisandwhiterotfungiJ.JournalofBiotechnology,2003,103(3):273-280.24張建軍，羅勤慧.木質(zhì)素酶及其化學(xué)模擬的研究進(jìn)展J.化學(xué)通activitiesofPhaner-ochaeteEnvironment報(bào)，2001,64(8):470-477.25LEATHAMGLentinulaedodesandchrysoporiumJ.AppliedMicrobiology,1986,24(1):51-58.26王宜磊.碳

15、源和氮源對(duì)彩絨革蓋菌Coriolusversicolor木質(zhì)纖維素酶和木質(zhì)素酶分泌的影響J.微生物學(xué)雜志,2000,20(1):29-31.27畢鑫，路福平,杜連祥.白腐菌產(chǎn)木素過氧化物酶發(fā)酵條件的優(yōu)化J.天津輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2003,18(1):12-16.Appliedand28KEREMZ,HADARY.EffectofmanganeseonlignindegradationbyPleurotusostreatusduringsoligstatefermentationJ.Envi-ronmentalMicrobiology,1993,59(12):4115-4120.29余惠生，付時(shí)雨，王佳玲，等.銅E離子對(duì)白腐菌Panusconchatu產(chǎn)木素降精選公文范文，管理類，工作總結(jié)類，工作計(jì)劃類文檔，感謝閱讀下載11解酶的調(diào)控J.纖維素科學(xué)與技術(shù),1999,7(1):41-46.30TONONF,ODIERofveratrylalcoholandbydrogenpero-xideinligninaseactivityandligninaseproductionbyPhanerochaetechrysosporiumJ.AppliedandEnvironmentalMicroboilogy,19,54(2):466-472.31羅