木質(zhì)素的微生物降解

木質(zhì)素的微生物降解摘要：綜述了木質(zhì)素微生物降解酶系及酶活性調(diào)控措施，介紹了木質(zhì)素降解機制及木質(zhì)素微生物降解的應(yīng)用。

關(guān)鍵字：木質(zhì)素微生物降解木素降解酶系木質(zhì)素是植物的主要成分之一，占植物細(xì)胞化學(xué)組成的15%～30%。在植物體中，木質(zhì)素是包裹在纖維素的外面，功能之一就是保護(hù)植物細(xì)胞不受外界微生物的侵蝕。從生物合成過程研究得知，木質(zhì)素首先是由葡萄糖發(fā)生芳環(huán)化反應(yīng)形成莽草酸（Shikirnicacid），然后由莽草酸合成三種具有苯丙烷結(jié)構(gòu)的基本單元，分別為：對香豆醇、松柏醇、芥子醇。從化學(xué)結(jié)構(gòu)看，針葉樹的木質(zhì)素主要由松柏醇的脫氫聚合物構(gòu)成愈創(chuàng)木基木質(zhì)素；闊葉樹的木質(zhì)素由松柏醇和芥子醇的脫氫聚合物構(gòu)成愈創(chuàng)木基—紫丁香基木質(zhì)素；草本植物則由松柏醇、芥子醇和對香豆醇的脫氫聚合物和對香豆酸組成[1]。木質(zhì)素是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定、多樣的無定形三維體型大分子，在自然界中，降解緩慢，成為地球生物圈中碳循環(huán)的障礙。1木質(zhì)素微生物降解酶系及酶活性調(diào)控自然界參與降解木質(zhì)素的微生物的種類有真菌、放線菌和細(xì)菌。其中，真菌能把木質(zhì)素徹底降解為CO2和水。降解木質(zhì)素的真菌主要分為三類：白腐菌、褐腐菌和軟腐菌。白腐菌在木質(zhì)素的生物降解中占有十分重要的地位。白腐菌多數(shù)是擔(dān)子菌（Basidiomycetes[2]，少數(shù)為子囊菌。黃孢原毛平革菌是研究最多的木質(zhì)素降解菌。Tien[3]和Glenn兩個研究小組幾乎同時發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素被降解的關(guān)鍵是黃孢原毛平革菌（Phanerochaetechrysosporium）產(chǎn)生的胞外木質(zhì)素過氧化物酶系的作用。該酶系包括木質(zhì)素過氧化物酶（Ligninperoxidase，簡稱Lip）、錳過氧化物酶（Mn-dependentperoxidase，簡稱MnP），除此之外，還有蟲漆酶、HRP、CDH等酶類[4]。云芝（Corilusversicolor）是一種非常重要的白腐菌，對木質(zhì)素的降解能力較強。丁少軍等[5]研究了云芝漆酶的培養(yǎng)和分離純化研究，發(fā)現(xiàn)在云芝的木質(zhì)素降解過程中，漆酶活力較高而木素過氧化物酶、錳過氧化物酶活力較低，它們對木質(zhì)素的降解率比黃孢原毛平革菌提高近一倍，并認(rèn)為漆酶在云芝的木質(zhì)素降解過程中起非常重要的作用。林鹿等[6]研究了白腐菌木云芝和黃孢原毛平革菌對制漿黑液中硫酸鹽木質(zhì)素的降解作用和影響因素。他們發(fā)現(xiàn)分子量在1500～3000kD之間的硫酸鹽木質(zhì)素降解最為顯著；兩種白腐菌的降解能力不同，培養(yǎng)10天后，木云芝Lu-11的降解率達(dá)74.5%，降解產(chǎn)物只有一種主要組分，而黃孢原毛平革菌的降解率為65.6%，降解產(chǎn)物有兩種，培養(yǎng)條件如：碳源、氮源、pH值、溫度對白腐菌降解硫酸鹽木質(zhì)素的作用有明顯影響；在白腐真菌胞內(nèi)中，除含有利用H2O2的過氧化物酶系外，還分泌利用O2的多酚氧化酶系，主要為漆酶（laccase），該酶需要依賴氧和助劑的存在才能有明顯的脫甲氧基和脫木質(zhì)素作用。Andrzej[7]綜述了漆酶在木質(zhì)素降解的作用與活性，認(rèn)為蟲漆酶在木質(zhì)素降解中起非常關(guān)鍵的作用。付時雨等[8,9]用漆酶/助劑通入氧氣處理葦漿殘余木素，通過甲氧基的測定、元素分析、13C-NMR、IR分析葦漿殘余木素與漆酶/助劑反應(yīng)前后結(jié)構(gòu)的變化，研究發(fā)現(xiàn)葦漿殘余木素在反應(yīng)后甲氧基、酚羥基減少，醇羥基增多，木素結(jié)構(gòu)中羧基增多，木素的苯環(huán)結(jié)構(gòu)發(fā)生了開環(huán)反應(yīng)。除上述酶類外，白腐菌還產(chǎn)生胞內(nèi)H2O2產(chǎn)生酶，因胞內(nèi)還有過氧化物水解酶，因此胞內(nèi)不會積累；纖維二糖脫氫酶和纖維二糖/醌還原酶系（CBQ）也是白腐菌產(chǎn)生的重要的木素降解酶[10]。黃峰等[11,12]報道用裂褶菌（Schizophllumcommune）所產(chǎn)的纖維二糖脫氫酶（CDH）加入在黃胞原毛平革菌錳過氧化物酶解硫酸鹽漿木質(zhì)素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素溶出物質(zhì)明顯增加；木質(zhì)素中甲氧基、羧基、酚羥基和總羥基含量減少，CDH促進(jìn)了錳過氧化物酶（MnP）的降解作用。表明CDH不僅能促進(jìn)纖維素的降解，而且也是木質(zhì)素降解體系中的重要組成部分。纖維二糖/醌還原酶（CBQ）是1974年由Westermark和Erikssion發(fā)現(xiàn)的。木質(zhì)素在氧化酶作用下轉(zhuǎn)變?yōu)榉辑h(huán)自由基和醌類，CBQ能防止活性中間體再聚合，將醌還原為氫醌，CBQ在纖維素和木素降解中起到了協(xié)同作用，即纖維素降解產(chǎn)物為木質(zhì)素的降解提供還原力[13]。謝君等[14]利用白腐側(cè)耳菌（P.sp2）和粗毛栓菌（T.gallica）在含有麥草的液體培養(yǎng)基中生產(chǎn)木質(zhì)纖維素降解酶的研究，發(fā)現(xiàn)側(cè)耳sp2和粗毛栓菌在液體培養(yǎng)基中產(chǎn)木質(zhì)纖維素酶類的能力強、產(chǎn)酶較快，且首先降解木質(zhì)素，側(cè)耳菌和粗毛栓菌比較，粗毛栓菌（T.gallica）具有更強的分解麥草木質(zhì)素的能力，60天后麥草中70.14%的木質(zhì)素被降解。不同的生理條件對微生物降解木質(zhì)素的重要影響成為木質(zhì)素微生物降解研究的一個熱點問題[15,16]，王宜磊[17]研究了碳源與氮源對彩絨革蓋菌Coridusversicolor木質(zhì)素酶分泌的影響，發(fā)現(xiàn)淀粉含量豐富的物質(zhì)作碳源有利于木質(zhì)素降解酶的分泌，而尿素對木質(zhì)素降解酶的分泌有抑制作用，具體原因有待于進(jìn)一步研究；王佳玲等[18,19]研究了氮源、碳源及Mn2+濃度對Panusconchatus分泌木質(zhì)素降解酶的影響，認(rèn)為高氮條件可能是這種類型的白腐菌生產(chǎn)木素降解酶的重要條件，同時發(fā)現(xiàn)紫丁香醛和香豆酸對其錳過氧化物酶和漆酶分別起顯著的誘導(dǎo)作用，碳源的種類對MnP和漆酶（laccase）產(chǎn)生的影響有明顯的差異，Mn2+對P.conchatusMnP和laccase的產(chǎn)生有明顯的調(diào)節(jié)作用：不加Mn2+條件下，P.conchatus幾乎不分泌MnP，加入Mn2+并提高M(jìn)n2+濃度，MnP活力隨之提高，而laccase活力卻相應(yīng)降低。余惠生等[20]研究了銅（Ⅱ）離子濃度的變化對白腐菌Panusconchatus產(chǎn)漆酶的影響，結(jié)果表明漆酶的產(chǎn)生顯著受Cu2+的調(diào)控，沒有銅離子存在，漆酶的活性很低，增加Cu2+濃度，漆酶的活性增大，但過多的Cu2+又會對漆酶產(chǎn)生抑制作用，使酶活降低。2木質(zhì)素生物降解機制[21]（1）木質(zhì)素模型化合物的Ca-Cb斷裂現(xiàn)已基本確定，通過單電子轉(zhuǎn)移機制，LiP催化氧化b-1非酚型木質(zhì)素模型化合物為其芳香正離子自由基，經(jīng)Ca-Cb斷裂形成3,4-二甲氧基苯乙醇自由基和質(zhì)子化形式的藜蘆醛。有氧存在時，前者加氧后再釋放超氧離子形式羰基，或形成醇，無氧存在時則溶劑水參與而形成醇。付時雨等[22]利用色—質(zhì)聯(lián)用技術(shù)分析了稻草木質(zhì)素經(jīng)白腐菌Panusconchatus生物作用后木質(zhì)素降解產(chǎn)物中低分子酸性組分的主要變化及其結(jié)構(gòu)，通過質(zhì)譜對其主要11種化合物結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，證實木質(zhì)素生物降解過程發(fā)生木質(zhì)素側(cè)鏈Ca-Cb鏈氧化斷裂。（2）Ca-氧化機制LiP催化b-O-4木質(zhì)素模型化合物的主要反應(yīng)是Ca-Cb斷裂形成的藜蘆醛和2-甲氧基苯酚，后者在反應(yīng)條件下易于聚合，同時還有相當(dāng)一部分形成Ca氧化產(chǎn)物。這種氧化產(chǎn)物是正離子自由基中間體失去質(zhì)子或直接失去氫形成的。在活性氧存在時，后者更容易發(fā)生。（3）芳環(huán)取代機制在催化反應(yīng)中形成的芳香正離子自由基與溶劑水或其他親和試劑作用，隨底物的不同而發(fā)生不同類型的反應(yīng)，例如，當(dāng)苯環(huán)上的取代基是甲氧基時，就發(fā)生脫甲氧基反應(yīng)，氧化形成相應(yīng)的醌。（4）氧的活化在木質(zhì)素模型化合物氧化中一種普遍現(xiàn)象是分子氧與羥基取代的苯自由基間的反應(yīng)中能引起氧的活化，氧被還原成超氧離子，又與氫質(zhì)子反應(yīng)生成H2O2與O2，這個過程是發(fā)生在分子氧與苯基中間體之間的純化學(xué)過程。這個反應(yīng)也出現(xiàn)在木質(zhì)素過氧化物酶的催化循環(huán)中，其結(jié)果是O2成為最終的電子受體。（5）藜蘆醇及其衍生物的氧化藜蘆醇是黃孢原毛平革菌的一個次級代謝產(chǎn)物，又被木質(zhì)素過氧化物酶所分解，分解產(chǎn)物主要是藜蘆醛，其次是開環(huán)產(chǎn)物和醌，產(chǎn)物的分布受pH值控制。（6）芳香環(huán)開裂利用標(biāo)記底物和反應(yīng)物的方法對許多模型化合物進(jìn)行芳香環(huán)的開裂反應(yīng)研究表明，藜蘆醇開環(huán)反應(yīng)的機制也適用于木質(zhì)素單體、二聚體和低聚體模型化合物，在大多數(shù)請況下都得到了多種產(chǎn)物的混合物。（7）單甲氧基芳香物的氧化對于3,4-二甲氧基芳香環(huán)，非但可被Phanerochaetechrysosporium代謝，而且可被LiP氧化，單甲氧基芳香環(huán)雖然可被Phanerochaetechrysosporium代謝，卻不被LiP氧化，然而加入少量的藜蘆醇或其他的二甲氧基芳香物，則能大大提高單甲氧基芳香物的反應(yīng)速度。（8）醌／氫醌的形成漆酶是一種含銅的酚氧化酶，它能催化酚型二聚體模型物b-1和b-O-4結(jié)構(gòu)經(jīng)過Ca-芳烴斷裂，產(chǎn)生甲氧基取代的醌／氫醌。辣根過氧化物酶（HRP）也能得到類似的結(jié)果。單體木質(zhì)素模型物如香草酸、香草醛、香草醇等也能被氧化成甲氧基取代的醌／氫醌。余惠生等[23]用定量13C-NMR技術(shù)研究了稻草經(jīng)白腐菌Panusconchatus降解后木質(zhì)素的高分子部分的結(jié)構(gòu)特征變化，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵稻草木質(zhì)素的13C-NMR圖譜出現(xiàn)新的吸收峰以及某些吸收峰的強度有明顯變化，這些變化證實了在生物作用過程中木質(zhì)素大分子中形成了醌類。（9）漆酶催化木質(zhì)素氧化的機制漆酶以O(shè)2作電子受體催化多酚化物經(jīng)四次單電子傳遞形成醌及自由基的含銅的酚氧化酶，而且不需要H2O2參與，對于木質(zhì)素而言，其反應(yīng)包括脫甲氧基、脫羥基、C-C鍵斷裂過程等。3木質(zhì)素微生物降解的意義木質(zhì)素是自然界可再生的含量豐富的天然高分子聚合物，也是化學(xué)制漿工業(yè)中重要的廢棄物和污染物。（1）應(yīng)用于污染治理與環(huán)境保護(hù)傳統(tǒng)的化學(xué)制漿會帶來大量的工業(yè)廢水，污染環(huán)境，將木質(zhì)素的生物降解應(yīng)用于生物制漿及造紙廢水的處理，不僅可以極大地改善造紙工業(yè)的環(huán)境污染問題，還有利于減少能耗創(chuàng)造經(jīng)濟價值。GaryWard[24]利用木素過氧化物酶處理2,4二溴苯酚等工業(yè)廢水，在氧化的過程中伴隨二聚體、三聚體和四聚體的形成，消除了廢水的毒性。我國的紡織業(yè)和印染業(yè)非常發(fā)達(dá)，印染廢水的污染成為水污染的一個重要來源，陳葉福等[25]綜述了木質(zhì)素生物降解與紙漿工業(yè)廢水脫色，認(rèn)為白腐真菌能降解木質(zhì)素和相關(guān)化合物，有可能成為傳統(tǒng)處理方法的替代方法。據(jù)文獻(xiàn)報道，黃孢原毛平革菌在產(chǎn)酶條件下可以降解偶氮染料、蒽醌染料以及三苯甲烷等多種類型的染料。張朝暉等[26,27]研究了黃孢原毛平革菌所產(chǎn)木質(zhì)素過氧化物酶系對染料降解的研究，建立了木質(zhì)素過氧化物酶降解偶氮染料卡布龍紅的動力及過程模型。（2）應(yīng)用于造紙工業(yè)木素酶的生物漂白技術(shù)是通過生物木素酶直接作用于紙漿的殘余木質(zhì)素，并使之發(fā)生降解溶出，從而有利于紙漿的進(jìn)一步漂白。林鹿等[28]研究了降解木素酶和降解木聚糖酶對硫酸鹽漿的生物漂白及機理，結(jié)果顯示，木素酶降低了紙漿的卡伯值，提高了紙漿的白度。（3）應(yīng)用于化工產(chǎn)品木質(zhì)素微生物降解有可能使其轉(zhuǎn)化為重要的化工產(chǎn)品、微生物蛋白飼料或有機肥料，使其變廢為寶。例如，用木質(zhì)素降解菌處理飼料，可提高動物對飼料的消化率。目前，以木素酶、纖維素酶和植酸酶等組成的飼料復(fù)合多酶添加劑已達(dá)到商品化程度。當(dāng)然，木質(zhì)素的生物降解研究與應(yīng)用最活躍的領(lǐng)域是生物制漿、工業(yè)廢水的處理，而應(yīng)用于食品與發(fā)酵工業(yè)、飼料工業(yè)已經(jīng)顯現(xiàn)出誘人的前景。4結(jié)語木質(zhì)素是第二大可再生天然高聚合物，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，降解緩慢。研究木質(zhì)素的降解對促進(jìn)資源的高效利用、減輕環(huán)境污染有極其重要的意義。目前木質(zhì)素的降解研究主要集中在木質(zhì)素的生物降解機制、微生物種類及其產(chǎn)生的相關(guān)酶類、微生物的代謝調(diào)控機理等方面；在木質(zhì)素降解酶系的協(xié)同作用機理、降解菌酶系的高效基因表達(dá)與調(diào)控方面研究成果還較少。通過人工誘變、基因重組、克隆技術(shù)篩選出特效高酶活降解菌，大規(guī)模應(yīng)用于生物制漿、紙漿的酶法漂白、工業(yè)有機廢水的高效處理應(yīng)成為木質(zhì)素微生物降解研究的熱點領(lǐng)域。參考文獻(xiàn)：[1]謝君,任路,李維,等.白腐菌液體培養(yǎng)產(chǎn)生木質(zhì)纖維素降解酶的研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2000,37(增刊):161-166.[2]LEVINL,FORCHIASSINF.LigninolyticenzymesofthewhiterotbasidiomyceteTrametestrogii[J].ActaBiotechnol,2001,21(2):179-186.[3]MingTien,TKentKirk.LignindegradingenzymefromthehymenomycetePhanetochaeteChrysosporiumBurds[J].Science,1983,221:661-665.[4]蔣挺大.木質(zhì)素[M].第1版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2001.[5]丁少軍,宋美靜.云芝漆酶的培養(yǎng)和分離純化的研究[J].纖維素科學(xué)與技術(shù),1998,6(3):16-20.[6]林鹿,高楊,周學(xué)飛,等.白腐菌對制漿黑液中硫酸鹽木素的降解[J],環(huán)境科學(xué),1997,18(1):23-26.[7]AndrzejLeonowicz,NamSeokCho,JolantaLuterek,etal.Fungallaccase:propertiesandactivityonlignin[J].JournalofBasicMicrobiology,2001,41(3-4):185-227.[8]付時雨.漆酶與助劑氧化體系降解葦漿殘余木素的研究[J].纖維素科學(xué)與技術(shù),2001,9(2):8-16.[9]付時雨,楮青峰,詹懷宇.漆酶/助劑體系降解葦漿殘余木素的研究[J].中國造紙,2001(4):17-20.[10]徐海娟,梁文芷.白腐菌降解木素酶系及其作用機理[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2000,1(3):51-54.[11]黃峰,方靖,盧雪梅,等.纖維二糖脫氫酶對過氧化物酶降解木素的促進(jìn)作用[J].科學(xué)通報,2001,46(18):1523-1528.[12]HuangFeng,FangJing,LuXuemei,etal.Synergisticeffectsofcellobiosedehydrogenaseandmanganese-dependentperoxidasesduringlignindegradation[J].ChineseScienceBulletin,2001,46(23):1956-1962.[13]VincentJHSewalt,WolfgangGGlasser,JosephPFontenot,etal.Ligninimpactonfibredegradation:1-quinonemethideintermediatesformedfromligninduringInVitrofermentationofcornstover[J].JournaloftheScienceofFoodandAgriculture,1996,71(2):195-203.[14]謝君,孫迅,任路,等.側(cè)耳菌與粗毛栓菌在麥草培養(yǎng)基中產(chǎn)生木質(zhì)纖維素降解酶的研究[J].生物工程學(xué)報,2001,17(5):575-578.[15]PKGill,DSArora.Effectofcultureconditionsonmanganeseperoxidaseproductionandactivitybysomewhiterotfungi[J].JIndMicrobiolBiotechnol,2003,30:28-33.[16]MemoryTekere,RemigioZvauya,JohnSRead.Ligninolyticenzymeproductioninselectedsub-tropicalwhiterotfungiunderdifferentcultureconditions[J].JournalofBasicMicrobiology,2001,41(2):115-129.[17]王宜磊.碳源和氮源對彩絨革蓋菌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):19-31.[18]王佳玲,余惠生,黃秀瑜,等.碳源和Mn(Ⅱ)對白腐菌Panusconchatus產(chǎn)木素降解酶的影響[J].纖維素科學(xué)與技術(shù),1998,6(3):27-31.[19]王佳玲,付時雨,余惠生,等.氮源濃度和芳香化合物對白腐菌Panusconchatus產(chǎn)木素降解酶的影響[J].纖維素科學(xué)與技術(shù),1997,5(4):25-32.[20]余惠生,付時雨,王佳玲.銅（Ⅱ）對白腐菌Panusconchatus