白腐菌降解木質(zhì)素研究進(jìn)展

王 敏

(衡水學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，河北 衡水 053000)

白腐菌降解木質(zhì)素研究進(jìn)展

王 敏

(衡水學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，河北 衡水 053000)

白腐菌是一種能選擇性降解木質(zhì)素的擔(dān)子菌，其木質(zhì)素酶能降解各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難降解的有機(jī)物而成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)．本文詳細(xì)綜述了白腐菌降解木質(zhì)素的機(jī)理、木質(zhì)素酶系及其在各行業(yè)的應(yīng)用研究進(jìn)展等，并對(duì)其應(yīng)用前景做出展望．

白腐菌；木質(zhì)素；木質(zhì)素酶系

地球上每年植物光合作用的生物量可達(dá) 2 000 億 t，其中大部分為木質(zhì)纖維素類．木質(zhì)纖維素原料主要化學(xué)成分是纖維素、木質(zhì)素、半纖維素等．在植物組織中木質(zhì)素與半纖維素以共價(jià)鍵形式結(jié)合，并將纖維素分子包埋其中，形成一種堅(jiān)固的天然屏障，使一般微生物很難降解利用．

自然界參與降解木質(zhì)素的微生物種類有真菌、放線菌和細(xì)菌等，但迄今為止最有效、最主要的木質(zhì)素降解微生物，可徹底降解木質(zhì)素為 CO2和 H2O的是白腐真菌．以木材的腐朽類型，木質(zhì)纖維素降解真菌可分為3類：白腐菌(White rot fungi)、褐腐菌(Brown rot fungi)和軟腐菌(Soft rot fungi)．其中褐腐菌只能攻擊和降解細(xì)胞壁中的纖維素、半纖維素部分，而軟腐菌僅作用于細(xì)胞中的半纖維素，只有白腐菌是自然界中唯一一類具有獨(dú)立降解木質(zhì)素能力的微生物，褐腐菌、軟腐菌一般認(rèn)為在木素降解中僅起二次性作用．白腐菌分泌木質(zhì)素降解酶的同時(shí)還分泌纖維素酶、半纖維素酶、果膠酶等酶類，因而比木霉、曲霉等更適合分解天然的木質(zhì)纖維素物質(zhì)．

纖維素是植物細(xì)胞壁的主要成分，廣泛而大量地存在于自然界，是地球上最豐富、最廉價(jià)的可再生資源，也是人類未來(lái)可能的能源、食品和化工原料的主要來(lái)源[1]．利用纖維素酶將纖維原料轉(zhuǎn)化成可利用的糖，對(duì)于可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施具有重大意義．因此首先要降解木質(zhì)素，才能最大限度利用纖維素，本文將詳細(xì)綜述白腐菌的相關(guān)研究進(jìn)展．

1 降解木質(zhì)素的菌種及原理

木質(zhì)素是由苯丙烷單元通過(guò)醚鍵和碳碳鍵連接而成的聚酚類三維網(wǎng)狀高分子化合物．木質(zhì)素由于具有各種生物學(xué)穩(wěn)定的復(fù)雜鍵型而不易被微生物降解．如何高效利用木質(zhì)纖維素原料其關(guān)鍵在于有效降解包裹在纖維素晶體外面的木質(zhì)素以及半纖維素，從而增加纖維素表面積，使纖維素易于降解，從而生成可發(fā)酵性糖．

白腐菌屬于擔(dān)子菌綱(Basidiomycete)，是少數(shù)的能選擇性降解木質(zhì)素的真菌之一[2]，因其腐生在樹(shù)木或木材上，引起木質(zhì)白色腐爛而得此名．目前，已研究的白腐菌有：黃孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)、彩絨革蓋菌(Coliolus versicolor)、變色栓菌(Trametes versicolor)、射脈菌(Phlebia radiata)、鳳尾菇(Pleurotus pulm onarius)、雜色云芝(Trametes versicolor)、糙皮側(cè)耳(Pleurotus)、朱紅密孔菌(Pycnoporus cinnabarinus)等．P.chrysosporium已成為研究木質(zhì)素降解的模式菌株．白腐菌所分泌的木質(zhì)素降解酶主要有 3種，即木質(zhì)素過(guò)氧化酶、錳過(guò)氧化物酶和漆酶．

白腐菌在降解木材的過(guò)程中，在適宜的條件下，白腐菌菌絲開(kāi)始沿著細(xì)胞腔蔓延，主要集中在紋孔處．在菌絲下細(xì)胞壁被分解出一條溝槽，它可從細(xì)胞腔到復(fù)合胞間層，逐漸降解纖維素、半纖維素和木質(zhì)素[3]．白腐菌降解木質(zhì)素可分為細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外 2個(gè)過(guò)程．在細(xì)胞內(nèi)主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(碳、氮、硫)限制條件下，白腐菌啟動(dòng)形成整個(gè)降解系統(tǒng)：1) 產(chǎn)生過(guò)氧化氫的氧化酶，即細(xì)胞內(nèi)葡萄糖氧化酶和細(xì)胞外乙二醛氧化酶．它們?cè)诜肿友醯膮⑴c下氧化相應(yīng)底物激活過(guò)氧化物酶，從而啟動(dòng)酶催化循環(huán)．2) 合成對(duì)木質(zhì)素降解起作用的細(xì)胞外酶，即木素過(guò)氧化物酶、錳過(guò)氧化物酶和漆酶 3種[4]．觸發(fā)啟動(dòng)一系列自由基鏈反應(yīng)，使木素結(jié)構(gòu)中的苯環(huán)發(fā)生單電子氧化反應(yīng)形成陽(yáng)離子基團(tuán)，而后發(fā)生一系列自發(fā)反應(yīng)而降解．

木質(zhì)素降解主要是氧化反應(yīng)．根據(jù)氧化中不同電子受體，分為利用O2的多酚氧化酶系和利用H2O2的過(guò)氧化物酶系．前者為漆酶，后者指木素過(guò)氧化物酶和錳過(guò)氧化物酶．研究得較多的木質(zhì)素降解酶系主要包括：木素過(guò)氧化物酶、錳依賴過(guò)氧化物酶和漆酶3種酶系．不同的白腐真菌可分泌這二種降解木質(zhì)素的胞外酶中的一種或多種[6]．

2 木質(zhì)素降解酶系

2.1 木素過(guò)氧化物酶(Lignin peroxidase, LiP)

木素過(guò)氧化物酶(LiP)是由Tien等[7]于1983年在黃孢原毛平革菌(P.chrysosporium)中發(fā)現(xiàn)的，隨后的研究發(fā)現(xiàn)大部分白腐菌在木素降解條件下都能分泌這種酶，是迄今為止研究的最清楚的木素降解酶，在天然木質(zhì)素和環(huán)境污染物小分子的降解過(guò)程中LiP起關(guān)鍵作用[8]．

LiP是一類含有血紅素輔基的同工酶，分子量 38～43 kd，分子中有 10條長(zhǎng)的蛋白質(zhì)單鏈，一條短的單鏈．LiP作為生物催化劑，能夠催化苯酚、芳香胺、芳香醚及多環(huán)芳香化合物，通過(guò)多個(gè)反應(yīng)步驟氧化木質(zhì)素模式化合物．

LiP降解木素時(shí)需要其他酶(如氧化酶)產(chǎn)生 H2O2，催化氧化木素需要一種真菌代謝產(chǎn)物藜蘆醇(3,4-二甲氧基苯甲醇，VA)參與．VA既是LiP的底物，又是LiP的氧化還原介體，可能還起到保護(hù)酶免受過(guò)量H2O2破壞的作用．LiP催化氧化VA形成陽(yáng)離子自由基，其傳送電子能力極強(qiáng)．

2.2 錳過(guò)氧化物酶(Manganese-dependent peroxidase, MnP)

錳過(guò)氧化物酶(MnP)普遍存在于白腐菌的各個(gè)菌種中．與LiP一樣它的催化循環(huán)也需要由H2O2啟動(dòng)．不同之處在于，它以木質(zhì)素組織中廣泛存在的Mn2+作為反應(yīng)底物，同時(shí)以Mn3+作為介質(zhì)氧化木素．

2.3 漆酶(Laccase)

漆酶是一種含銅的多酚氧化酶，和植物中的抗壞血酸氧化酶、哺乳動(dòng)物的血漿銅藍(lán)蛋白屬銅藍(lán)氧化酶家族中的同一小族，在結(jié)構(gòu)和功能上存在許多相似之處．它可以催化氧化酚類化合物脫去羥基上的電子或質(zhì)子，形成自由基，導(dǎo)致酚類及木素類化合物裂解，同時(shí)分子氧被還原為水．其反應(yīng)包括脫甲氧基、脫羥基、C-C鍵斷裂過(guò)程等．漆酶來(lái)源廣泛，植物、昆蟲(chóng)和真菌中都存在漆酶．

3 應(yīng)用

白腐菌對(duì)底物非特異性機(jī)制，使其得到廣泛應(yīng)用，如造紙制漿、飼料生產(chǎn)、廢水處理、農(nóng)業(yè)堆肥等行業(yè)．

3.1 飼料

目前白腐菌降解木質(zhì)素的模式菌株是黃孢原毛平革菌．秸稈經(jīng)白腐真菌發(fā)酵后，大部分的低質(zhì)非蛋白氮轉(zhuǎn)化為較高質(zhì)量的菌體蛋白，蛋白質(zhì)品質(zhì)也得到較大幅度的改進(jìn)．秸稈經(jīng)白腐菌處理不僅營(yíng)養(yǎng)成分有極大的提高，而且其pH值由未處理前的5.7降到4.0，呈愉快的水果香味，同時(shí)由于大部分的木質(zhì)素被降解或破壞，秸稈質(zhì)地柔軟，適口性明顯改善；可提高動(dòng)物對(duì)飼料的消化， 并且已經(jīng)突破了秸稈僅用于反芻動(dòng)物飼料的禁區(qū)，對(duì)飼養(yǎng)豬、雞的實(shí)驗(yàn)效果已有報(bào)道．利用白腐真菌處理秸稈能夠快速、高質(zhì)量地利用和轉(zhuǎn)化秸稈資源，擴(kuò)大飼料來(lái)源，減少環(huán)境污染[11]．

3.2 生物制漿

白腐菌的木素降解酶類能選擇分解植物秸稈中的木質(zhì)素，使得生物制漿成為可能．生物制漿是直接利用微生物降解纖維原料中的木質(zhì)素，分離出纖維，使之成為紙漿．這種方法不僅能節(jié)約能耗，改善紙張的物理性能，還能減少污染，保護(hù)環(huán)境，應(yīng)用前景廣闊[12]．

3.3 堆肥

堆肥是利用各種微生物的發(fā)酵處理生物來(lái)源的有機(jī)物(如秸稈，林業(yè)廢棄物，城市固體垃圾等)使之生成有機(jī)肥料的一種資源化方法．傳統(tǒng)上曾使用高溫堆肥的辦法使秸稈轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥料，但這些操作勞動(dòng)強(qiáng)度大．以白腐菌為代表的木質(zhì)素降解微生物為秸稈的快速腐熟提供了理論依據(jù)[13]．

隨著對(duì)木質(zhì)素降解機(jī)理認(rèn)識(shí)的深入，白腐菌在生物制漿、生物漂白、染料脫色、木質(zhì)素轉(zhuǎn)化、食品飲料、飼料原料以及廢水[14]、廢物處理等方面將發(fā)揮重要作用．

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Abstract:White rot fungi is a kind of basidiomycetous which can selectively degradate lignin. For it has lignin degradation enzymes which can degergate complicated organic pollutants, the research on it has become a hot topic domestically and abroad. This paper reviewed the degradation mechanism of lignin, lignin degrading enzyme system and its application in every trade. Meanwhile the development prospect of white rot fungi was predicted.

Key words:white rot fungi; lignin; lignin degradation enzymes

(責(zé)任編校：李建明英文校對(duì)：李玉玲)

Progress of Research on White Rot Fungi Degradating Lignin

WANG Min
(College of Life Science, Hengshui University, Hengshui, Hebei 053000, China)

Q93

A

1673-2065(2011)01-0051-03

2010-08-20

河北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(09225512); 衡水市科學(xué)技術(shù)研究指導(dǎo)課題(09060Z)

王 敏(1977-),女,河北衡水人,衡水學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院副教授,工學(xué)博士.