木質(zhì)纖維素種類對白腐菌降解選擇性的影響

劉 波, 黃慧艷, 余洪波，張曉昱

木質(zhì)纖維素種類對白腐菌降解選擇性的影響

劉 波1, 黃慧艷2, 余洪波3，張曉昱3

（1. 武漢市糧油食品中心檢驗站，湖北 武漢 430021；2. 華中科技大學(xué) 武昌分校，湖北 武漢 430064；3. 華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430074）

以杉木、垂柳和毛竹木質(zhì)纖維素為對象，研究了木質(zhì)纖維素種類對白腐菌Echinodontium sp.木質(zhì)素降解選擇性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在降解前期，Echinodontium sp.選擇性降解三種基質(zhì)木質(zhì)素，纖維素降解率極低，但在培養(yǎng)后期，杉木纖維素降解率仍保持較低水平，但垂柳和毛竹基質(zhì)纖維素降解顯著增強，三種基質(zhì)的木質(zhì)素降解選擇性出現(xiàn)很大差異。因此，不同基質(zhì)上纖維素降解速度的差異是導(dǎo)致白腐菌木質(zhì)素降解選擇性差異的主要原因。

木質(zhì)纖維素；白腐菌；降解選擇性

白腐菌是一類可高效降解和轉(zhuǎn)化木質(zhì)纖維素的微生物。其中有一類白腐菌可以優(yōu)先降解木質(zhì)素，而保留纖維素等多糖物質(zhì)，這種選擇性的木質(zhì)素降解模式為木質(zhì)纖維素的生物處理提供了一個新的選擇，近年來在生物制漿、生物煉制等領(lǐng)域受到廣泛重視[1-2]。木質(zhì)纖維素是由木質(zhì)素、纖維素和半纖維素所組成的高分子聚合復(fù)合物，隨來源不同其化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)具有很大差異。這種差異性往往對白腐菌的降解選擇性產(chǎn)生影響，從而影響生物處理的效果，但對其產(chǎn)生的原因尚不清楚[3-4]。

杉木Cunninghamia lanceolata、垂柳Salix babylonica和毛竹Phyllostachys pubescence分別屬于裸子植物、雙子葉植物和單子葉植物，是我國特有的經(jīng)濟樹種，廣泛應(yīng)用于當(dāng)前木質(zhì)纖維素工業(yè)[5-8]。從分類學(xué)角度來看，三者的木質(zhì)纖維素組成和結(jié)構(gòu)差異明顯[7]。為明晰木質(zhì)纖維素種類對白腐菌降解選擇性的影響，本研究以這3種植物基質(zhì)為對象，研究了選擇性降解白腐菌Echinodontium sp.對不同木質(zhì)纖維素的降解模式及差異，同時對于我國特有林木資源的生物處理也具有重要的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 菌株

白腐菌Echinodontium sp.，具有典型的木質(zhì)纖維素選擇性降解特征。

1.2 藥品及儀器

（1）主要藥品

常規(guī)藥品均為國產(chǎn)分析純：乙二胺四乙酸二鈉、四硼酸鈉、磷酸氫二鈉、十二烷基硫酸鈉、乙二醇乙醚、98%濃硫酸、十六烷基三甲基溴化銨。

（2）主要儀器分析天平(電子)：奧豪斯OHAUS-AR2130。G3砂芯漏斗、馬福爐，常規(guī)微生物培養(yǎng)、生化分析及測試的儀器與設(shè)備。

1.3 菌種培養(yǎng)和基質(zhì)降解

種子培養(yǎng)基：85%（m/V）玉米秸稈粉、2%（m/V）蔗糖、10%（m/V）麩皮粉、3%（m/V）棉籽殼、300%（V/V）蒸餾水?；靹颍盅b至90 mm平板中，每個平板分裝4 g，121℃滅菌20 min。接種白腐菌Echinodontium sp.，于25℃條件下培養(yǎng)約10 d。

分別將已烘干的毛竹、垂柳和杉木莖稈木粉5.0 g放于125 mL三角瓶中，各加入蒸餾水10 mL、12.5 mL和15 mL，于121℃下滅菌20 min。每瓶接入直徑為1 cm的Echinodontium sp.種子菌塊2塊，塑料膜封口且當(dāng)菌絲長滿三角瓶后將其倒置，以防止水分流失。未接種菌塊的三角瓶作為空白。三角瓶置于25℃培養(yǎng)，分別于不同的培養(yǎng)時間 10、20、30、40、50、60、90、120 d 時取樣，小心剝?nèi)ツ举|(zhì)纖維素基質(zhì)表面的接種塊，將降解物置60℃下烘干72 h至恒重，測取基質(zhì)隨培養(yǎng)時間的重量損失率（Weight Loss）。

1.4 木質(zhì)素及纖維素降解率的測定

將降解樣本粉碎為粒度40～60目。采用美國AOAC標(biāo)準(zhǔn)方法（1984），測定樣本的ADF（酸性洗滌纖維）、NDF（中性洗滌纖維）、纖維素和Klason木質(zhì)素的含量[9]。為評價木質(zhì)素降解的選擇性，定義木質(zhì)素降解選擇性指數(shù)為木質(zhì)素降解率與纖維素降解率之比值。

2 結(jié)果與分析

2.1 Echinodontium sp.對不同木質(zhì)纖維素的降解選擇性

圖1～3顯示了Echinodontium sp.在不同時間對垂柳、杉木和毛竹木質(zhì)纖維素的降解特征。

圖1 Echinodontium sp.不同時間致毛竹、垂柳和杉木的重量損失率Fig. 1 Weight loss rates of moso-bamboo, weeping willow and China-fir caused by Echinodontium sp.

圖2 Echinodontium sp.不同時間致毛竹、垂柳和杉木的纖維素降解率Fig. 2 Cellulose degradation rates of moso-bamboo,weeping willow and China-fir caused by Echinodontium sp.

圖3 Echinodontium sp.不同時間致毛竹、垂柳和杉木的木質(zhì)素降解率Fig.3 Lignin degradation rates of moso-bamboo, weeping willow and China-fir caused by Echinodontium sp.

降解前期，Echinodontium sp.在3種木質(zhì)纖維素基質(zhì)上均造成極低的纖維素降解率和較高的木質(zhì)素降解率（降解30 d時Echinodontium sp.在毛竹、垂柳和杉木上引起的纖維素損失率分別為6.42%、0.89%和3.25%，木質(zhì)素的損失率分別為18.98%、25.66%和24.04%），木質(zhì)素降解的選擇性指數(shù)分別為：28.8、7.4、3.0，對3種木質(zhì)纖維素都表現(xiàn)為典型的選擇性降解木質(zhì)素模式，木質(zhì)纖維素種類對白腐菌的選擇性降解影響不大。

至降解中后期，Echinodontium sp.對3種木質(zhì)纖維素基質(zhì)的降解模式發(fā)生變化——對木質(zhì)素的降解速率趨緩，而纖維素降解速率趨于增大。但三種基質(zhì)上纖維素降解速率增大的程度彼此間差異很大：垂柳和毛竹基質(zhì)上纖維素之降解速率增快顯著，而杉木基質(zhì)上纖維素的降解速率則未有明顯增快。具體而言：至培養(yǎng)30 d后毛竹基質(zhì)上的纖維素降解速率首先加快，至降解120 d Echinodontium sp.引起毛竹基質(zhì)纖維素和木質(zhì)素的損失率分別為31.43%和56.24%，即毛竹的纖維素損失率增加25.01%、木質(zhì)素損失率增加37.26%（纖維素降解速率仍低于木質(zhì)素降解速率）；降解40 d時垂柳基質(zhì)上的纖維素降解速率也隨后顯著上升，至降解120 d引起垂柳基質(zhì)纖維素和木質(zhì)素的損失率分別為26.74%和47.22%，即垂柳基質(zhì)上纖維素損失率和木質(zhì)素損失率的增加分別為24.08%和18.73%（纖維素降解速率已高于木質(zhì)素降解速率）。前述兩種基質(zhì)上纖維素與木質(zhì)素的降解率均處于同一水平，故在降解中后期Echinodontium sp.對毛竹和垂柳基質(zhì)的降解表現(xiàn)為“纖維素-木質(zhì)素”同步降解模式。白腐菌于杉木基質(zhì)上的纖維素降解速率在120 d的處理過程中一直未有顯著變化，至降解120 d后，Echinodontium sp. 僅導(dǎo)致12.6%的纖維素損失率，而導(dǎo)致的木質(zhì)素損失則為40.50%，可見木質(zhì)素的降解率接近4倍于纖維素的降解率，降解過程依然表現(xiàn)為木質(zhì)素選擇性降解的模式。于是，降解前期選擇性降解所有木質(zhì)纖維素基質(zhì)的Echinodontium sp.，在降解中后期對毛竹、垂柳和杉木的不同木質(zhì)纖維素基質(zhì)表現(xiàn)了選擇性降解程度的明顯差異。

可見，隨培養(yǎng)時間延長，白腐菌選擇性降解木質(zhì)纖維素基質(zhì)的模式可能發(fā)生改變。一些具有基質(zhì)降解選擇性的白腐菌種也表現(xiàn)有這一特征，即：經(jīng)過較長時間的生物降解后，基質(zhì)中纖維素的降解速率會突然增快，其結(jié)果為降解模式轉(zhuǎn)變呈木質(zhì)素和纖維素同步降解。例如典型的具有選擇性降解特性的白腐菌種Ceriporiopsis subvermispora，其在降解Pinus radiata基質(zhì)木質(zhì)纖維素的前90 d內(nèi)，基本未導(dǎo)致纖維素損失，而表現(xiàn)出明顯的木質(zhì)素降解選擇性；隨后Glucan降解呈突然增加，于是降解轉(zhuǎn)變成同步模式[10]。

2.2 木質(zhì)素和纖維素降解差異對降解選擇性的影響

雖然在不同的基質(zhì)上，木質(zhì)素降解的速率有所差異，但圖1 ～ 3顯示：菌株Echinodontium sp.對毛竹、垂柳和杉木基質(zhì)的木質(zhì)素降解率均保持了較高水平，相較之下菌株引起的3類基質(zhì)上的纖維素降解率彼此間差異則更為明顯。特別是降解初期，對木質(zhì)素的降解率均相似；在全降解過程中，3種基質(zhì)的木質(zhì)素降解速率也呈現(xiàn)大致相似的變化程度且均漸趨降低。故，白腐菌在不同木質(zhì)纖維素基質(zhì)上的木質(zhì)素降解差異對其降解選擇性影響甚小。

圖1～3顯示，白腐菌對不同基質(zhì)的纖維素降解都呈現(xiàn)相似的現(xiàn)象：降解初始為低降解速率階段，降解纖維素的速率遠小于降解木質(zhì)素的速率；之后，隨培養(yǎng)時間的增加，進入高降解速率階段，即纖維素降解速率可能增快至和木質(zhì)素降解近似的水平甚而更高。但對不同白腐菌株和不同基質(zhì)而言，纖維素起始高降解速率階段的時間并不相同。對于Echinodontium sp.降解毛竹和垂柳基質(zhì)而言，其纖維素直至生物處理的第30和40 d后才分別轉(zhuǎn)變成高速率降解；杉木基質(zhì)中纖維素的降解則一直保持低速率直至降解末期。因此，白腐菌在不同木質(zhì)纖維素基質(zhì)上的纖維素降解速率之差異，是影響其降解選擇性的主要原因。

3 結(jié) 論

白腐菌Echinodontium sp.的降解選擇性受到木質(zhì)纖維素種類和降解時間的影響，在降解初期，在杉木、垂柳和毛竹基質(zhì)上均表現(xiàn)出顯著的選擇性降解模式，但在降解后期，由于垂柳和毛竹基質(zhì)中纖維素的降解率顯著增強，選擇性降解能力減弱，而杉木的纖維素降解率仍保持較低水平，從而產(chǎn)生了不同的降解模式。因此，不同基質(zhì)上纖維素降解速度的差異是導(dǎo)致白腐菌降解選擇性差異的主要原因。

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Effects of lignocellulose species on selective lignin-degrading ability of white rot fungus

LIU bo1, HUANG hui-yan2, YU hong-bo3, ZHANG Xiao-yu3
(1. Wuhan Central Inspection of Grain and Food, Wuhan 430021, Hubei, China;2. Wuchang Branch School, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430064, Hubei, China;3. Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei, China)

The effects of lignocellulose species on lignin-degrading selectivity during the biodegradation were investigated by taking the lignocellulose of Cunninghamia lanceolata, Phyllostachys pubescens and Salix babylonica as studying objects. The results show that at the prophase of degradation, the selective degradation rates of lignin and cellulose in China-fir, moso-bamboo and weeping-willow woods led by Echinodontium sp. were very low; however, the rates of cellulose degradation in weeping-willow and moso-bamboo increased rapidly after the 30th day, but the cellulose degradation rate in China-fir was still very low; the selective liginn-degrading ability of white rot fungus showed a difference in the three lignocellulose. Thus, the speed differences of lignin-degradation selectivity were proved to be related closely with the different increase of cellulose-degradation rate during the biodegradation.

lignocellulose; white rot fungus; degradation selectivity

S781.4; S781.52

A

1673-923X(2012)08-0108-04

2012-01-15

劉 波（1979—），男，湖北黃石人，碩士，工程師，主要從事生物化學(xué)分析及利用的工作與研究；

E-mail：huanyueyuji@sina.com

黃慧艷（1977—），女，湖南溆浦人，博士，講師，主要從事木質(zhì)纖維素生物降解研究；E-mail：hyhuang@mail.hust.edu.cn

[本文編校:邱德勇]