兩種木腐菌對杉木心邊材的選擇性分解1)

陳美玲 王傳貴 張雙燕 武恒 裴韻文 劉成倩

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，合肥，230036)

責(zé)任編輯:戴芳天。

木材是一種天然的生物質(zhì)材料，也是一種天然的有機(jī)高分子復(fù)合材料。纖維素、半纖維素和木質(zhì)素是木材細(xì)胞壁的主要組成成分，也是構(gòu)成細(xì)胞壁的物質(zhì)基礎(chǔ)。從樹木生長的角度看，木材的特殊構(gòu)造一方面保證了木材中水分和養(yǎng)分的輸送，另一方面還使木材具有很高的強(qiáng)度和模量。從木材利用的角度看，這種結(jié)構(gòu)賦予木材較大的強(qiáng)重比，綜合性能優(yōu)異，但也還存在些不足，比如變形、阻燃和耐腐性能一般等。細(xì)胞壁是構(gòu)成木材的實(shí)體，木材的各種性質(zhì)在很大程度上都與細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)和組成密切相關(guān)，其次木材性質(zhì)也決定了其加工利用方式。因此，在當(dāng)前木材供需矛盾日益尖銳和能源危機(jī)日益加劇的形勢下，對木材細(xì)胞壁關(guān)鍵組分進(jìn)行深入研究是非常必要的。

纖維素、半纖維素和木質(zhì)素是木材細(xì)胞壁的主要組成成分，也是構(gòu)成細(xì)胞壁的物質(zhì)基礎(chǔ)。由于不同的木材腐朽菌生理特性不同，所分泌的酶及酶的活性各不相同，因此，不同的腐朽菌所分解木材的各種成分及相對速度各不相同［1］。有些木腐菌只能分解纖維素和木質(zhì)素二者之一;有些木腐菌則可同時分解二者;還有些菌類能以二者之一為主要分解對象，兼或稍具分解另一物質(zhì)［2］。

杉木是我國特有針葉樹種，其樹體高大，紋理順直，結(jié)構(gòu)細(xì)致，不翹不裂，具有一定耐腐性，被廣泛用于建筑、橋梁、家具等方面［3］。因其構(gòu)造便于觀察分析，本試驗(yàn)選取杉木為研究對象，利用彩絨革蓋菌(Coriolus versicolor (L.)Quél)和密粘褶菌(Gloeophyllum trabeum (Pers.)Murrill)對杉木木材進(jìn)行降解，觀察化學(xué)成分、纖維形態(tài)的變化情況，為選擇性分解細(xì)胞壁關(guān)鍵組分提供新的思路，對加深細(xì)胞壁的認(rèn)識和理解，指導(dǎo)木材性質(zhì)基因改良具有重要意義。

1 材料與方法

杉木(Cunninghamia lanceolata (Lamb.)Hook.)采自安徽省六安霍山茅山林場，海拔730～740 m，東北坡，坡度14°～18°，氣干后，分為心邊材，胸徑1.5 m處取樣，鋸成50 mm×10 mm×5 mm 規(guī)格的試樣，待用;彩絨革蓋菌(Coriolus versicolor (L.)Quél)和密粘褶菌(Gloeophyllum trabeum (Pers.)Murrill)購于中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所。

本試驗(yàn)采用PDA 培養(yǎng)基，利用彩絨革蓋菌和密粘褶菌兩種木腐菌對杉木木材進(jìn)行侵染，由于杉木木材含有較多的內(nèi)含物且心邊材明顯，故將試材分為4 組:苯醇未抽提邊材、苯醇抽提后邊材、苯醇未抽提心材、苯醇抽提后心材。侵染1 個月后，取樣測定質(zhì)量損失率、化學(xué)成分和纖維形態(tài)。

杉木木材質(zhì)量損失率測定:參照GB/T 13942—2009《木材耐久性能 第1 部分:天然耐腐性實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法》進(jìn)行測定。

杉木木材主要化學(xué)成分測定:將素材和處理后試樣清洗后氣干，磨成40～60 目顆粒。參照GB/T 2677—1994《造紙?jiān)嫌袡C(jī)溶劑抽出物含量的測定》、GB/T 747—2003《造紙?jiān)纤岵蝗苣举|(zhì)素含量測定》、GB/T 744—1989《紙漿纖維素的測定》和GB/T 2677.10—1995《綜纖維素測定》對杉木木材進(jìn)行有機(jī)溶劑(苯醇)抽提物、酸不溶木質(zhì)素、纖維素和綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行測定，3 次重復(fù)。

杉木木材纖維形態(tài)測定:采用雙氧水—冰醋酸法對試樣進(jìn)行纖維離析，取樣在體式顯微鏡下拍照，在電腦中用專業(yè)軟件進(jìn)行測量，取200 根完整纖維測量纖維長度和寬度，取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 木腐菌對杉木心邊材質(zhì)量損失率的影響

由于木腐菌的生理特性不同，所分泌的酶及酶的活性各不相同，因此，不同的木腐菌分解木材的各種成分及相對速度就各不相同，不同的木腐菌對于相同的木質(zhì)纖維基質(zhì)也有不同的中間代謝產(chǎn)物和途徑。從表1中可以看出，兩種木腐菌對杉木木材的分解能力不同，經(jīng)密粘褶菌侵染后的木材，其平均質(zhì)量損失率高于彩絨革蓋菌對杉木木材的侵染，說明密粘褶菌對杉木木材的分解能力要強(qiáng)于彩絨革蓋菌。

其次，密粘褶菌侵染的木材，其酸不溶木質(zhì)素減少百分率和纖維素減少百分率均低于彩絨革蓋菌對杉木木材的侵染，酸不溶木質(zhì)素和纖維素減少百分率僅有0.65%和0.11%，幾乎可以忽略密粘褶菌對杉木木材木質(zhì)素和纖維素的分解;同時，其綜纖維素減少百分率和半纖維素減少百分率均高于彩絨革蓋菌對杉木木材的侵染，這說明密粘褶菌對半纖維素的分解能力要強(qiáng)于彩絨革蓋菌，密粘褶菌對木質(zhì)素的分解能力要低于彩絨革蓋菌，且?guī)缀醪痪哂蟹纸饽举|(zhì)素的能力，彩絨革蓋菌對杉木木材木質(zhì)素、纖維素和半纖維素同時進(jìn)行分解。兩種木腐菌分解半纖維素的相對速度要比分解酸不溶木質(zhì)素的相對速度快，半纖維素減少百分率均達(dá)到20%，且酸不溶木質(zhì)素分解率很低，這說明兩種木腐菌主要分解半纖維素。

綜上所述，彩絨革蓋菌對杉木木材半纖維素進(jìn)行分解，稍具分解木質(zhì)素和纖維素的能力;密粘褶菌對杉木木材半纖維素進(jìn)行分解。

表1 杉木木材質(zhì)量損失率

2.2 木腐菌對杉木心邊材化學(xué)成分的影響

表2是杉木木材經(jīng)木腐菌侵染后化學(xué)成分的變化。

2.2.1 木腐菌處理對苯醇抽出物的影響

經(jīng)彩絨革蓋菌侵染后的試樣，邊材和心材的抽出物均低于素材邊材和心材，這說明分解木材大分子成分的速度低于其消耗這些分解產(chǎn)物的速度，在受侵染木材中沒有積聚的分解產(chǎn)物，而且還將木材中原本溶于苯醇的物質(zhì)消耗了很多［4-5］。經(jīng)密粘褶菌侵染后的試樣，未經(jīng)抽提的邊材苯醇抽出物與素材邊材相比略有降低，未呈現(xiàn)明顯差異，說明密粘褶菌分解木材所生成的分解產(chǎn)物的速度與消耗這些分解產(chǎn)物的速度幾乎相等;抽提后的邊材苯醇抽出物低于素材邊材，侵染后的心材苯醇抽出物都低于素材心材，這說明密粘褶菌降解木材使其變成低分子量物質(zhì)的同時，又對其進(jìn)行消化，且消耗速度大于降解的速度［6-8］。

表2 杉木木材化學(xué)成分分析

2.2.2 木腐菌處理對酸不溶木質(zhì)素的影響

經(jīng)彩絨革蓋菌侵染的木材，未抽提的試樣酸不溶木質(zhì)素略有降低，說明彩絨革蓋菌對試樣的木質(zhì)素有一定的分解作用。抽提后試樣的酸不溶木質(zhì)素變化很小，可能由于抽提后，木材內(nèi)含物減少，不利于木腐菌的生長。抽提后試樣的酸不溶木質(zhì)素基本不變，未抽提邊材的酸不溶木質(zhì)素略有降低，未抽提心材的酸不溶木質(zhì)素基本不變，說明密粘褶菌分解木質(zhì)素的作用很小，在1 個月內(nèi)，幾乎沒有分解木質(zhì)素的能力。

2.2.3 木腐菌處理對綜纖維素的影響

經(jīng)彩絨革蓋菌侵染后的試樣，其綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有降低，說明彩絨革蓋菌對綜纖維素有一定的降解。抽提后的試樣，綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減少較未抽提試樣的多，表明抽提后的木材更利于彩絨革蓋菌的生長和對木材的分解。經(jīng)密粘褶菌侵染后的試樣，其綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有降低，說明密粘褶菌對綜纖維素有一定的降解作用。未抽提的試樣，綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減少較抽提后試樣的多，說明抽提后內(nèi)含物的減少降低了密粘褶菌的分解作用。

2.2.4 木腐菌處理對纖維素的影響

彩絨革蓋菌對杉木木材的纖維素有一定降解作用，對未抽提的杉木木材的分解能力大于抽提后的試樣，抽提后的試樣減弱了彩絨革蓋菌對杉木木材纖維素的分解能力。密粘褶菌處理前后，杉木木材纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒有明顯變化，說明密粘褶菌在1 個月內(nèi)，對杉木木材纖維素的分解能力不明顯。

2.2.5 木腐菌處理對半纖維素的影響

經(jīng)彩絨革蓋菌侵染的試樣，其半纖維素均有降低，說明彩絨革蓋菌能降解杉木木材的半纖維素。抽提后邊材的半纖維素低于未抽提邊材，抽提后心材的半纖維素和未抽提心材的半纖維素差別很小，說明抽提對邊材的侵染有較大的影響，對心材影響較小。經(jīng)密粘褶菌侵染的試樣，其半纖維素均有降低，說明密粘褶菌能降解杉木木材的半纖維素。抽提后試樣的半纖維素高于未抽提試樣，說明未進(jìn)行抽提的木材內(nèi)含物為密粘褶菌分解木材提供了部分營養(yǎng)，從而促進(jìn)了半纖維素的分解。

2.3 木腐菌對杉木心邊材纖維形態(tài)的影響

表3是杉木木材受侵染前后纖維形態(tài)?？梢钥闯觯幚砬昂笊寄灸静睦w維的長度、寬度和長寬比沒有明顯變化，說明兩種木腐菌的侵染在1 個月內(nèi)對杉木木材纖維形態(tài)沒有顯著影響。圖1是未侵染杉木邊材的纖維形態(tài)，圖2是侵染后杉木邊材纖維形態(tài)圖。從圖2中可以看出，侵染1 個月后，纖維兩段較細(xì)部位有細(xì)微缺口，說明在侵染過程中對木材纖維進(jìn)行了分解。

表3 杉木木材纖維形態(tài)

圖1 未侵染杉木邊材纖維形態(tài)

圖2 侵染后杉木邊材纖維形態(tài)

3 結(jié)論

密粘褶菌對杉木木材半纖維素的分解能力要強(qiáng)于彩絨革蓋菌，彩絨革蓋菌稍具分解木質(zhì)素和纖維素的能力，而密粘褶菌對木質(zhì)素和纖維素的分解能力不明顯，可利用兩種木腐菌對杉木木材的細(xì)胞壁主要組分進(jìn)行分解。苯醇抽提處理后，降低了彩絨革蓋菌對木質(zhì)素和纖維素的分解能力，提高了彩絨革蓋菌對綜纖維素和半纖維素的分解能力，降低了密粘褶菌對綜纖維素和半纖維素的分解能力。杉木木材經(jīng)兩種木腐菌處理1 個月后，其纖維長度、纖維寬度、長寬比無顯著變化。

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