白腐菌預(yù)處理在生物質(zhì)材料中的應(yīng)用*

曹家銘 張 健 時(shí)君友 龐久寅 林 琳

（1. 北華大學(xué)吉林省木質(zhì)材料科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林省吉林市 132013； 2. 北華大學(xué)理學(xué)院，吉林省吉林市 132013）

隨著能源危機(jī)及環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，尋找可替代能源迫在眉睫[1]。生物質(zhì)能源具有分布廣、儲(chǔ)量大、可再生、清潔無(wú)污染、發(fā)展迅速等優(yōu)點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注[2]。

纖維素是自然界中最為豐富的有機(jī)物之一，很多學(xué)者已將纖維素生物質(zhì)材料作為重點(diǎn)研究對(duì)象，探索性能更加優(yōu)異的可再生資源。但是，天然的木質(zhì)纖維素被高度聚合的木質(zhì)素包裹，阻礙了纖維素的生物降解和利用，因此需要借助預(yù)處理的方法使其分離[3-4]。常規(guī)的預(yù)處理方法包括高溫預(yù)處理、酸或堿預(yù)處理、蒸汽預(yù)處理等，會(huì)導(dǎo)致發(fā)酵抑制劑的形成，阻礙其進(jìn)一步被酶分解為糖。與此同時(shí)，物理或熱化學(xué)的處理過(guò)程還需要豐富的能量以及昂貴的設(shè)備，使生物質(zhì)轉(zhuǎn)換的成本增加。而微生物及其酶系統(tǒng)預(yù)處理降解木質(zhì)素反應(yīng)條件溫和、產(chǎn)率高、耗能少、對(duì)反應(yīng)器耐壓及耐腐蝕的要求低[5]，是一種安全、節(jié)能環(huán)保的方法。在生物質(zhì)預(yù)處理中，有酸催化水解、稀硫酸蒸汽爆炸、堿性亞硫酸鹽處理、有機(jī)溶劑萃取和白腐真菌生物處理等方法。

本文概括總結(jié)了白腐菌特點(diǎn)及生物質(zhì)材料中木質(zhì)素降解的機(jī)理，主要論述了白腐菌預(yù)處理在生物質(zhì)材料功能化改性中的研究進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上展望了白腐菌預(yù)處理在生物質(zhì)材料中應(yīng)用的研究方向，以期為該領(lǐng)域的深入研究提供參考。

1 白腐菌預(yù)處理機(jī)制

1.1 白腐菌特點(diǎn)

白腐菌是屬于擔(dān)子菌亞門的絲狀真菌，相比其他木腐菌對(duì)木質(zhì)素有較好的降解能力[6], 大多數(shù)白腐菌對(duì)針葉木、闊葉木以及草本植物都有不同程度的降解作用, 這些菌表達(dá)的多種酶能夠把木質(zhì)生物質(zhì)分解為簡(jiǎn)單的碳水化合物[7]，是最有應(yīng)用前景的微生物預(yù)處理菌種之一。

白腐菌作為分解者在自然界的碳循環(huán)中起著不可或缺的作用[8]。根據(jù)白腐菌降解特性和對(duì)木質(zhì)纖維素的降解能力，可分為同步降解菌和選擇性降解菌。研究人員開(kāi)始關(guān)注以白腐菌為基礎(chǔ)的技術(shù)應(yīng)用，這既是為了利用木質(zhì)纖維素，也是為生物技術(shù)用于解決能源和環(huán)境問(wèn)題提供一種可能[9-10]。白腐菌獨(dú)特的降解系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于生物制漿、生物漂白、提高產(chǎn)氫量和滲透率，以及廢水處理等過(guò)程[11]。又因其具有降解結(jié)構(gòu)不規(guī)則、分子質(zhì)量大的去木質(zhì)素能力，被用于研究對(duì)多種環(huán)境污染物的降解和礦化作用[12]。

1.2 木質(zhì)素降解

木質(zhì)素是一類由苯丙烷單元通過(guò)醚鍵和碳碳鍵等連接而成的天然聚合物。木質(zhì)素的降解過(guò)程是非特異性的氧化反應(yīng)，是以自由基為基礎(chǔ)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)[13]。

要使木質(zhì)纖維素順利分離出纖維素和半纖維 素[14-15]，從而進(jìn)行高效的酶化或酸糖化，預(yù)處理是一個(gè)必要的過(guò)程，有效的預(yù)處理能夠降低木質(zhì)素含量和結(jié)晶度，增加材料的表面積或孔徑。Xu等[16]通過(guò)對(duì)預(yù)處理的大麥秸稈在漆酶液體發(fā)酵中的熱重分析比較，發(fā)現(xiàn)白腐菌在木質(zhì)纖維素生物質(zhì)生物預(yù)處理方面的巨大潛力。

白腐菌的高效木質(zhì)素降解能力得益于其胞外降解酶系統(tǒng)[17-18]，主要包括木質(zhì)素降解酶類和多糖水解酶類。Yu等[19]的酶解實(shí)驗(yàn)研究了白腐菌降解木質(zhì)纖維素的過(guò)程，發(fā)現(xiàn)不同樹(shù)種未降解木材的纖維素酶具有同樣的抗降解能力，而在被真菌生物降解后，纖維素的抗降解能力下降。Ferraz等[20]對(duì)放射松針葉材經(jīng)6種白腐菌和2種褐腐菌30～360 d腐朽后的重量和組分損失進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)白腐菌和褐腐真菌在不同的時(shí)間內(nèi)(最長(zhǎng)為90 d)產(chǎn)生選擇性的木質(zhì)素降解。Qin等[21]利用乳白耙菌（Irpexlacteus）對(duì)玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理，9 d后在基因組和轉(zhuǎn)錄組分析中發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈的木質(zhì)素、纖維素和半纖維素的分解效率分別為74.9%、86.3%和83.5%，由此判斷Irpexlacteus具有一套完整的木質(zhì)纖維素降解酶系統(tǒng)。

諸多研究表明，白腐菌能夠完全降解木質(zhì)素及其衍生物，釋放出纖維素和半纖維素組分，增強(qiáng)纖維素酶水解的可及性。Zhang等[22]從白腐真菌處理的楊樹(shù)中提取磨木木質(zhì)素(MWL)和木質(zhì)素降解化合物，發(fā)現(xiàn)β-O-4'鏈斷裂（從76.4/100Ar到31.5/100Ar）和明顯的超鏈以及β-5'鏈的降解，導(dǎo)致分子重量減少。此外，G型木質(zhì)素比S型木質(zhì)素降解程度更高，S/G比值從1.13 提高到1.29。Istek等[23]用真菌接種冷杉和側(cè)柏后對(duì)不同時(shí)間梯度的樣品進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)2 種木材的纖維素含量都有輕微的相對(duì)增加，全新纖維素的百分比下降但溶解度值顯著增加。說(shuō)明白腐菌對(duì)木質(zhì)素的改善有利于可再生植物資源中化學(xué)工業(yè)、材料和燃料的可持續(xù)生產(chǎn)。

由于白腐菌對(duì)木質(zhì)素的降解能力較強(qiáng)，且木質(zhì)素具有不規(guī)則的結(jié)構(gòu)和較大的分子質(zhì)量，因此有關(guān)該菌對(duì)許多環(huán)境污染物的降解和礦化作用也得到 了 研 究[24]。Costa等[25]將2 種 白 腐 菌（B.adusta和P.crystosporium）作為接種物處理合成和工業(yè)制漿造紙廢水，兩株真菌對(duì)木質(zhì)素的降解率分別達(dá)到97%和74%。在8～10 d內(nèi)均能完成100%脫木素，總有機(jī)碳（TOC）顯著降低。Adejoye等[26]篩選了3 種白腐真菌在不同的時(shí)間段內(nèi)對(duì)稻草、麥芽和木屑的木質(zhì)素降解能力，證實(shí)白腐真菌還可以有效應(yīng)用于廢物處理。

2 白腐菌預(yù)處理在生物質(zhì)材料中的應(yīng)用

2.1 改善滲透性

白腐菌去除木質(zhì)素可以改善木質(zhì)細(xì)胞壁的滲透性，促進(jìn)物質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)入木質(zhì)內(nèi)部。研究表明，亞臥孔菌（P. vitreus）在不造成沖擊彎曲強(qiáng)度顯著損失的情況下，具有誘導(dǎo)松材心材大量滲透變化的能力[27]。Solár[28]用白腐菌預(yù)處理木材，改變了木材的軸向滲透率，改善了木材的物理性能和化學(xué)成分。Thompson等[29]利用白腐菌降解秸稈成分，有效地改善了樹(shù)脂的滲透和結(jié)合，打破了秸稈復(fù)合材料樹(shù)脂和聚合物的穿透性差、樹(shù)脂消耗過(guò)多等因素的限制。榮賓賓等[30]利用白腐菌對(duì)山楊木進(jìn)行預(yù)處理，在高錳酸鉀染色和滲透性分析中，觀察到處理后的試件相較對(duì)照組，滲透性顯著提高，滲透距離呈S型變化，并隨著白腐菌處理時(shí)間的增加而增大，平均滲透距離最大能提高到2.65 倍。

2.2 提高產(chǎn)氫量

為了解決化石能源短缺以及過(guò)度消耗引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題，氫能作為替代能源因熱值高、污染小、來(lái)源廣泛等優(yōu)點(diǎn)逐漸受到關(guān)注[31]。厭氧發(fā)酵制氫是目前產(chǎn)氫速率快、成本低廉的制氫方法，而對(duì)厭氧發(fā)酵進(jìn)行預(yù)處理，可進(jìn)一步提高制氫效率。黃文博等[32]采用4 種白腐菌進(jìn)行厭氧消化實(shí)驗(yàn)，其中蟲(chóng)擬蠟（Ceriporiopsis subvermispora）預(yù)處理效果較佳，對(duì)木質(zhì)素的相對(duì)選擇降解系數(shù)較高，能夠在15 d內(nèi)徑向完全覆蓋秸稈, 累積產(chǎn)甲烷量較未預(yù)處理提高了12.32%。證明白腐菌預(yù)處理可以提高以麥稈為底物的厭氧發(fā)酵生物制氫的產(chǎn)氫量。

白腐菌預(yù)處理可以加快秸稈厭氧發(fā)酵啟動(dòng)速率，使產(chǎn)氣高峰提早出現(xiàn)[33]。支澤侖等[34]用黃孢原毛平革菌在恒溫固態(tài)發(fā)酵條件下預(yù)處理麥稈，在初始pH為6.5、40 ℃的反應(yīng)條件下即獲得了最大累積產(chǎn)氫量。許敬亮等[35]在稻草秸稈上接種黃孢原毛平革菌一段時(shí)間后，再通過(guò)Z28（肉座菌）發(fā)酵產(chǎn)纖維素酶，CMCase（CMC酶）、FPA（濾紙酶）和β-葡萄糖苷酶的活力分別提高了31.4%、51.2%和60.8%。秸稈經(jīng)過(guò)白腐菌預(yù)處理后，不僅營(yíng)養(yǎng)成分有所提高，而且大部分木質(zhì)素結(jié)構(gòu)被降解或破壞，非常有利于后續(xù)酶解的可及性。

2.3 生物制漿預(yù)處理

生物制漿預(yù)處理是在原料蒸煮前進(jìn)行微生物菌體或酶系的預(yù)處理, 這種處理方法能夠在獲得相同紙漿品質(zhì)的條件下，節(jié)省蒸煮藥液，提高紙漿得率[36]。

傳統(tǒng)的硫酸鹽法制漿產(chǎn)生的有毒氣體和含氯化物對(duì)環(huán)境危害極大，為此，高慧[37]等選擇脈射菌（Phlebia radiata）、 雜色木云芝菌（Polystictus versicolor）和佛羅里達(dá)側(cè)耳（Pleurotusflorida）對(duì)楊木進(jìn)行預(yù)處理，結(jié)果表明：白腐菌生物預(yù)處理能夠在保證紙張物理性能的條件下, 達(dá)到有效降低污染、節(jié)約能耗的目的。尤紀(jì)雪等[38]研究了松木層孔菌（Phellinus pini）預(yù)處理?xiàng)钅緦?duì)后續(xù)硫酸鹽蒸煮及漿料性能的影響，發(fā)現(xiàn)在與對(duì)照組相同的培養(yǎng)條件下，生物預(yù)處理能節(jié)省1%的用堿量。眾多研究也表明，生物制漿可以降低kappa值和電能消耗，提高紙漿產(chǎn)量及紙張強(qiáng)度，降低對(duì)環(huán)境的影響等。隨著人們對(duì)環(huán)境和能源消耗的日益重視，將進(jìn)一步推動(dòng)白腐菌在生物制漿中的應(yīng)用[39]。

2.4 醇解預(yù)處理

由于生物乙醇的清潔和可再生性，許多研究人員嘗試通過(guò)木材的糖化醇解轉(zhuǎn)化獲得生物燃料，以期代替人類長(zhǎng)期依賴的石化工業(yè)能源。

用木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)乙醇的預(yù)處理是在酶解前分解木質(zhì)素。在現(xiàn)存的預(yù)處理方法中，生物法能夠節(jié)約能耗, 降低對(duì)反應(yīng)器的要求。Sasaki等[40]分別對(duì)經(jīng)真菌處理和不經(jīng)真菌處理的紙漿餾分進(jìn)行同步糖化和發(fā)酵，根據(jù)紙漿中全新纖維素的含量，得到的乙醇產(chǎn)量分別為35.8%和27.0%。Itoh等[41]采用山毛櫸木片以糖化發(fā)酵(SSF)法生產(chǎn)乙醇，其中蟲(chóng)擬蠟菌（Ceriporiopsis subvermispora）同步糖化發(fā)酵的產(chǎn)量較高，用蟲(chóng)擬蠟菌預(yù)處理后得到的乙醇產(chǎn)量是不加真菌處理的1.6 倍。Baba等[42]用蟲(chóng)擬蠟菌FP-90031 和一種新的真菌分離物針層孔菌（Phellinus sp.）處理杉木連續(xù)8 周后，通過(guò)乙醇分解得到的每100 g真菌預(yù)處理生物量產(chǎn)生42.2 g總還原糖。研究發(fā)現(xiàn)，采用溶劑分解和白腐菌培養(yǎng)相結(jié)合的預(yù)處理方法顯著增加了乙醇的生產(chǎn)效率。由此，大力發(fā)展纖維素燃料乙醇代替石油燃料,符合我國(guó)的國(guó)情和可持續(xù)發(fā)展的政策。

2.5 糖化預(yù)處理

木質(zhì)纖維素是一種有效代替化石能源的可再生資源,將其高效糖化是獲取生物質(zhì)液體燃料的關(guān)鍵，也為生物預(yù)處理應(yīng)用于工業(yè)提供了依據(jù)。

大多數(shù)白腐菌能同時(shí)降解木質(zhì)素和多糖[43]，Li 等[44]的研究表明：白腐真菌具有優(yōu)先降解抗性木質(zhì)素的能力，并且在真菌腐爛過(guò)程中，LPMOs（裂解多糖單加氧酶）可作為輔助酶參與木質(zhì)素氧化，促進(jìn)多糖的酶解過(guò)程。Qin等[45]利用6 種真菌對(duì)竹子進(jìn)行生物培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)預(yù)處理基質(zhì)的纖維素-葡萄糖轉(zhuǎn)化率(CGCY)與菌種、預(yù)處理時(shí)間和培養(yǎng)基的關(guān)系。研究表明：部分真菌經(jīng)預(yù)處理后能顯著提高CGCY，用真菌對(duì)竹材進(jìn)行糖化處理是可行的。Lee等[46]使用3 種白腐真菌對(duì)日本紅松進(jìn)行8 周生物預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)木材的總失重和化學(xué)成分的變化與這些真菌中與木質(zhì)素和纖維素降解相關(guān)的酶活性密切相關(guān)。當(dāng)木粉中的有效孔徑增加到120 nm以上時(shí)，木粉中的酶還可用于進(jìn)一步的酶促糖化。因此認(rèn)為毛韌革菌（S.Hirsutum）可以有效提高木質(zhì)生物質(zhì)的糖產(chǎn)量。Machado等[47]利用白腐菌預(yù)處理甘蔗的總體質(zhì)量平衡試驗(yàn)也表明：白腐菌能夠保留大部分葡聚糖組分從而提高糖產(chǎn)量，同時(shí)對(duì)木質(zhì)素具有選擇性降解作用，提高了生物處理材料對(duì)纖維素的消化率。Saha等[48]將白腐真菌在28 ℃、74%的水分條件下固體培養(yǎng)30 d后預(yù)處理玉米秸稈，并加入3 種商用酶配制的混合物，酶解后發(fā)現(xiàn)玉米秸稈中產(chǎn)生可發(fā)酵糖,預(yù)處理時(shí)間越長(zhǎng)糖產(chǎn)量越高。王偉等[49]綜合利用L.betulinus C5617（樺褶孔菌）協(xié)同熱水預(yù)處理毛白楊的試驗(yàn)也證實(shí)，真菌菌株結(jié)合其他條件進(jìn)行生物預(yù)處理也可以提升糖化產(chǎn)率。

2.6 堆肥

堆肥化處理是將有機(jī)固體廢棄物轉(zhuǎn)化成有機(jī)質(zhì)和氮等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的有效途徑[50]。為了進(jìn)一步有效降解堆肥中的木質(zhì)素、縮短堆肥時(shí)間、促進(jìn)腐殖質(zhì)形成和減少堆肥生物質(zhì)毒性[51]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼開(kāi)展了功能微生物添加劑方面的研究。

白腐菌作為一種常用的添加菌劑逐步應(yīng)用于生物質(zhì)堆肥中，在復(fù)雜的堆肥系統(tǒng)中，白腐菌與其他菌種協(xié)同作用降解木質(zhì)素效果顯著。李文玉等[52]采用高溫好氧堆肥系統(tǒng)設(shè)計(jì)將試件接種在白腐菌+放線菌上，相比空白試件，接種白腐菌+放線菌處理堆體中木質(zhì)素和纖維素的結(jié)構(gòu)變化明顯, 降解程度更徹底，堆體升溫加速,在35 d (GI＞80%) 達(dá)到腐熟, 縮短堆體的腐熟期5～15 d。章淑艷等[53]采用室內(nèi)堆肥試驗(yàn),結(jié)果表明：添加白腐菌較對(duì)照處理降解率高43.5%，而且在短時(shí)間內(nèi)迅速升溫,節(jié)約了堆肥時(shí)間。添加白腐菌對(duì)秸稈腐熟的增效作用顯著。

2.7 飼料預(yù)發(fā)酵

用生物降解的方法去除木質(zhì)素，能夠打破生物質(zhì)結(jié)構(gòu)的抗性屏障, 促進(jìn)纖維類物質(zhì)的水解釋放, 從而加快反芻動(dòng)物對(duì)木質(zhì)纖維素的消化速率[54]，一些學(xué)者已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了生物預(yù)處理方法的可行性。Azmi等[55]利用白腐菌預(yù)處理油棕櫚葉(OPF) 以提高其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，發(fā)現(xiàn)白腐菌在提高農(nóng)副產(chǎn)品畜禽飼料利用率方面具有較好的酶活性。龔劍明[56]的實(shí)驗(yàn)表明香菇菌和黃孢原毛平革菌能夠改善油菜秸稈降解率和有效消化率，提高飼料的適口性和利用率。王雨瓊等[57]選取4 種側(cè)耳屬白腐菌分別接種在試驗(yàn)組玉米秸稈上固態(tài)發(fā)酵一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn) 4 種白腐菌組的粗蛋白質(zhì) (CP) 含量、粗脂肪 (EE) 含量、總氨基酸含量、體外干物質(zhì)消化率均高于對(duì)照組。由此可見(jiàn), 白腐菌預(yù)處理的玉米秸稈可以作為反芻動(dòng)物新型飼料資源。

3 結(jié)語(yǔ)

從可持續(xù)發(fā)展角度，將生物預(yù)處理應(yīng)用于生物質(zhì)材料改性是一個(gè)重要的研究方向。白腐菌具有的獨(dú)特胞外過(guò)氧化物酶降解系統(tǒng)，使之成為生命科學(xué)環(huán)境工程應(yīng)用開(kāi)發(fā)的寶貴資源。但當(dāng)前白腐菌的應(yīng)用存在一些局限，其中預(yù)處理周期較長(zhǎng)是制約白腐菌應(yīng)用的最大瓶頸。因此培養(yǎng)生長(zhǎng)迅速、能大規(guī)模應(yīng)用于工業(yè)的白腐菌還需要進(jìn)一步篩選。今后研究的突破點(diǎn)在于將白腐菌生物技術(shù)與其他學(xué)科（物理學(xué)、化學(xué)、生態(tài)學(xué)等）相互滲透結(jié)合，開(kāi)發(fā)出能耗低、環(huán)境友好的生物質(zhì)復(fù)合材料。