發(fā)布時(shí)間：2014-03-13所屬分類：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 秸稈中的木質(zhì)素是潛在的可再生資源。近年來,利用生物法對(duì)其進(jìn)行降解已成為研究熱點(diǎn)。從木質(zhì)素生物降解性出發(fā),對(duì)降解木質(zhì)素微生物、酶系以及降解條件進(jìn)行介紹,以期為木質(zhì)素生物降解法的推廣應(yīng)用提供參考。
摘要：秸稈中的木質(zhì)素是潛在的可再生資源。近年來,利用生物法對(duì)其進(jìn)行降解已成為研究熱點(diǎn)。從木質(zhì)素生物降解性出發(fā),對(duì)降解木質(zhì)素微生物、酶系以及降解條件進(jìn)行介紹,以期為木質(zhì)素生物降解法的推廣應(yīng)用提供參考。
關(guān)鍵詞：生物法降解,秸稈,木質(zhì)素
秸稈是一種豐富的纖維素可再生資源,我國(guó)農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量逾6億t,除少量被用于造紙、紡織等行業(yè)或用作粗飼料、薪柴外,大部分以堆積、荒燒等形式直接傾入環(huán)境,造成極大的污染和浪費(fèi)。能源緊張、糧食短缺及環(huán)境污染日趨嚴(yán)重是目前世界各國(guó)所面臨的難題。而可再生資源的轉(zhuǎn)化利用,能在有利于生態(tài)平衡的條件下緩解或解決問題。
木質(zhì)素又稱木素,是植物界中含量?jī)H次于纖維素的一類高分子有機(jī)物質(zhì),是一種極具潛力的可再生資源,每年全世界由植物可生長(zhǎng)1 500億t木質(zhì)素,且木質(zhì)素總與纖維素伴生,具有無毒、價(jià)廉、較好的可熱塑和玻璃化特性。木質(zhì)素是由苯丙烷結(jié)構(gòu)單元組成的復(fù)雜的、近似球狀的芳香族高聚體,由對(duì)羥基肉桂醇(phydroxy cinamylalcohols)脫氫聚合而成,一般認(rèn)為木質(zhì)素共有3種基本結(jié)構(gòu)(非縮合型結(jié)構(gòu)),即愈創(chuàng)木基結(jié)構(gòu)、紫丁香基結(jié)構(gòu)和對(duì)羥苯基結(jié)構(gòu)。木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元之間以醚鍵和碳-碳鍵連接,連接部位可發(fā)生在苯環(huán)酚羥基之間,或發(fā)生在結(jié)構(gòu)單元中3個(gè)碳原子之間,或是苯環(huán)側(cè)鏈之間。木質(zhì)素由于分子量大,溶解性差,沒有任何規(guī)則的重復(fù)單元或易被水解的鍵,因此木質(zhì)素分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜而不規(guī)則。
從20世紀(jì)開始,國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直在尋找降解木質(zhì)纖維素的最佳途徑,研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾方面:物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法、生物降解法。物理法包括輻射、聲波、粉碎、整齊爆破等。化學(xué)法包括無機(jī)酸(硫酸、乙酸、鹽酸等)、堿(氫氧化鈉、氨水等)和有機(jī)溶劑(甲醇、乙醇)等。物理化學(xué)法,即化學(xué)添加法和氣爆法相結(jié)合。此3種方法,可在一定程度上降解秸稈中的木質(zhì)纖維素,但都存在條件苛刻、設(shè)備要求高的特點(diǎn),從而使預(yù)處理成本增加,且污染嚴(yán)重。生物降解法是從20世紀(jì)20年代起開始研究的,采用降解木質(zhì)素的微生物在培養(yǎng)過程中可以產(chǎn)生分解的酶類,從而可以專一性降解木質(zhì)素。此法具有作用條件溫和、專一性強(qiáng)、無環(huán)境污染、處理成本低等優(yōu)點(diǎn)。
1降解秸稈木質(zhì)素的微生物
在自然界中,木質(zhì)素的完全降解是由于真菌、細(xì)菌及相應(yīng)的微生物群落共同作用的結(jié)果。從20世紀(jì)起,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)木質(zhì)素降解的研究從白腐真菌開始。白腐真菌是指一類具有相同功能引起木質(zhì)白色腐爛的絲狀真菌的集合,憑借其選擇性降解木質(zhì)素的能力,白腐真菌的菌絲穿入木質(zhì),侵入木質(zhì)細(xì)胞腔內(nèi),釋放降解木質(zhì)素的酶,導(dǎo)致木質(zhì)腐爛為淡色的海綿狀團(tuán)塊。目前,用于木質(zhì)素降解研究的白腐菌主要有黃孢原毛平革菌(Phanerochete chrysosporium)、雜色云芝(Coridus versicolor)、香菇(Lentinula edodes)、變色栓菌(Thametes Versicolor)、朱紅密孔菌(Pycnoporus cinnabarinus)等。以稻草秸稈加20%棉籽殼為培養(yǎng)基質(zhì),接入3種側(cè)耳菌株,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),從接種到子實(shí)體形成過程中,培養(yǎng)物的木質(zhì)素呈不斷下降水平,木質(zhì)素降解率與酶活變化趨勢(shì)基本相似。]通過傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分析和木質(zhì)纖維素組分含量變化,研究了3株白腐菌在50d培養(yǎng)期內(nèi)降解稻草秸稈中木質(zhì)纖維素的降解規(guī)律,結(jié)果表明:3株白腐菌對(duì)稻草秸稈中木質(zhì)纖維素降解具有一定的順序和選擇性,先降解半纖維素和木質(zhì)素,再同時(shí)降解半纖維素、纖維素和木質(zhì)素,并且對(duì)木質(zhì)素有很好的降解優(yōu)勢(shì)。研究白腐菌產(chǎn)木質(zhì)素過氧化物酶發(fā)酵條件,利用Lip粗酶液在體外直接降解稻草,3d后Klason木質(zhì)素的降解率為8.7%。研究了白腐菌及其產(chǎn)生的木質(zhì)素降解酶系對(duì)秸稈的木質(zhì)素生物降解方法,采用黃孢原毛平革菌和雜色云芝雙菌聯(lián)合固態(tài)培養(yǎng)可使木質(zhì)素降解率達(dá)到47.64%。以香菇、金針菇、杏鮑菇等9種食用菌對(duì)云杉木質(zhì)素的降解進(jìn)行研究,試驗(yàn)表明:杏鮑菇對(duì)木質(zhì)素的降解能力最強(qiáng),其次是木耳、茶樹菇、柳菇、榆黃菇對(duì)木質(zhì)素降解能力較高,其余4種食用菌降解木質(zhì)素能力較弱。
20世紀(jì)80~90年代的研究表明細(xì)菌可以代謝低分子的磺化木質(zhì)素、Kraft木質(zhì)素片斷等,細(xì)菌能夠使木質(zhì)素結(jié)構(gòu)發(fā)生改性,成為水溶性的聚合產(chǎn)物;另外,細(xì)菌與真菌協(xié)同作用使木質(zhì)素易于受到真菌的攻擊,且可去除對(duì)腐朽真菌有毒性的物質(zhì)。降解木質(zhì)素的細(xì)菌種類很多,其中放線菌是公認(rèn)降解能力較強(qiáng)的細(xì)菌,包括鏈霉菌(Strptomyces)、節(jié)桿菌(Arthrobacter)、小單胞菌(Micromonospra)等。Tuomela M等[18]研究表明鏈霉屬的絲狀細(xì)菌降解木質(zhì)素最高可達(dá)20%,放線菌對(duì)木質(zhì)素的降解主要在于增加木質(zhì)素的水溶性。其他降解木質(zhì)素的細(xì)菌主要是非絲狀細(xì)菌,能夠在一定程度上引起木質(zhì)素的降解,如微球菌屬(Micrococcussp)、假單胞菌屬(Pseudomona ssp.)、黃單胞菌屬(Xanthomonas sp.)等。非絲狀細(xì)菌降解木質(zhì)素的能力較差,只能降解小分子量或者木質(zhì)素的降解產(chǎn)物,其中假單胞菌屬是最有效的降解菌。張甲耀等[20]通過對(duì)一嗜堿細(xì)菌對(duì)麥草木質(zhì)素降解能力的研究,發(fā)現(xiàn)在最佳綜合培養(yǎng)條件下該菌株10d對(duì)木質(zhì)素降解率可達(dá)49.84%。
2秸稈木質(zhì)素降解酶系
目前認(rèn)為最重要的木質(zhì)素降解酶有3種,即木質(zhì)素過氧化物酶(Lignin Peroxidase,Lip)、錳過氧化物酶(Man-dependent Peroxidase,Mnp)和漆酶(Laccase,Lac)。木質(zhì)素過氧化物酶和錳過氧化物酶可使木質(zhì)素分子中碳—碳鍵斷裂成苯氧殘基,漆酶對(duì)木質(zhì)素有降解和聚合的雙重作用。
Lip是最早發(fā)現(xiàn)的木質(zhì)素降解酶,存在于大多數(shù)降解菌中,它是一種糖蛋白,分子量約41 000,有1個(gè)血紅素構(gòu)成其活性中心,可連接至少1個(gè)黎蘆醇。Lip能催化木質(zhì)素中富含電子的酚型或非酚型芳香化合物發(fā)生氧化,從而使木質(zhì)素形成活性基團(tuán),然后發(fā)生一系列的非酶促裂解反應(yīng),實(shí)現(xiàn)對(duì)底物的部分氧化或徹底的氧化。
Mnp 也是最常見的木質(zhì)素降解酶,也是一種糖蛋白,分子量約46 000。錳過氧化物酶在過氧化氫存在時(shí)能氧化酚型木質(zhì)素及木質(zhì)素模型物,即由Mn2+及一種螯合物催化木質(zhì)素發(fā)生降解。Mn2+被氧化成Mn3+,Mn3+反過來又氧化酚型化合物,并保護(hù)Mnp不受反應(yīng)活性自由基的破壞。
Lac是一種多酚氧化酶,是一種典型含Cu2+的糖蛋白。Lac所催化的主要是氧化反應(yīng),表現(xiàn)在底物自由基的生成和4個(gè)銅離子的協(xié)同作用,主要攻擊木質(zhì)素中的苯酚結(jié)構(gòu)單元;在反應(yīng)中,苯酚的核失去1個(gè)電子而被氧化,產(chǎn)生含苯氧基的自由活性基團(tuán),可導(dǎo)致芳香基的裂解。Lac同時(shí)具有催化解聚和聚合木質(zhì)素的作用,因此單獨(dú)存在時(shí)不能降解木質(zhì)素,只有同時(shí)存在Mnp等其他酶,避免反應(yīng)產(chǎn)物重新聚合時(shí),才有較高的木質(zhì)素降解效率。
3秸稈木質(zhì)素生物降解的條件
在木質(zhì)素降解過程中,碳源和氮源的來源以及營(yíng)養(yǎng)限制對(duì)生物降解木質(zhì)素有極大的影響,是木質(zhì)素降解的關(guān)鍵因素。研究報(bào)道P.chrysosporium和Lentinula edodes只有在其他替代碳源如葡萄糖存在時(shí)才能降解木質(zhì)素。碳源和氮源對(duì)Coriolus versicolor木質(zhì)素酶分泌的影響,發(fā)現(xiàn)淀粉含量豐富的物質(zhì)做碳源有利于木質(zhì)素降解酶的分泌。在靜置和振蕩2種方式下不同營(yíng)養(yǎng)條件對(duì)白腐菌合成木質(zhì)素過氧化物酶(Lip)的影響。靜置培養(yǎng)時(shí),碳氮比低的培養(yǎng)基中顯示較高的酶活,碳源以葡萄糖和糊精同時(shí)存在及分段加入要比單一葡萄糖作為碳源時(shí)獲得更高的酶活;振蕩培養(yǎng)時(shí),在碳氮比高的培養(yǎng)基中酶活最高,而類似于靜置培養(yǎng)的氮源組合及分段模式卻明顯抑制Lip的合成。
Cu2+、Fe2+、Mn2+等金屬離子對(duì)木質(zhì)素降解有很大的影響。Pleurotus o-streatus在含不同量Mn2+的固體發(fā)酵培養(yǎng)基中對(duì)木質(zhì)素的降解,結(jié)果表明增加Mn2+的含量可使木質(zhì)素降解率提高。Cu2+對(duì)Panus conchatus產(chǎn)木質(zhì)素降解酶的調(diào)控,結(jié)果表明,Mnp的產(chǎn)生受Cu2+濃度影響不大,而Lac的產(chǎn)生卻受Cu2+的嚴(yán)格調(diào)控。沒有Cu2+的存在,Lac酶活力很低,適量的Cu2+濃度能夠提高Lac酶活力。
許多研究表明,某些具有木質(zhì)素結(jié)構(gòu)類似物的添加可以明顯提高木質(zhì)素降解能力。外國(guó)學(xué)者F.Tonon等[30]報(bào)道黎蘆醇對(duì)P.chrysosporium Lip合成的影響,通過在不同的碳源培養(yǎng)基中加入一定量的黎蘆醇,發(fā)現(xiàn)2種培養(yǎng)基中的Lip酶活力都提高。對(duì)一嗜堿細(xì)菌降解木質(zhì)素時(shí)發(fā)現(xiàn),ABTS、愈創(chuàng)木酚能提高嗜堿細(xì)菌產(chǎn)Mnp和Lac的產(chǎn)量。
4結(jié)語(yǔ)
生物法降解秸稈木質(zhì)素具有條件溫和、專一性強(qiáng)、不存在環(huán)境污染、處理成本低等優(yōu)點(diǎn),隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和研究的不斷深入,開發(fā)出降解秸稈木質(zhì)素的復(fù)合菌劑,對(duì)于解決能源緊張、糧食短缺及環(huán)境污染等難題具有重要的指導(dǎo)作用。
