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摘 要： 秸稈中的木質素是潛在的可再生資源。近年來,利用生物法對其進行降解已成為研究熱點。從木質素生物降解性出發,對降解木質素微生物、酶系以及降解條件進行介紹,以期為木質素生物降解法的推廣應用提供參考。
摘要：秸稈中的木質素是潛在的可再生資源。近年來,利用生物法對其進行降解已成為研究熱點。從木質素生物降解性出發,對降解木質素微生物、酶系以及降解條件進行介紹,以期為木質素生物降解法的推廣應用提供參考。
關鍵詞：生物法降解,秸稈,木質素
秸稈是一種豐富的纖維素可再生資源,我國農作物秸稈年產量逾6億t,除少量被用于造紙、紡織等行業或用作粗飼料、薪柴外,大部分以堆積、荒燒等形式直接傾入環境,造成極大的污染和浪費。能源緊張、糧食短缺及環境污染日趨嚴重是目前世界各國所面臨的難題。而可再生資源的轉化利用,能在有利于生態平衡的條件下緩解或解決問題。
木質素又稱木素,是植物界中含量僅次于纖維素的一類高分子有機物質,是一種極具潛力的可再生資源,每年全世界由植物可生長1 500億t木質素,且木質素總與纖維素伴生,具有無毒、價廉、較好的可熱塑和玻璃化特性。木質素是由苯丙烷結構單元組成的復雜的、近似球狀的芳香族高聚體,由對羥基肉桂醇(phydroxy cinamylalcohols)脫氫聚合而成,一般認為木質素共有3種基本結構(非縮合型結構),即愈創木基結構、紫丁香基結構和對羥苯基結構。木質素結構單元之間以醚鍵和碳-碳鍵連接,連接部位可發生在苯環酚羥基之間,或發生在結構單元中3個碳原子之間,或是苯環側鏈之間。木質素由于分子量大,溶解性差,沒有任何規則的重復單元或易被水解的鍵,因此木質素分子結構復雜而不規則。
從20世紀開始,國內外學者一直在尋找降解木質纖維素的最佳途徑,研究內容主要包括以下幾方面:物理法、化學法、物理化學法、生物降解法。物理法包括輻射、聲波、粉碎、整齊爆破等。化學法包括無機酸(硫酸、乙酸、鹽酸等)、堿(氫氧化鈉、氨水等)和有機溶劑(甲醇、乙醇)等。物理化學法,即化學添加法和氣爆法相結合。此3種方法,可在一定程度上降解秸稈中的木質纖維素,但都存在條件苛刻、設備要求高的特點,從而使預處理成本增加,且污染嚴重。生物降解法是從20世紀20年代起開始研究的,采用降解木質素的微生物在培養過程中可以產生分解的酶類,從而可以專一性降解木質素。此法具有作用條件溫和、專一性強、無環境污染、處理成本低等優點。
1降解秸稈木質素的微生物
在自然界中,木質素的完全降解是由于真菌、細菌及相應的微生物群落共同作用的結果。從20世紀起,國內外學者對木質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白色腐爛的絲狀真菌的集合,憑借其選擇性降解木質素的能力,白腐真菌的菌絲穿入木質,侵入木質細胞腔內,釋放降解木質素的酶,導致木質腐爛為淡色的海綿狀團塊。目前,用于木質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%棉籽殼為培養基質,接入3種側耳菌株,經研究發現,從接種到子實體形成過程中,培養物的木質素呈不斷下降水平,木質素降解率與酶活變化趨勢基本相似。]通過傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分析和木質纖維素組分含量變化,研究了3株白腐菌在50d培養期內降解稻草秸稈中木質纖維素的降解規律,結果表明:3株白腐菌對稻草秸稈中木質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素,再同時降解半纖維素、纖維素和木質素,并且對木質素有很好的降解優勢。研究白腐菌產木質素過氧化物酶發酵條件,利用Lip粗酶液在體外直接降解稻草,3d后Klason木質素的降解率為8.7%。研究了白腐菌及其產生的木質素降解酶系對秸稈的木質素生物降解方法,采用黃孢原毛平革菌和雜色云芝雙菌聯合固態培養可使木質素降解率達到47.64%。以香菇、金針菇、杏鮑菇等9種食用菌對云杉木質素的降解進行研究,試驗表明:杏鮑菇對木質素的降解能力最強,其次是木耳、茶樹菇、柳菇、榆黃菇對木質素降解能力較高,其余4種食用菌降解木質素能力較弱。
20世紀80~90年代的研究表明細菌可以代謝低分子的磺化木質素、Kraft木質素片斷等,細菌能夠使木質素結構發生改性,成為水溶性的聚合產物;另外,細菌與真菌協同作用使木質素易于受到真菌的攻擊,且可去除對腐朽真菌有毒性的物質。降解木質素的細菌種類很多,其中放線菌是公認降解能力較強的細菌,包括鏈霉菌(Strptomyces)、節桿菌(Arthrobacter)、小單胞菌(Micromonospra)等。Tuomela M等[18]研究表明鏈霉屬的絲狀細菌降解木質素最高可達20%,放線菌對木質素的降解主要在于增加木質素的水溶性。其他降解木質素的細菌主要是非絲狀細菌,能夠在一定程度上引起木質素的降解,如微球菌屬(Micrococcussp)、假單胞菌屬(Pseudomona ssp.)、黃單胞菌屬(Xanthomonas sp.)等。非絲狀細菌降解木質素的能力較差,只能降解小分子量或者木質素的降解產物,其中假單胞菌屬是最有效的降解菌。張甲耀等[20]通過對一嗜堿細菌對麥草木質素降解能力的研究,發現在最佳綜合培養條件下該菌株10d對木質素降解率可達49.84%。
2秸稈木質素降解酶系
目前認為最重要的木質素降解酶有3種,即木質素過氧化物酶(Lignin Peroxidase,Lip)、錳過氧化物酶(Man-dependent Peroxidase,Mnp)和漆酶(Laccase,Lac)。木質素過氧化物酶和錳過氧化物酶可使木質素分子中碳—碳鍵斷裂成苯氧殘基,漆酶對木質素有降解和聚合的雙重作用。
Lip是最早發現的木質素降解酶,存在于大多數降解菌中,它是一種糖蛋白,分子量約41 000,有1個血紅素構成其活性中心,可連接至少1個黎蘆醇。Lip能催化木質素中富含電子的酚型或非酚型芳香化合物發生氧化,從而使木質素形成活性基團,然后發生一系列的非酶促裂解反應,實現對底物的部分氧化或徹底的氧化。
Mnp 也是最常見的木質素降解酶,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能氧化酚型木質素及木質素模型物,即由Mn2+及一種螯合物催化木質素發生降解。Mn2+被氧化成Mn3+,Mn3+反過來又氧化酚型化合物,并保護Mnp不受反應活性自由基的破壞。
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,表現在底物自由基的生成和4個銅離子的協同作用,主要攻擊木質素中的苯酚結構單元;在反應中,苯酚的核失去1個電子而被氧化,產生含苯氧基的自由活性基團,可導致芳香基的裂解。Lac同時具有催化解聚和聚合木質素的作用,因此單獨存在時不能降解木質素,只有同時存在Mnp等其他酶,避免反應產物重新聚合時,才有較高的木質素降解效率。
3秸稈木質素生物降解的條件
在木質素降解過程中,碳源和氮源的來源以及營養限制對生物降解木質素有極大的影響,是木質素降解的關鍵因素。研究報道P.chrysosporium和Lentinula edodes只有在其他替代碳源如葡萄糖存在時才能降解木質素。碳源和氮源對Coriolus versicolor木質素酶分泌的影響,發現淀粉含量豐富的物質做碳源有利于木質素降解酶的分泌。在靜置和振蕩2種方式下不同營養條件對白腐菌合成木質素過氧化物酶(Lip)的影響。靜置培養時,碳氮比低的培養基中顯示較高的酶活,碳源以葡萄糖和糊精同時存在及分段加入要比單一葡萄糖作為碳源時獲得更高的酶活;振蕩培養時,在碳氮比高的培養基中酶活最高,而類似于靜置培養的氮源組合及分段模式卻明顯抑制Lip的合成。
Cu2+、Fe2+、Mn2+等金屬離子對木質素降解有很大的影響。Pleurotus o-streatus在含不同量Mn2+的固體發酵培養基中對木質素的降解,結果表明增加Mn2+的含量可使木質素降解率提高。Cu2+對Panus conchatus產木質素降解酶的調控,結果表明,Mnp的產生受Cu2+濃度影響不大,而Lac的產生卻受Cu2+的嚴格調控。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,某些具有木質素結構類似物的添加可以明顯提高木質素降解能力。外國學者F.Tonon等[30]報道黎蘆醇對P.chrysosporium Lip合成的影響,通過在不同的碳源培養基中加入一定量的黎蘆醇,發現2種培養基中的Lip酶活力都提高。對一嗜堿細菌降解木質素時發現,ABTS、愈創木酚能提高嗜堿細菌產Mnp和Lac的產量。
4結語
生物法降解秸稈木質素具有條件溫和、專一性強、不存在環境污染、處理成本低等優點,隨著科學技術的發展和研究的不斷深入,開發出降解秸稈木質素的復合菌劑,對于解決能源緊張、糧食短缺及環境污染等難題具有重要的指導作用。
