白腐真菌降解木质素酶系特性及其应用

摘要木质素是潜在的可再生资源,近年来利用白腐真菌对其进行降解已成为研究的热点。简述了白腐菌降解木质素酶系及催化作用以及白腐真菌的降解机理,介绍了白腐真菌在农作物秸秆、造纸工业、食品工业以及生物堆肥中的应用。

关键词白腐真菌;木质素;解酶;应用

中图分类号 TQ351.01+2 文献标识码A 文章编号 1007-5739(2009)11-0274-02

木质素是由苯丙烷单元通过醚键和碳-碳键连接而成的具有三维空间结构的高分子芳香族类聚合物,组成单元的结构及其连接键复杂而稳定,使得木质素很难降解[1]。在植物组织中木质素与半纤维素以共价键形式结合,并将纤维素分子包埋其中,形成一种坚固的天然屏障,使一般微生物很难进入其中分解纤维素。因此,纤维素的分解关键在于木质素的降解。在自然界中,木质素的完全降解是真菌、细菌和相关微生物群落共同作用的结果,其中真菌起重要的作用,典型的木质素分解真菌是白腐真菌[2]。

1白腐真菌

白腐真菌是一类能使木材呈白色腐朽的丝状真菌。分类学上白腐真菌属于真菌门,主要为担子菌纲,少数为子囊菌。它相对于纤维素类成分更易降解木质素,在腐朽木质素过程中几乎是同时破坏多糖和木质素,能在一定条件下将木质的主要成分(木质素、纤维素、半纤维素)全部降解为CO2和H2O。由于白腐真菌能够分泌胞外氧化酶降解木质素,所以白腐菌被认为是目前最为理想的的一类降解木素的真菌[3]。

目前研究较多的白腐真菌种类有黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)、彩绒革盖菌(Coridus versicolor)、变色栓菌(Thametes versicolor)、射脉菌(Phlebia ra-diata)、凤尾菇(Pleurotus pulmononanus)、朱红密孔菌(Pycnoporus cinnabarinus)等[4]。

2白腐真菌木质素降解酶

在20世纪80年代,木质素降解酶有了突破性研究。1983年美国的Tien和Kirk带领2个研究小组[5],分别从黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)发现了木质素过氧化物酶(Lignin peroxidase,简称Lip)。翌年,Cold小组[5]又从黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium Bued)发现了锰过氧化物酶(mangnase peroxidase,简称MnP)以及由日本吉田首次在生漆中发现的漆酶(Laccase,简称Lac),共同构成了白腐真菌的木质素降解酶系[3]。

LiP和MnP都是含正铁的血红素糖蛋白,需要在过氧化氢存在下降解木质素。它们的不同在于催化机制――从芳香族底物(苯酚或非酚类)的芳环中夺取单个电子的方式。LiP直接可以与芳香族底物反应,形成阳离子自由基,引起芳环结构的开裂、木素单体烷基侧链的氧化;MnP用木质组织中广泛存在的Mn2+作为反应底物,将Mn2+氧化成 Mn3+,Mn3+从酶的表面扩散离开,再去氧化酶类化合物、不溶性的终底物及木质素[3,4,6]。

Lac是一种含铜的酚氧化酶,最早从漆树的分泌物中发现[7],现在研究发现这种酶存在于很多种真菌中。漆酶在氧的参与下,将单电子传递给分子氧,使其还原成水;同时,从酚类底物分子中获取电子形成半醌自由基,该自由基再发生非酶催化反应。在这一过程中,漆酶从底物分子中提取1个电子,使之形成自由基,该自由基不稳定,可进一步发生聚合或解聚反应,导致键的不稳定,从而打断木质素分子[6,8,9]。

3白腐真菌降解木质素的机理

白腐菌对木质素的降解是一个以过氧化物酶(LiP和MnP)为启动者的自由基链反应。首先,木质素在木质素降解酶的作用下发生解聚,生成许多高度反应性的自由基中间体;然后以链反应的方式产生许多不同的自由基,导致种种连接键的断裂,使木质素解聚成各种低分子量片段,其中小于1ku的占多数,再经过完全彻底的氧化直至降解为CO2[10]。

白腐真菌对木质素的降解主要是细胞外的氧化过程。在适宜的条件下,白腐真菌的菌丝首先用其分泌的超纤维氧化酶溶解植物表面的蜡质;然后菌丝进入植物内部并分泌释放降解木质素的酶系。在过氧化物氢存在的情况下,LiP、MnP以及Lac协同作用于连接木质素结构单元之间的酯键或醚键,首先使木质素分解成单个的结构单元,然后再进一步催化苯丙烯醇之间的Cα-Cβ键断成两分子的苯丙烯醇,最后苯丙烯醇断链降解为小分子的化合物完成木质素的降解[11]。

4白腐真菌降解木质素的应用

(1)农作物秸秆的饲料化。白腐真菌不仅可以将秸秆等农副产品中动物难以利用的木质素进行降解,还可以把秸秆中的低质非蛋白氮(NPN)转化为较高质量的菌体蛋白[12]。宋瑞清等[13]选用稻草作为原料培养基,接种平菇30d后,木质素降解率为23.36%,蛋白质含量增加了45.85%。杭怡琼等[14]研究表明,白腐真菌对稻草秸秆中木质素的降解率平均可达37.76%,其中14d时的木质素降解率最高达到21.98%。更让研究人员感兴趣的是,经白腐真菌处理后的秸秆不仅营养成分有了极大提高,而且其酸度由未处理前pH值6.5~7.0降到了pH值4.0左右,有水果香味,并且秸秆质地柔软,适口性明显改善[15]。用白腐真菌处理秸秆饲料时,秸秆饲料不需要进行化学或物理预处理,即对底物没有选择性[16]。

(2)造纸工业。白腐真菌降解木质素广泛应用于造纸工业中的生物机械制浆、生物漂白及废水处理等过程[3]。生物机械制浆是指在机械制浆之前,利用白腐真菌对木片进行预处理,降低磨浆能耗及提高产品质量[17]。例如:Settliff[18]利用Ceriporiopsis subvermispora和P.chrysosprium对杨木和挪威云杉进行预处理,与未用菌处理相比,杨木可降低20%的能耗、云杉降低13%的能耗;用Phlebia brevispora进行生物制浆预处理降低47%的能耗,并增加了纸浆的张力[19];邓耀杰[20]研究表明:白腐真菌能较好地降解制浆等工业废水中的难降解的芳香族化合物;邹世春等[21]利用改进的PVA-H3BO3包埋白腐真菌P.chrysosporium处理有机废水,其中的烃类物质降解率在80%以上,而且随着微生物固定化技术的进一步成熟,微生物对工业废水的处理能力将会进一步增强。

(3)食品工业。在食品工业中,由于啤酒、果汁等饮料中含有酚或芳胺类物质,因而在生产以及储存期间常常出现浑浊或沉淀。可以利用白腐真菌木质素降解酶中的漆酶氧化饮料中的多酚物质,达到净化饮料的目的[22]。例如:苹果汁用固定化漆酶处理后,可除去其中的儿茶素、绿原酸等酚类物质,从而可以在长期储存中保持澄清;漆酶可氧化红葡萄酒中的色素,使红葡萄酒呈色或改变葡萄酒的颜色[23]。漆酶还可以改善面团的品质。由于面筋蛋白中的半胱氨酸(主要二硫键的数目和大小)是面筋的空间结构和面团形成的关键,漆酶可以将面筋蛋白中的巯基氧化为二硫键,使面筋蛋白发生交联,从而改善面团的功能性质,使面团更耐搅拌并且干而不粘[24]。

(4)生物堆肥。生物堆肥是指利用微生物的降解作用将秸秆等有机物转化为有机肥料的1种资源化方法。由于白腐真菌在生长活动中分泌木素降解酶、纤维素降解酶以及半纤维素降解酶,将白腐真菌应用到堆肥中,可以有效地降解秸秆中的木质纤维素,再将木质纤维素转化为腐殖质[25]。黄丹莲等[26]在农作物秸秆堆肥中加入白腐真菌后,木质素的降解率达到43.86%,远高于未接种菌剂的堆肥中木质素的降解率,表明在堆肥中接种白腐真菌菌剂,可加速堆肥过程,使堆肥中木质素降解更为彻底。

5结语

白腐真菌作为降解木质素最有效的真菌,其应用前景非常广阔。随着研究的不断深入,人们对白腐真菌降解木质素的机理以及产酶机理有了较多了解。但在实际应用中,仍存在不少问题,如菌株合成木质素降解酶系的周期长、产酶量低、抗杂菌能力差等问题,制约了白腐真菌在工业化生产中的应用。因此,需要加强农业、生物、化工等多学科交叉研究,开发出产酶量高、抗性好的菌株,并探索影响酶合成和活性的各种因子的作用规律,以满足工业化生产需要。

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