白腐真菌降解木質素酶系特性及其應用

李春鳳 王力生

摘要木質素是潛在的可再生資源,近年來利用白腐真菌對其進行降解已成為研究的熱點。簡述了白腐菌降解木質素酶系及催化作用以及白腐真菌的降解機理,介紹了白腐真菌在農作物秸稈、造紙工業(yè)、食品工業(yè)以及生物堆肥中的應用。

關鍵詞白腐真菌;木質素;解酶;應用

中圖分類號 TQ351.01+2 文獻標識碼A 文章編號 1007-5739(2009)11-0274-02

木質素是由苯丙烷單元通過醚鍵和碳-碳鍵連接而成的具有三維空間結構的高分子芳香族類聚合物,組成單元的結構及其連接鍵復雜而穩(wěn)定,使得木質素很難降解[1]。在植物組織中木質素與半纖維素以共價鍵形式結合,并將纖維素分子包埋其中,形成一種堅固的天然屏障,使一般微生物很難進入其中分解纖維素。因此,纖維素的分解關鍵在于木質素的降解。在自然界中,木質素的完全降解是真菌、細菌和相關微生物群落共同作用的結果,其中真菌起重要的作用,典型的木質素分解真菌是白腐真菌[2]。

1白腐真菌

白腐真菌是一類能使木材呈白色腐朽的絲狀真菌。分類學上白腐真菌屬于真菌門,主要為擔子菌綱,少數為子囊菌。它相對于纖維素類成分更易降解木質素,在腐朽木質素過程中幾乎是同時破壞多糖和木質素,能在一定條件下將木質的主要成分(木質素、纖維素、半纖維素)全部降解為CO2和H2O。由于白腐真菌能夠分泌胞外氧化酶降解木質素,所以白腐菌被認為是目前最為理想的的一類降解木素的真菌[3]。

目前研究較多的白腐真菌種類有黃孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)、彩絨革蓋菌(Coridus versicolor)、變色栓菌(Thametes versicolor)、射脈菌(Phlebia ra-diata)、鳳尾菇(Pleurotus pulmononanus)、朱紅密孔菌(Pycnoporus cinnabarinus)等[4]。

2白腐真菌木質素降解酶

在20世紀80年代,木質素降解酶有了突破性研究。1983年美國的Tien和Kirk帶領2個研究小組[5],分別從黃孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)發(fā)現了木質素過氧化物酶(Lignin peroxidase,簡稱Lip)。翌年,Cold小組[5]又從黃孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium Bued)發(fā)現了錳過氧化物酶(mangnase peroxidase,簡稱MnP)以及由日本吉田首次在生漆中發(fā)現的漆酶(Laccase,簡稱Lac),共同構成了白腐真菌的木質素降解酶系[3]。

LiP和MnP都是含正鐵的血紅素糖蛋白,需要在過氧化氫存在下降解木質素。它們的不同在于催化機制——從芳香族底物(苯酚或非酚類)的芳環(huán)中奪取單個電子的方式。LiP直接可以與芳香族底物反應,形成陽離子自由基,引起芳環(huán)結構的開裂、木素單體烷基側鏈的氧化;MnP用木質組織中廣泛存在的Mn2+作為反應底物,將Mn2+氧化成 Mn3+,Mn3+從酶的表面擴散離開,再去氧化酶類化合物、不溶性的終底物及木質素[3,4,6]。

Lac是一種含銅的酚氧化酶,最早從漆樹的分泌物中發(fā)現[7],現在研究發(fā)現這種酶存在于很多種真菌中。漆酶在氧的參與下,將單電子傳遞給分子氧,使其還原成水;同時,從酚類底物分子中獲取電子形成半醌自由基,該自由基再發(fā)生非酶催化反應。在這一過程中,漆酶從底物分子中提取1個電子,使之形成自由基,該自由基不穩(wěn)定,可進一步發(fā)生聚合或解聚反應,導致鍵的不穩(wěn)定,從而打斷木質素分子[6,8,9]。

3白腐真菌降解木質素的機理

白腐菌對木質素的降解是一個以過氧化物酶(LiP和MnP)為啟動者的自由基鏈反應。首先,木質素在木質素降解酶的作用下發(fā)生解聚,生成許多高度反應性的自由基中間體;然后以鏈反應的方式產生許多不同的自由基,導致種種連接鍵的斷裂,使木質素解聚成各種低分子量片段,其中小于1ku的占多數,再經過完全徹底的氧化直至降解為CO2[10]。

白腐真菌對木質素的降解主要是細胞外的氧化過程。在適宜的條件下,白腐真菌的菌絲首先用其分泌的超纖維氧化酶溶解植物表面的蠟質;然后菌絲進入植物內部并分泌釋放降解木質素的酶系。在過氧化物氫存在的情況下,LiP、MnP以及Lac協(xié)同作用于連接木質素結構單元之間的酯鍵或醚鍵,首先使木質素分解成單個的結構單元,然后再進一步催化苯丙烯醇之間的Cα-Cβ鍵斷成兩分子的苯丙烯醇,最后苯丙烯醇斷鏈降解為小分子的化合物完成木質素的降解[11]。

4白腐真菌降解木質素的應用

(1)農作物秸稈的飼料化。白腐真菌不僅可以將秸稈等農副產品中動物難以利用的木質素進行降解,還可以把秸稈中的低質非蛋白氮(NPN)轉化為較高質量的菌體蛋白[12]。宋瑞清等[13]選用稻草作為原料培養(yǎng)基,接種平菇30d后,木質素降解率為23.36%,蛋白質含量增加了45.85%。杭怡瓊等[14]研究表明,白腐真菌對稻草秸稈中木質素的降解率平均可達37.76%,其中14d時的木質素降解率最高達到21.98%。更讓研究人員感興趣的是,經白腐真菌處理后的秸稈不僅營養(yǎng)成分有了極大提高,而且其酸度由未處理前pH值6.5~7.0降到了pH值4.0左右,有水果香味,并且秸稈質地柔軟,適口性明顯改善[15]。用白腐真菌處理秸稈飼料時,秸稈飼料不需要進行化學或物理預處理,即對底物沒有選擇性[16]。

(2)造紙工業(yè)。白腐真菌降解木質素廣泛應用于造紙工業(yè)中的生物機械制漿、生物漂白及廢水處理等過程[3]。生物機械制漿是指在機械制漿之前,利用白腐真菌對木片進行預處理,降低磨漿能耗及提高產品質量[17]。例如:Settliff[18]利用Ceriporiopsis subvermispora和P.chrysosprium對楊木和挪威云杉進行預處理,與未用菌處理相比,楊木可降低20%的能耗、云杉降低13%的能耗;用Phlebia brevispora進行生物制漿預處理降低47%的能耗,并增加了紙漿的張力[19];鄧耀杰[20]研究表明:白腐真菌能較好地降解制漿等工業(yè)廢水中的難降解的芳香族化合物;鄒世春等[21]利用改進的PVA-H3BO3包埋白腐真菌P.chrysosporium處理有機廢水,其中的烴類物質降解率在80%以上,而且隨著微生物固定化技術的進一步成熟,微生物對工業(yè)廢水的處理能力將會進一步增強。

(3)食品工業(yè)。在食品工業(yè)中,由于啤酒、果汁等飲料中含有酚或芳胺類物質,因而在生產以及儲存期間常常出現渾濁或沉淀。可以利用白腐真菌木質素降解酶中的漆酶氧化飲料中的多酚物質,達到凈化飲料的目的[22]。例如:蘋果汁用固定化漆酶處理后,可除去其中的兒茶素、綠原酸等酚類物質,從而可以在長期儲存中保持澄清;漆酶可氧化紅葡萄酒中的色素,使紅葡萄酒呈色或改變葡萄酒的顏色[23]。漆酶還可以改善面團的品質。由于面筋蛋白中的半胱氨酸(主要二硫鍵的數目和大小)是面筋的空間結構和面團形成的關鍵,漆酶可以將面筋蛋白中的巰基氧化為二硫鍵,使面筋蛋白發(fā)生交聯,從而改善面團的功能性質,使面團更耐攪拌并且干而不粘[24]。

(4)生物堆肥。生物堆肥是指利用微生物的降解作用將秸稈等有機物轉化為有機肥料的1種資源化方法。由于白腐真菌在生長活動中分泌木素降解酶、纖維素降解酶以及半纖維素降解酶,將白腐真菌應用到堆肥中,可以有效地降解秸稈中的木質纖維素,再將木質纖維素轉化為腐殖質[25]。黃丹蓮等[26]在農作物秸稈堆肥中加入白腐真菌后,木質素的降解率達到43.86%,遠高于未接種菌劑的堆肥中木質素的降解率,表明在堆肥中接種白腐真菌菌劑,可加速堆肥過程,使堆肥中木質素降解更為徹底。

5結語

白腐真菌作為降解木質素最有效的真菌,其應用前景非常廣闊。隨著研究的不斷深入,人們對白腐真菌降解木質素的機理以及產酶機理有了較多了解。但在實際應用中,仍存在不少問題,如菌株合成木質素降解酶系的周期長、產酶量低、抗雜菌能力差等問題,制約了白腐真菌在工業(yè)化生產中的應用。因此,需要加強農業(yè)、生物、化工等多學科交叉研究,開發(fā)出產酶量高、抗性好的菌株,并探索影響酶合成和活性的各種因子的作用規(guī)律,以滿足工業(yè)化生產需要。

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