摘要:降解木質素是制造纖維乙醇的最大障礙,而白蟻是自然界中最重要的食木昆蟲,研究白蟻降解木質素的機制意義重大。系統概述白蟻的內部結構及其腸道微生物在木質素降解中所起的作用。
關鍵詞:白蟻;腸道微生物;木質素降解
中圖分類號:Q966文獻標識碼:A文章編號:0439-8114(2011)03-0433-04
Research Progress on the Degradation of Lignin by Termites Intestinal Microflora
ZHANG Lai-li1,2,3,LI Gang4,MAO Run-qian2
(1. South China Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510650,China;
2. Institute of Entomology in GuangDong, Guangzhou 510260, China;
3. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;4. Sun Yat-sen University,Guangzhou 510275, China)
Abstract: It is of great sigificance to study the lignin degradation mechanism of termite, one of the most important wood-eating insect in nature, as degradation of lignin is the biggest obstacle in fiber ethanol production. The internal structure of termites and the place the intestinal microflora plays in lignin degradation were summarized in this paper.
Key words: termites; intestinal microflora; degradation of lignin
目前,化石能源仍是世界上最主要的能源,但它是不可再生資源,能源形勢日趨嚴峻。發展新能源特別是可再生能源迫在眉睫。世界各國政府對生物燃料的前景十分看好,最初采用的技術是用玉米等糧食作物生產乙醇作為燃料,即第一代生物能源技術。如美國計劃在2030年使得燃料乙醇的使用量達到2004年生物燃料的30%[1];歐洲謀求在2020年之前使得生物燃料占運輸燃料的10%[2]。然而,以糧食為原料的生物燃料開發會引起糧食價格上漲,導致氣候變化加劇,水資源缺乏,對世界貧困人群造成負面影響。出于國情和對糧食安全的重視,我國已明確提出限制用糧食生產生物燃料。以燃料乙醇為原料的第一代生物能源的研究,已轉向以木薯、甜高粱和纖維素為原料發展纖維素乙醇的第二代生物能源以及開展木質素降解利用的第三代生物能源的研究上,以防止危害糧食安全。第二代和第三代生物燃料原料多來自植物秸稈等廢料,不會產生與人爭糧的情況;利用降解材料作能源,還有利于發展循環經濟。
木質纖維是地球上數量最大的一種可再生資源。據估算,如果發展能源林業與回收利用廢棄木質纖維并舉,則每年可保障替代1/3以上運輸燃料的酒精產量。為此,發展經濟有效而環境友好的木質纖維生物轉化乙醇技術,已成為世界生物能源科技發展的戰略制高點。木質纖維材料中的可糖化纖維素和半纖維素在木質素包裹下形成穩定的結構,很難被直接水解或酶解。纖維素由糖分子的極性基團(-OH groups)通過氫鍵相連成長鏈,在木質素的包裹下形成堅固而穩定的晶體結構,在普通條件下不易被水解或稀酸(稀堿)糖化。木質素在植物體中起結構強化和支撐作用,也是植物抵御病菌侵襲的物理障礙,不容易被微生物降解,特別是在缺氧條件下。富氧條件下木質素的生物降解也相當緩慢(需要許多天),目前還難以達到工業規模生產的要求。木質纖維原料通常需要適當的預處理來破除木質纖維的晶體結構及木質素對纖維素和半纖維素的包裹,增加供酶接觸的有效表面積[3],并消除對微生物有危害的毒性物質,以利生物降解[4]。因此,降解木質素是制造纖維乙醇的最大障礙。
木質素分解較纖維素慢,其完全降解是真菌、細菌及相應微生物群落共同作用的結果。最近研究發現白蟻的消化道是個微生物菌群的“金礦”。白蟻極度變長的腸道說明它吃的是難消化的食物。在白蟻的整個腸道中,有大量的共生微生物定居,大多數微生物定居于后腸中,工蟻的消化道內含物達其干重的71%之多。后腸微生物對白蟻的生命活動具有重要作用,白蟻所需的營養物質大多來自微生物的發酵產物,后腸中的微生物發酵纖維素類物質生成乙酸、丙酸以及其他有機酸,是白蟻重要的能源和自身物質合成的碳架重要來源,而且有些腸道細菌對白蟻氮素利用也具有重要的作用,通過固氮作用或參與排泄氮素(尿酸)的循環,使白蟻能以含氮量較低的纖維素食物為生[5]。膨大的后腸一直被人們假設為一種厭氧反應器,但是現有的研究結果顯示從白蟻后腸中分離到的細菌大多數是耐氧或兼性厭氧菌,有的甚至是嚴格好氧菌。因此,從白蟻腸道中提取出的降解木質素的基因,有望成為改進木質或廢棄物生物質轉化為生物燃料過程所需酶的來源。
1木質素降解的機制
與纖維素相比,木質素分解特別慢,木質素的完全降解是真菌、細菌及相應微生物群落共同作用的結果,白蟻的腸道內就含有豐富的降解木質素的微生物。20世紀80年代人們發現了微生物降解木質素的酶系,主要包括漆酶(Laccase)、木質素過氧化物酶(Lignin peroxidase,簡稱Lip)和錳過氧化物酶(Maganese peroxidase,簡稱Mnp)。
根據木質素降解產物分析,認為木質素降解可分以下幾步:①脫甲基和羥基化以形成多酚結構;②加氧裂解多酚環,產生烴鏈;③水解使脂肪烴縮短。為此設想酶系是在胞外或束縛于細胞壁上,包括:①過氧化氫(H2O2)產生酶系;②利用O2、H2O2的木質素氧化酶系,以產生木素自由基和醌;③木素活性中間體還原形成穩定單體的醌還原酶系;④木素小分子片段在胞內發生環開裂反應,分解產物經TCA循環生成CO2[6]。
2白蟻的分類地位及特征
白蟻屬于昆蟲綱(Insecta)等翅目(Isoptera),其主要特征是行群體生活,在同一個群體中,有嚴格的社會性組織和分工,存在形態明顯不同的發育等級和品級分化。目前已發現有6科2 000多個種,它們在生物學和行為學上各不相同。從解剖學和社會組織性特征可以把白蟻分為兩大類群,即低等白蟻和高等白蟻,低等白蟻包括澳白蟻科(Mastotermitidae)、木白蟻科(Kalotermitidae)、草白蟻科(Hodotermifidae)、鼻白蟻科(Rhinotermitidae)和齒白蟻科(Serritermitidae)5個科;高等白蟻僅有白蟻科(Termitidae)1個科。高等白蟻較低等白蟻具有更細致的解剖學特征和更強的社會組織性[7]。白蟻另一個明顯特征就是其食木性,食物范圍極廣,包括木材(完好的或已腐解的)、植物葉片、腐殖質、雜物碎屑以及食草動物糞便等,而有些白蟻進化程度較高,能夠自己培養真菌,作為其營養來源。因此,按白蟻食性,可以把白蟻分為食木白蟻、食真菌白蟻、食土白蟻和食草白蟻。白蟻的食物都富含纖維素、半纖維素和木質素,但含氮量不高,即白蟻屬于典型的寡氮營養型生物[8]。
3白蟻腸道內環境
白蟻消化道呈螺旋狀,主要由3部分組成,即前腸、中腸和后腸(圖1)。與一般昆蟲相比,白蟻后腸相當發達,約占全部腸道總容積的4/5。膨大的后腸一直被人們認為是一種厭氧“消化器”,與羊和牛的瘤胃相似,其中有大量的共生微生物,共生微生物降解纖維素和半纖維素,發酵形成短鏈脂肪酸,脂肪酸被白蟻吸收氧化。幾乎所有的實驗證據都表明,白蟻后腸中共生微生物(包括原生動物)是木質素、纖維素和半纖維素消化的驅動力[9,10]。
4白蟻腸道共生微生物
4.1白蟻后腸原生動物
低等白蟻后腸中有大量的原生動物定居,目前在低等白蟻的腸內已經發現了434種屬于毛滴蟲、銳滴蟲和超鞭鞭毛蟲的原生動物[5,11]。高等白蟻中很少發現原生動物,其腸道的解剖學特征較低等白蟻更加細致,分隔也更多,有些區域具有表皮突起,解剖學上的特殊性足以延長木質纖維素食物和水解酶的接觸時間,原生動物的存在已毫無必要。
4.2白蟻腸道中的細菌
現代顯微研究表明,低等白蟻和高等白蟻消化道中都有大量形態和密度不同的細菌定居,后腸和混合節內的細菌數達105~1011個/mL,后腸內的細菌分布在袋腸、結腸和直腸內。前、中腸內也有少量細菌,但沒有在唾腺中發現細菌。細菌游離在白蟻的腸液中,或者粘附于腸道上皮層的杯狀結構[12]。從低等白蟻和高等白蟻腸道分離到多種異養型細菌,大多數的菌株是兼性厭氧菌,甚至是嚴格好氧的,包括鏈球菌屬(Streptococcus sp.)、擬桿菌屬(Bacteroids sp.)、腸桿菌科(Enterobacteriaceae)、葡萄球菌屬(Staphylococcus sp.)和芽孢桿菌屬(Bacillus sp.)等菌株。木質食物中木質素經過白蟻腸道后,在很大程度上得以消化。高等白蟻和低等白蟻腸道細菌的消除,可使白蟻在較短的時間內死亡,這反映了腸道細菌對白蟻的生命必然有著重要作用。
4.3白蟻腸道中的共生真菌
食木白蟻一般都偏愛取食真菌腐解過的木塊,而某些白蟻則在它們自己精巧的“菌圃”中培養真菌[13]。顯然,真菌對食木白蟻的營養起著重要的作用,在白蟻的進化過程中,白蟻與真菌已建立起很有趣的共生關系。大白蟻亞科白蟻的蟻巢中存在一種稱之為“真菌圃”的結構,其結構類似海綿狀,主要由嚼碎但未消化的植物材料構成,上面布滿共生雞縱菌的菌絲和菌絲瘤。白蟻就以長滿菌絲和菌絲瘤的舊圃為食,同時又不斷新建真菌圃。Hyodo等利用核磁共振(NMR)技術,證實了“木質素降解假說”,其研究結果表明真菌能夠幫助降解木質素[14]。
5白蟻降解木質素證據
白蟻能夠降解木質素這一理論經過了很長一段時間的研究和反復才被確定下來。起初,研究者認為白蟻不能消化木質素[15]; Seifert等研究木質素內含物時,發現白蟻能夠對木質素脫堿基,推翻了Cohen的論斷[16];逐漸地,更多的研究結果對木質素降解提供了更廣泛的評估[17]。1979年Butler等分別以天然的和人工的木質素及相關化合物喂養白蟻,收集其呼吸釋放的14CO,證明木質素在白蟻體內被消化[18]。白蟻腸道內含有多種細菌和原生生物,而降解木質素的正是這些細菌和原生生物,這一理論被普遍認同,但是未有直接證據證明。1975年法國科學家從白蟻腸道內分離出降解的兒茶酚和單寧酸,明確地證明了白蟻降解木質素離不開其腸道內的微生物。降解木質素的微生物主要是白腐真菌和褐腐真菌,其中以白腐菌系統為主[19]。雖然白蟻體內的可以協助降解木質素的真菌和細菌被分離出[20,21],但仍普遍認為昆蟲腸道系統沒有降解木質素的能力[22]。2008年Geib等的實驗研究了木質素在蜜蜂和白蟻體內腸道環境中結構的變化,從而證實了白蟻腸道這個復雜的生態系統可以降解木質素[23]。
近年來,越來越多的工作研究了白蟻木質素酶的基因,為進一步全面綜合地了解白蟻相關木質素酶基因的多樣性,闡明白蟻降解木質素的機制奠定了理論基礎。宏基因組文庫建立的技術被巧妙地運用到分析白蟻后腸中,并利用分子手段證實其為降解木質素的場所[24]。研究過程中,發現大量的糖苷水解酶,證明白蟻可以降解多糖。但沒有在白蟻體內發現木質素降解酶,可能由于木質素降解是在白蟻腸道不同部位分工作用的結果。木質素降解不是某一種酶單獨作用的結果,而是大量高分子復合物引導和協調的[25]。為了找出木質素、纖維素、木聚糖等高分子化合物降解酶的編碼基因,科研工作者們將測定的基因進行家族及直系同源群的分類,并把每個基因家族與其在其他環境,例如土壤[26]、海水[27]、或者人體腸道[28]中的作用情況進行比較。
6白蟻腸道木質素酶基因序列測定
日本理化研究所的科學家于2008年3月完全破譯白蟻腸道內一種共生細菌的基因組,研究對象為“Rs-D17”細菌,其存在于和白蟻共生的腸道原生生物披發蟲體內,后者可幫助白蟻分解木質纖維素。科學家采用DNA合成酶直接使“Rs-D17”的基因組倍增到原先的1 000萬倍,最終測定該細菌的基因組序列。白蟻腸道內大多共生微生物目前仍不能人工培養,各種微生物作用及相互關系很少為人所知。利用上述破譯“Rs-D17”基因組方法,將來可能陸續破譯出白蟻腸道內其他多種微生物的基因組。以此為基礎,進一步揭開白蟻高效分解木材機制,對開發以木材為原料的生物燃料將有重要價值。
美國能源部聯合基因組研究所等聯合測定白蟻腸道基因序列[24]。隨著測序工作的展開,白蟻腸道內與消化木材有關的微生物群落共生關系逐漸揭開神秘面紗。研究結果還表明,白蟻有多個胃,每個胃都形成一個特定的環境,從而“孕育”了不同的微生物群落。這些微生物在木材聚合物轉化為糖類的過程中均承擔一步或幾步生物轉化的任務。
然而,雖然對白蟻的研究已經有一個多世紀的歷史,但對于其消化道內的微生物的特征與作用,及其具體的白蟻的木質素降解機制還知之甚少。白蟻腸道已成為微生物多樣性研究對象之一,因為地球上有2 000多種白蟻,它們的食性和腸道結構各有不同,腸道共生微生物多樣性也必定極為豐富。然而,至今僅有為數不多的微生物從白蟻腸道中得以分離并作了鑒定,這一方面是由于大部分腸道微生物不能用常規方法培養;另一方面則是由于相關的微生物學研究不多。雖然16S rRNA分析可以弄清白蟻腸道中未培養的微生物系統發育學特征,但系統發育以及形態學研究都不能提供未培養微生物的生理生化信息,它們的代謝機制及其功能也無法弄清楚。準確理解共生微生物在后腸系統中的作用機制,發現其在木質纖維素降解過程中具有特定代謝類型的微生物新種,不僅有助于更好地開辟木質纖維素資源生物轉化新途徑,也對理解宿主和微生物之間相互作用的機制有著重要意義。
7結語與展望
作為世界上重要的資源性昆蟲,白蟻體內的木質素酶異常豐富。今后,應深入了解不同棲息特性白蟻體內木質素酶的組成特點,全面獲取白蟻木質素酶的基礎信息,進一步加強白蟻木質素酶基因結構的研究,結合生物信息學技術預測相關基因的功能,闡明白蟻利用木質素的理化途徑以及纖維素酶在白蟻體內的分泌機制。利用木質素酶分解自然界中的木質素類物質,發展第三代生物能源,為人類經濟的進一步繁榮和發展開辟新的能源途徑。此外,在全面掌握各類型白蟻木質素酶特性的基礎上,篩選出具有較高活性木質素酶的白蟻種類,為開發高活性的木質素酶基因工程菌株創造條件。同時通過研制木質素酶抑制劑,為重要農林業害蟲的防治提供新的手段。
參考文獻:
[1] U. S. DEPARTMENT OF ENERGY/OFFICE OF ENERGY EFFICIENCY AND RENEWABLE ENERGY. Biomass multi-year program plan[EB/OL]. 2008-04-14/2008-08-12.
[2] EUROPEAN COMMISSION. Biofuels in the European Union: a vision for 2030 and beyond, final draft report of biofuels research advisory council[EB/OL].
[3] GRETHELIN H E. The effect of pore size distribution on the rate of enzymatic hydrolysis of cellulosic substrates[J]. Bio P Technology,1985, 3: 155-160.
[4] GHARPURAY M M, LEE Y H, FAN L T. Structural modification of lignocellulosics by pretreatments to enhance enzymatic hydrolysis[J]. Biotechnology and Bioengineering,1983,25(11):157-172.
[5] BIGNELL D E. Direct potentiometric determination of redox potentials of the gut contents in the termites Zootermopsis nevaalensis and Cubiterms sevierus and in three other arthropods[J]. Insect Physiol,1984,30:169-174.
[6] 徐海娟,梁文芷. 白腐菌降解木素酶系及其作用機理[J]. 環境污染治理技術與設備,2000,1(3):51-54.
[7] WOOD T G, JOHNSON R A. The biology, physiology and ecology of termites[M]. New York: Praeger Press,1986.1-68.
[8] 黃復生,朱世模,平正明. 中國動物志[M]. 北京:科學出版社, 2000.
[9] BRUNE A,FRENZEL P,CYPIONKA H. Life at the oxic-anoxic interface: Microbial activities and adaptations[J]. FEMS Microbiol Rev,2000,24:691-710.
[10] BREZNAK J A,BRUNE A. Role of microorganisms in the digestion of lignocellulose by termites[J]. Annu Rew Entomol, 1994,39:453-487.
[11] VEIVERS P C, O'BRIEN R W. The redox state of the gut of termites[J]. Insect Physiol,1980,26: 75-77.
[12] BREZNAK J A. Intestinal microbiota of termites and other xylophagous insects[J]. Ann Rev Microbiol,1982, 36: 323-343.
[13] INOUE T,MURASHIMA K,AZUMA J I,et al. Cellulose and xylan utilization in the lower termite Reticulitermes speratus[J]. Insect Physiol, 1997,43: 235-242.
[14] HYODO F,INOUE T,AZUMA J. Role of the mutualistic fungus in lignin degradation in the fungus-growing termites Macrotermes gilyus(Isoptera: Macrotermitinae) [J]. Soil Biology and Biochemistry,2000,32:653-658.
[15] COHEN W E. A simple chemical test for separating the woods of hoop pine(Araucaria cunninghamii) and bunya pine(Araucaria bidwilli)[J]. Counc Sci Ind Res,1933,126-127.
[16] SEIFERT K. Die chemische Ver,nderung der Holzzellwand-Komponenten unter dem Einflu, tierischer und pflanzlicher Sch,dlinge[J]. Holzforschung,1962,16:161-168.
[17] SEIFERT K, BECKER G. Der chemische Abbau von Laub-und Nadelholzarten durch verschieden Termiten[J]. Holzforschung,1965, 19: 105-111.
[18] BUTLER J H A, BUCKERFIELD J C. Digestion of lignin by termites[J]. Soil Biol Biochem, 1979, 11:507-513.
[19] KIRK T K, FARRELL R L. Enzymatic combustion—The microbial-degradation of lignin[J]. Annu Rev Microbiol, 1987, 41: 465-505.
[20] HARAZONO K,YAMASHITA N,SHINZATO N,et al. Isolation and characterization of aromatics-degrading microorganisms from the gut of the lower termite coptotermes formosanus[J]. Biosci Biotechnol Biochem, 2003, 67: 889-892.
[21] WATANABE Y,SHINZATO N,FUKATSU T. Isolation of actinomycetes from termites’ guts[J]. Biosci Biotechnol Biochem,2003,67:1797-1801.
[22] OHKUMA M. Termite symbiotic systems:Efficient bio-recycling of lignocellulose[J]. Appl Microbiol Biot,2003,61:1-9.
[23] GEIB S M, FILLEY T R, PATRICK G, et al. Lignin degradation in wood-feeding insects[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2008,105(35):12932-12937.
[24] WARNECKE F,LUGINB,HL P,IVANOVA N, et al. Metagenomic and functional analysis of hindgut microbiota of a wood-feeding higher termite[J]. Nature,2007,450:560-565. 22.
[25] DOI R H, KOSUGI A. Cellulosomes: plant-cell-wall-degrading enzyme complexes[J]. Nat Rev Microbiol,2004,2:541-551.
[26] TRINGE S G,VONMERING C,KOBAYASHI A,et al. Comparative metagenomics of microbial communities[J]. Science, 2005, 308: 554-557.
[27] VENTER J C,REMINGTON K,HEIDELBERG J F,et al. Environmental genome shotgun sequencing of the Sargasso Sea[J]. Science,2004,304:66-74.
[28] GILL S R, POP M, DEBOY R T, et al. Metagenomic analysis of the human distal gut microbiome[J]. Science, 2006, 312:1355-1359.