白腐真菌降解木質(zhì)素酶系特性及其應(yīng)用

李春鳳 王力生

摘要木質(zhì)素是潛在的可再生資源,近年來(lái)利用白腐真菌對(duì)其進(jìn)行降解已成為研究的熱點(diǎn)。簡(jiǎn)述了白腐菌降解木質(zhì)素酶系及催化作用以及白腐真菌的降解機(jī)理,介紹了白腐真菌在農(nóng)作物秸稈、造紙工業(yè)、食品工業(yè)以及生物堆肥中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞白腐真菌;木質(zhì)素;解酶;應(yīng)用

中圖分類號(hào) TQ351.01+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào) 1007-5739(2009)11-0274-02

木質(zhì)素是由苯丙烷單元通過(guò)醚鍵和碳-碳鍵連接而成的具有三維空間結(jié)構(gòu)的高分子芳香族類聚合物,組成單元的結(jié)構(gòu)及其連接鍵復(fù)雜而穩(wěn)定,使得木質(zhì)素很難降解[1]。在植物組織中木質(zhì)素與半纖維素以共價(jià)鍵形式結(jié)合,并將纖維素分子包埋其中,形成一種堅(jiān)固的天然屏障,使一般微生物很難進(jìn)入其中分解纖維素。因此,纖維素的分解關(guān)鍵在于木質(zhì)素的降解。在自然界中,木質(zhì)素的完全降解是真菌、細(xì)菌和相關(guān)微生物群落共同作用的結(jié)果,其中真菌起重要的作用,典型的木質(zhì)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(xué)上白腐真菌屬于真菌門,主要為擔(dān)子菌綱,少數(shù)為子囊菌。它相對(duì)于纖維素類成分更易降解木質(zhì)素,在腐朽木質(zhì)素過(guò)程中幾乎是同時(shí)破壞多糖和木質(zhì)素,能在一定條件下將木質(zhì)的主要成分(木質(zhì)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(zhì)素,所以白腐菌被認(rèn)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(zhì)素降解酶

在20世紀(jì)80年代,木質(zhì)素降解酶有了突破性研究。1983年美國(guó)的Tien和Kirk帶領(lǐng)2個(gè)研究小組[5],分別從黃孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)發(fā)現(xiàn)了木質(zhì)素過(guò)氧化物酶(Lignin peroxidase,簡(jiǎn)稱Lip)。翌年,Cold小組[5]又從黃孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium Bued)發(fā)現(xiàn)了錳過(guò)氧化物酶(mangnase peroxidase,簡(jiǎn)稱MnP)以及由日本吉田首次在生漆中發(fā)現(xiàn)的漆酶(Laccase,簡(jiǎn)稱Lac),共同構(gòu)成了白腐真菌的木質(zhì)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(guò)氧化氫存在下降解木質(zhì)素。它們的不同在于催化機(jī)制——從芳香族底物(苯酚或非酚類)的芳環(huán)中奪取單個(gè)電子的方式。LiP直接可以與芳香族底物反應(yīng),形成陽(yáng)離子自由基,引起芳環(huán)結(jié)構(gòu)的開裂、木素單體烷基側(cè)鏈的氧化;MnP用木質(zhì)組織中廣泛存在的Mn2+作為反應(yīng)底物,將Mn2+氧化成 Mn3+,Mn3+從酶的表面擴(kuò)散離開,再去氧化酶類化合物、不溶性的終底物及木質(zhì)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(xiàn)[7],現(xiàn)在研究發(fā)現(xiàn)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(shí),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(yīng)。在這一過(guò)程中,漆酶從底物分子中提取1個(gè)電子,使之形成自由基,該自由基不穩(wěn)定,可進(jìn)一步發(fā)生聚合或解聚反應(yīng),導(dǎo)致鍵的不穩(wěn)定,從而打斷木質(zhì)素分子[6,8,9]。

3白腐真菌降解木質(zhì)素的機(jī)理

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

白腐真菌對(duì)木質(zhì)素的降解主要是細(xì)胞外的氧化過(guò)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(zhì);然后菌絲進(jìn)入植物內(nèi)部并分泌釋放降解木質(zhì)素的酶系。在過(guò)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(zhì)素結(jié)構(gòu)單元之間的酯鍵或醚鍵,首先使木質(zhì)素分解成單個(gè)的結(jié)構(gòu)單元,然后再進(jìn)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(zhì)素的降解[11]。

4白腐真菌降解木質(zhì)素的應(yīng)用

(1)農(nóng)作物秸稈的飼料化。白腐真菌不僅可以將秸稈等農(nóng)副產(chǎn)品中動(dòng)物難以利用的木質(zhì)素進(jìn)行降解,還可以把秸稈中的低質(zhì)非蛋白氮(NPN)轉(zhuǎn)化為較高質(zhì)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(zhì)素降解率為23.36%,蛋白質(zhì)含量增加了45.85%。杭怡瓊等[14]研究表明,白腐真菌對(duì)稻草秸稈中木質(zhì)素的降解率平均可達(dá)37.76%,其中14d時(shí)的木質(zhì)素降解率最高達(dá)到21.98%。更讓研究人員感興趣的是,經(jīng)白腐真菌處理后的秸稈不僅營(yíng)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(zhì)地柔軟,適口性明顯改善[15]。用白腐真菌處理秸稈飼料時(shí),秸稈飼料不需要進(jìn)行化學(xué)或物理預(yù)處理,即對(duì)底物沒(méi)有選擇性[16]。

(2)造紙工業(yè)。白腐真菌降解木質(zhì)素廣泛應(yīng)用于造紙工業(yè)中的生物機(jī)械制漿、生物漂白及廢水處理等過(guò)程[3]。生物機(jī)械制漿是指在機(jī)械制漿之前,利用白腐真菌對(duì)木片進(jìn)行預(yù)處理,降低磨漿能耗及提高產(chǎn)品質(zhì)量[17]。例如:Settliff[18]利用Ceriporiopsis subvermispora和P.chrysosprium對(duì)楊木和挪威云杉進(jìn)行預(yù)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(jìn)行生物制漿預(yù)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(jìn)的PVA-H3BO3包埋白腐真菌P.chrysosporium處理有機(jī)廢水,其中的烴類物質(zhì)降解率在80%以上,而且隨著微生物固定化技術(shù)的進(jìn)一步成熟,微生物對(duì)工業(yè)廢水的處理能力將會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)。

(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(zhì),因而在生產(chǎn)以及儲(chǔ)存期間常常出現(xiàn)渾濁或沉淀。可以利用白腐真菌木質(zhì)素降解酶中的漆酶氧化飲料中的多酚物質(zhì),達(dá)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(zhì),從而可以在長(zhǎng)期儲(chǔ)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(tuán)的品質(zhì)。由于面筋蛋白中的半胱氨酸(主要二硫鍵的數(shù)目和大小)是面筋的空間結(jié)構(gòu)和面團(tuán)形成的關(guān)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(lián),從而改善面團(tuán)的功能性質(zhì),使面團(tuán)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(jī)物轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥料的1種資源化方法。由于白腐真菌在生長(zhǎng)活動(dòng)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(yīng)用到堆肥中,可以有效地降解秸稈中的木質(zhì)纖維素,再將木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)[25]。黃丹蓮等[26]在農(nóng)作物秸稈堆肥中加入白腐真菌后,木質(zhì)素的降解率達(dá)到43.86%,遠(yuǎn)高于未接種菌劑的堆肥中木質(zhì)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(guò)程,使堆肥中木質(zhì)素降解更為徹底。

5結(jié)語(yǔ)

白腐真菌作為降解木質(zhì)素最有效的真菌,其應(yīng)用前景非常廣闊。隨著研究的不斷深入,人們對(duì)白腐真菌降解木質(zhì)素的機(jī)理以及產(chǎn)酶機(jī)理有了較多了解。但在實(shí)際應(yīng)用中,仍存在不少問(wèn)題,如菌株合成木質(zhì)素降解酶系的周期長(zhǎng)、產(chǎn)酶量低、抗雜菌能力差等問(wèn)題,制約了白腐真菌在工業(yè)化生產(chǎn)中的應(yīng)用。因此,需要加強(qiáng)農(nóng)業(yè)、生物、化工等多學(xué)科交叉研究,開發(fā)出產(chǎn)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(chǎn)需要。

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