白腐菌輔助制漿的研究進展＊

張祥勝，鄒學東，柴欣悅

（1.勝達集團江蘇雙燈紙業(yè)有限公司，江蘇鹽城 224341；2.鹽城師范學院生命科學與技術學院，江蘇鹽城 224051）

白腐菌輔助制漿的研究進展＊

張祥勝1，2，鄒學東1，柴欣悅2

（1.勝達集團江蘇雙燈紙業(yè)有限公司，江蘇鹽城 224341；2.鹽城師范學院生命科學與技術學院，江蘇鹽城 224051）

制漿造紙業(yè)是中國的支柱產(chǎn)業(yè)之一，但同時也是污染大戶.生物技術輔助制漿由于其污染小、成本低而日益引進重視，白腐菌是應用最廣泛的菌種.從中國制漿造紙業(yè)相關的生物制漿技術、白腐菌降解木質(zhì)素機理、篩選、改良和應用等方面展開了較全面的論述.

生物制漿；白腐菌；制漿造紙；菌種篩選

制漿造紙工業(yè)是國家支柱性產(chǎn)業(yè)之一，傳統(tǒng)的制漿造紙工業(yè)也污染大戶，其原因在于造紙廢液中殘留大量的有機成分，尤其是廢液中的殘余木素和大量化學物質(zhì)［1］，化學漿的造紙黑液占污染物總負荷的90%左右［2］.本文擬圍繞目前中國制漿造紙行業(yè)相關的生物輔助制漿技術、白腐菌降解木質(zhì)素機理、篩選、改良和應用等方面展開綜述.

1 生物制漿的相關概念和起源

制漿造紙重要的污染物之一制漿黑液的主要成分是木質(zhì)素.一般認為木質(zhì)素是由以苯環(huán)為核心，帶有丙烷支鏈的芳香族化合物的聚合物.木質(zhì)素沒有光學活性，含有較多的生物學穩(wěn)定鍵型分子結構，性狀十分穩(wěn)定，比纖維素更難被一般微生物所分解［3］.但自然界中存在著降解木素的菌株，利用其對制漿用的麥草、稻草、蘆葦?shù)仍线M行預處理，或?qū)谝哼M行處理，對殘余木素降解，從而降低生產(chǎn)過程中的化學藥劑用量，減少或消除污染［1］.前者即為生物法制漿.

生物法制漿是利用微生物或其酶制劑，對制漿原料進行預處理，以生物降解全部或部分代替化學溶解，再結合機械或化學法處理，使制漿纖維原料分離成紙漿［4－7］.生物制漿的最初設想源于20世紀50年代美國West Virginia制漿造紙公司.1987年4月，一個生物制漿的聯(lián)合研究計劃誕生，并分為6個科研小組進行協(xié)作攻關，對生物制漿進行了較系統(tǒng)的研究，20多年來已經(jīng)取得重大進展.但生物法制漿仍是一個較新的課題，目前仍存在諸多問題，主要有耗時過長、菌劑施用受環(huán)境影響效果不穩(wěn)定、酶制劑成本過高以及無法完全標準化、工業(yè)化生產(chǎn)等［8］.因此，生物化學法制漿和生物機械法在內(nèi)的生物技術輔助制漿受到業(yè)界重視，尤其是前者獲得了更多的進展.

生物化學法制漿是利用微生物或其他生物制品（如酶制劑等）預處理制漿原料，減少蒸煮燒堿用量，降低能耗，提高紙漿質(zhì)量，減少后續(xù)漂白化學藥品用量和減輕漂白廢水污染負荷［9］.

2 白腐菌研究進展

真菌根據(jù)其降解木素時木材的變化，可分為白腐、褐腐和軟腐真菌［10］.降解木素較強的微生物主要是白腐真菌，屬于擔子菌，在自然界存在約2～3萬種.白腐菌是研究木素降解應用最多的微生物［4］.作為自然界中降解木質(zhì)素能力最強的一類微生物，其在處理各種造紙廢水、印染廢水和降解復雜有機物方面的優(yōu)勢越來越引起人們的廣泛關注.尤其在降解木質(zhì)素方面，白腐真菌可通過自身分泌的各種胞外酶，并通過一系列自由基鏈式反應來實現(xiàn)對木質(zhì)素的降解［2］.此外，人們研究發(fā)現(xiàn)能降解木素的真菌也能降解低分子量氯代芳香化合物，還能分解其它頑拗性有機污染物（如滴滴涕、六六六等）［5］，故也可以作為生態(tài)修復菌種.

目前，白腐菌作為應用最多的菌株之一，研究者已經(jīng)進行了有益的探索和嘗試，雖未達到產(chǎn)業(yè)化水平，但仍然給后來者提供了良好的借鑒和進一步走向產(chǎn)業(yè)化應用的希望.

2.1 木素降解機理研究

白腐菌能降降木素主要是因為其可產(chǎn)生木素降解酶.木素降解酶是一復合酶系，受多種調(diào)節(jié)因子控制，木素降解酶由木素過氧化物酶（LiP）、漆酶（1accase）和錳過氧化物酶（MnP）等胞外酶組成［6］.木素降解酶的種類主要根據(jù)酶分泌的模式分類.在木素降解機理方面，目前了解得還不完全清楚，一般認為木質(zhì)素生物降解的過程首先在木質(zhì)素高分子的表面經(jīng)由側(cè)鏈及芳香環(huán)的氧化開環(huán)，再向內(nèi)部降解，主要包括木質(zhì)素碳水化合物結合體的分解、苯基丙烷聚合體的分解、側(cè)鏈分解以及芳香環(huán)的開裂等.由于白腐菌對于不同木質(zhì)纖維基質(zhì)有不同的中間代謝產(chǎn)物和途徑，還有許多中間代謝產(chǎn)物和途徑未搞清，尚需研究者繼續(xù)努力.

其他方面也進行了一些研究.不同碳氮源對復合木質(zhì)素降解菌木質(zhì)素降解酶系活力的影響的研究［7］.范寰等人的研究表明，以淀粉為碳源，麩皮為氮源時木素降解總酶活最高，分別為1 419.01U／g和1 626.64U／g［7］.雖然該研究的目的不是用于制漿造紙，但仍有借鑒意義.另外，還有人進行了白腐菌不同菌株的組合的木質(zhì)素降解酶的活性比較研究［11－13］.

2.2 白腐菌的分離和篩選

目前已經(jīng)進行較多的篩選與評價工作［14］.白腐菌的篩選方法與普通的環(huán)境微生物篩選方法基本相同，即初篩用篩選平板（主要是愈創(chuàng)木酚－PDA培養(yǎng)基），復篩用搖瓶培養(yǎng)并進行評價［12］.酶活評價方法于搖瓶發(fā)酵后進行.一般需將發(fā)酵液以一定的轉(zhuǎn)速離心，然后取上清進行各種酶活的測定，即木素過氧化物酶、錳過氧化物酶和漆酶，一般將上清加入某種試劑進行反應后，然后在一定的波長下進行比色，酶活用單位時間內(nèi)吸光度的變化來表示.

2.3 白腐菌的菌種改造

在改良方法方面，目前報道的主要有紫外誘變［15］、原生體質(zhì)誘變［16］等.目前還沒有發(fā)現(xiàn)用離子束進行誘變的文獻報道.低能離子注入生物體以其特有的能量沉積、動量沉積、質(zhì)量沉積和電荷交換效應等多因子聯(lián)合作用，引起了國內(nèi)外專家的廣泛關注［17－18］.目前在食品、制藥、生物農(nóng)藥等領域工業(yè)微生物的離子束誘變上取得了較好的成績.低能離子束作為一種新誘變源，與傳統(tǒng)物理因素誘變劑相比，具有生理損傷小、突變譜廣、突變頻率高等優(yōu)點，并具有很好的重復性［19－20］.如果以白腐菌為主要研究對象，并用離子束進行改良，也將豐富離子束生物工程學的內(nèi)容.

2.4 白腐菌的應用

從20世紀70年代開始，國外科學家對一些降解木質(zhì)素能力強并具有較強選擇性的菌種進行了較為深入的研究，有的菌種或其產(chǎn)生的高效木質(zhì)素降解酶已經(jīng)被應用到某些工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中.一般將白腐菌用于生物漂白的較多，而輔助化學制漿用的不多［14］.

3 白腐菌輔助制漿原料的研究

與國外發(fā)達國家相比，中國森林覆蓋率低，林業(yè)資源不豐富，因此大量采用禾草，尤其是生活用紙更是如此，采用化學制漿，極易形成污染性強的制漿黑液，這也是為什么我國造紙業(yè)被列入污染大戶的原因之一.禾草主要有麥草［21］、稻草等，以及其他作物的秸桿.近年來一些非作物禾草被大量應用，如蘆葦，既可用于氧化塘凈化，又可提供制漿原理，一舉兩得.

由于水體富營養(yǎng)化，西葫蘆、水花生等外來水生植物的瘋長給航運、養(yǎng)殖等帶來了嚴重的威脅［22］，且難以清除，如果大量采用這些水生植物作為原料［23］，則既可用這些植物清除水體中過剩的氮、磷等營養(yǎng)無素，或是用于制漿造紙廢水的處理［24］，又可有效抑制其蔓延瘋長，同時又可提供高產(chǎn)、低成本的制漿造紙原料，一舉數(shù)得，值得加強研究與推廣.目前雖然已經(jīng)有研究者，如固態(tài)發(fā)酵水葫蘆產(chǎn)漆酶的研究［25－26］，但不夠系統(tǒng)，值得深入研究.

4 結語

不論生物化學制漿還是生物機械制漿，都克服了化學制漿的污染嚴重、能耗高等弊端，具有廣闊的應用前景.但生物制漿也存在白腐菌生長慢、周期長、成本高等缺點，這就需要我們篩選木質(zhì)素降解活性高的白腐菌株或通過物理因素在內(nèi)的誘變手段進行改良，克服這些缺點，提高生物輔助制漿的經(jīng)濟效益和社會效益.

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（責任編輯 易必武）

Research Advance in White Rot Fungi Assisted Pulping

ZHANG Xiang-sheng1，2，ZOU Xue-dong1，CHAI Xin-yue2
（1.Shengda Group，Jiangsu Shuangdeng Paper Co.，Ltd.Yancheng 224341，Jiangsu China；2.College of Life Science and Technology，Yancheng 224051，Jiangsu China）

Pulp and paper industry is one of the pillar industries in China，but it is alsothe major pollution to the environment.Biological technology aided pulping techniques has gained much attention for its low contamination and low cost.White rot fungi are the most widely used strains.This paper gives a broad review on the relevant biological pulping technology，the mechanism of lignin degradation by white rot fungi，and the screening，improvement and application of white rot fungi.

biological pulping，white rot fungi，pulp and paper industry，strain screening

TS743

A

10.3969／j.issn.1007－2985.2013.05.020

1007－2985（2013）05－0082－03

2013－06－12

勝達集團江蘇雙燈紙業(yè)有限公司企業(yè)合作資助課題；江蘇省博士聚集計劃資助項目

張祥勝（1976－），男，山東臨沂人，鹽城師范學院生命科學與技術學院副教授，博士，主要從事環(huán)境微生物研究.