木質(zhì)纖維素的自然生物轉(zhuǎn)化系統(tǒng)及其過程特征與仿生利用

耿阿蕾，孫建中，謝蓉蓉，吳建，肖楠

江蘇大學(xué)生物質(zhì)能源研究所，鎮(zhèn)江 212013

木質(zhì)纖維素的自然生物轉(zhuǎn)化系統(tǒng)及其過程特征與仿生利用

耿阿蕾，孫建中，謝蓉蓉，吳建，肖楠

江蘇大學(xué)生物質(zhì)能源研究所，鎮(zhèn)江 212013

耿阿蕾，博士，江蘇大學(xué)生物質(zhì)能源研究所助理研究員，主要從事自然系統(tǒng)對生物質(zhì)的高效降解機(jī)制研究。E-mail：galxj@mail.ujs.edu.cn

規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化開發(fā)利用木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)面臨著許多科學(xué)和技術(shù)上的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)的核心是如何實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的高效分離與有效轉(zhuǎn)化。然而，在自然界中，不同生物系統(tǒng)分別進(jìn)化出了其獨(dú)特的木質(zhì)纖維素降解與轉(zhuǎn)化的生物過程機(jī)制，通過采用不同的策略與途徑來克服生物質(zhì)的抗降解屏障。綜述了不同自然生物轉(zhuǎn)化系統(tǒng)在降解生物質(zhì)過程中的策略與過程特征，并著重分析了食木白蟻腸道消化系統(tǒng)在生物質(zhì)降解過程中高效轉(zhuǎn)化與利用的獨(dú)特系統(tǒng)特點(diǎn)。向白蟻生物系統(tǒng)學(xué)習(xí)，利用自然生物系統(tǒng)的啟迪及其相關(guān)基因與酶資源，結(jié)合生物仿生技術(shù)可望建立新型的生物質(zhì)降解工藝，逐漸實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的低能耗、低污染、高效率、全值化利用。

生物質(zhì)轉(zhuǎn)化；木質(zhì)纖維素；生物仿生；白蟻

木質(zhì)纖維素是地球上一種儲(chǔ)備非常豐富的可再生資源。據(jù)估計(jì)，地球上陸生植物每年可產(chǎn)生130億噸干木材[1]，而我國每年農(nóng)作物秸稈的產(chǎn)量就高達(dá)8億噸以上[2]。一方面，廢棄的農(nóng)作物秸稈帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，例如秸稈焚燒使得空氣質(zhì)量急劇惡化；另一方面，由于來源廣泛、價(jià)格低廉，合理開發(fā)與利用木質(zhì)纖維素必將有巨大的應(yīng)用前景[3]。然而，實(shí)際情況是木質(zhì)纖維素由于其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化與加工的成本過高，從而極大地限制了其產(chǎn)業(yè)化與規(guī)模化進(jìn)程。利用自然界啟迪的技術(shù)（nature-inspired technology）與生物仿生（biomimetics）技術(shù)[4]，認(rèn)識(shí)植物抗降解屏障的機(jī)制，研究自然界長期進(jìn)化所形成的各種生物轉(zhuǎn)化系統(tǒng)在克服這一抗降解屏障時(shí)所采用的策略與過程機(jī)制，將有助于設(shè)計(jì)生物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化與利用的新技術(shù)、新工藝，最終實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的規(guī)?；c產(chǎn)業(yè)化利用。

1 木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)及其抗降解屏障特征與挑戰(zhàn)

陸生植物在漫長的進(jìn)化過程中形成了木質(zhì)纖維素的抗降解屏障，使其難以被降解，難以被簡單的化工工藝打開其高度聚合的化學(xué)結(jié)構(gòu)。木質(zhì)纖維素的三大主要成分是纖維素、半纖維素與木質(zhì)素。從植物最外層淡起，植物表皮特別是草本植物的表皮含有致密的厚壁細(xì)胞組織，再加上蠟質(zhì)或油脂的包裹，形成了一道重要的抗降解屏障[5]。就植物的特化組織而言，陸生植物還進(jìn)化出維管束，本來是用于輸送養(yǎng)分、支持植物體結(jié)構(gòu)，客觀上由于其厚度大，木質(zhì)化程度高，也形成了一道重要的抗降解屏障[4]。再深入到細(xì)微的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)中，原纖維以及纖維束以致密的結(jié)晶態(tài)形式存在，客觀上縮小了纖維素酶的接觸面積；再者半纖維素在纖維素表面的修飾與交聯(lián)以及木質(zhì)素的外部包裹，顯著地加大了木質(zhì)纖維素生物和化學(xué)降解的難度，導(dǎo)致了木質(zhì)纖維素目前在全世界范圍內(nèi)仍然無法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化與全值化利用。

2 微生物系統(tǒng)及其木質(zhì)纖維素降解與轉(zhuǎn)化的基本過程特征與利用途徑

微生物在長期的降解過程中形成了特有的木質(zhì)纖維素降解機(jī)制。目前發(fā)現(xiàn)的木腐真菌就其不同作用機(jī)制可以分為4類：白腐真菌（White-rot fungi）、褐腐真菌（Brown-rot fungi）、軟腐真菌（Soft-rot fungi）與染色真菌（Stain fungi）（表1）。白腐真菌自身分泌各種水解酶與高氧化還原電位的氧化酶，進(jìn)而打開生物降解屏障，完全降解硬木中的三大組分[6]。褐腐真菌與軟腐真菌分別能夠降解軟木或硬木中的纖維素與半纖維素，兩者對木質(zhì)素僅有比較有限的修飾，其氧化酶的氧化還原電位相應(yīng)地也不如白腐真菌高（表2）。染色真菌僅能降解木材中的水溶性組分，降解能力是四類中最差的一種。細(xì)菌中也有能夠降解木質(zhì)纖維素的物種，但其降解能力一般不如真菌。然而，由于微生物只能在植物表面生長，再逐漸向內(nèi)生長擴(kuò)散，這就決定了此種進(jìn)化模式下形成的生物質(zhì)降解速率比較低，需要緩慢向植物體內(nèi)部擴(kuò)散從而使之降解。因此，真菌降解木質(zhì)纖維素的時(shí)間通常較長，約數(shù)周，甚至更長。

表1 幾種典型自然生物系統(tǒng)降解木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的特性

表2 幾種典型自然系統(tǒng)的生物質(zhì)降解酶特性

已有研究表明，上述四類木腐真菌的降解木質(zhì)纖維素特點(diǎn)與降解能力是截然不同的，這與其背后不同的作用機(jī)制密切相關(guān)。白腐真菌與褐腐真菌因其降解木質(zhì)纖維素能力較強(qiáng)，因而受到更多關(guān)注與研究利用。白腐真菌主要依賴其高氧化還原電位的氧化酶修飾木質(zhì)素，從而攻克植物的抗降解屏障，可以做到完全轉(zhuǎn)化并利用木質(zhì)纖維素的三大主要成分。近年來，F(xiàn)loudas等[15]完成了對12株不同屬來源的木腐真菌基因組測序，并結(jié)合21種木腐真菌已有的基因組信息，揭示了真菌二型過氧化物酶在白腐過程中的關(guān)鍵作用，以及其與褐腐真菌的本質(zhì)區(qū)別。褐腐真菌因其過氧化物的氧化酶能力低，還需依賴芬頓（Fenton）反應(yīng)對木質(zhì)素進(jìn)行修飾。Jensen等[20]通過對褐腐真菌Gloeophyllum trabeum的研究證實(shí)了芬頓反應(yīng)在褐腐過程中的作用。該反應(yīng)利用過渡區(qū)金屬離子，特別是鐵離子，與氧氣、醌類底物反應(yīng)，產(chǎn)生了羥基自由基或醌類自由基。后者可以攻擊修飾木質(zhì)素，便于纖維素酶或半纖維素酶對底物的水解。

目前，利用木腐真菌的途徑主要是將其作為一種生物預(yù)處理過程使用，即利用木腐真菌直接在生物質(zhì)上生長并修飾生物質(zhì)，主要是破壞木質(zhì)素結(jié)構(gòu)，方便后續(xù)糖化或發(fā)酵。Gao等[21]對40株真菌進(jìn)行篩選，發(fā)現(xiàn)G. trabeum KU-41預(yù)處理生物質(zhì)的效果最好，結(jié)合后續(xù)的糖化，該工藝可以分解56.9%的纖維素與32.0%的半纖維素。然而預(yù)處理過程耗時(shí)30d，顯然時(shí)間過長，木腐真菌的生物預(yù)處理策略距離工業(yè)應(yīng)用的要求仍很遙遠(yuǎn)。

3 食草動(dòng)物系統(tǒng)轉(zhuǎn)化和降解木質(zhì)纖維素的特征與利用途徑

食草動(dòng)物，特別是反芻動(dòng)物在漫長的進(jìn)化過程中形成了相對高效的木質(zhì)纖維素降解機(jī)制。反芻動(dòng)物首先快速取食并咀嚼切碎植物，后者在瘤胃中由微生物降解并可以回流進(jìn)入口中再次咀嚼，而后再返回瘤胃中降解?？梢韵胂螅雌c動(dòng)物比微生物系統(tǒng)高明之處在于其增加了物理的咀嚼過程，客觀上增加了底物表面積，并增加了“攪拌”過程，加速了木質(zhì)纖維素的降解。反芻動(dòng)物主要依靠腸道微生物降解生物質(zhì)，自身分泌木質(zhì)纖維素降解酶的能力則非常有限（表1）。以家牛（Bos taurus）為例，其基因組上未見纖維素內(nèi)切酶與外切酶基因；與此同時(shí)，許多高效的纖維素降解微生物在瘤胃或反芻動(dòng)物糞便中被發(fā)現(xiàn)，以厭氧性的細(xì)菌、真菌為主，例如Ruminococcus f avefaciens、Ruminococcus albus、Fibrobacter succinogenaes[22-24]等。其中一部分細(xì)菌可以組裝一種高效的纖維小體（cellulosome），后者可以協(xié)同多種酶高效地水解生物質(zhì)[25]，這些酶分布在GH13、GH3、GH2、GH5、GH10、GH27、GH78等（表2）。瘤胃中也存在原生蟲[26]與厭氧真菌[27]，可能參與生物質(zhì)分解，但其在瘤胃纖維素降解過程中的作用不如細(xì)菌突出。

食草動(dòng)物系統(tǒng)的利用途徑主要是用瘤胃液體直接發(fā)酵生物質(zhì)，或以其中的高效微生物為接種物進(jìn)行發(fā)酵或生物強(qiáng)化。Baba等[28]用瘤胃液體預(yù)處理油菜秸稈，使得后續(xù)發(fā)酵過程甲烷產(chǎn)量提高了50%。最近Yildirim等[29]用瘤胃真菌強(qiáng)化降解家畜糞便，使得產(chǎn)氣量提高至3倍左右，甲烷產(chǎn)量也相應(yīng)提高。Aydin等[30]用瘤胃真菌強(qiáng)化降解微藻類生物質(zhì)也使得甲烷產(chǎn)量提高了41%。這些研究均顯示出瘤胃微生物較強(qiáng)的生物質(zhì)降解能力。

4 食木昆蟲消化系統(tǒng)降解與轉(zhuǎn)化木質(zhì)纖維素的過程特征與仿生利用

食木昆蟲特別是白蟻在自然界長期的進(jìn)化過程中形成了其獨(dú)特的木質(zhì)纖維素降解與轉(zhuǎn)化機(jī)制。像反芻動(dòng)物一樣，白蟻能夠咀嚼植物，增加底物表面積，能夠利用共生微生物降解木質(zhì)纖維素。然而，白蟻生物轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的更加高明之處在于：①白蟻?zhàn)陨斫M織也能夠分泌大量不同家族的纖維素酶、半纖維素酶與木質(zhì)素修飾酶[31]；②白蟻的前腸還特化出嗉囊這種組織，可以進(jìn)一步研磨生物質(zhì)顆粒，破壞其分子結(jié)構(gòu)，增加其比表面積；③白蟻中腸與后腸分別營造好氧與厭氧的反應(yīng)環(huán)境[32]，以適應(yīng)不同特性的酶催化反應(yīng)（表1）。這樣白蟻能夠在24h內(nèi)高效地完成對生物質(zhì)碳水化合物的降解與利用。

近年來，隨著高通量基因測序技術(shù)的應(yīng)用，人們對白蟻的降解酶系統(tǒng)有了總體的認(rèn)識(shí)，對白蟻在降解生物質(zhì)的高效過程機(jī)制也有了初步的了解。在低等白蟻中，通過對Hodotermopsis sjostedti[33]、Coptotermes gestroi[34]特定組織的轉(zhuǎn)錄組以及家白蟻（Coptotermes formosanus）腸道共生原蟲的元轉(zhuǎn)錄組[35]相繼測定，大量碳水化合物水解酶不斷被發(fā)現(xiàn)和報(bào)道；美國普渡大學(xué)Scharf課題組通過拆分研究了低等白蟻Reticulitermes f avipes中來自宿主和共生微生物的轉(zhuǎn)錄組，推測了其在木質(zhì)纖維素水解過程中相互協(xié)作的關(guān)系[16]；2014年白蟻Zootermopsis nevadensis的基因組完成測序[36]，把人們對白蟻的研究與認(rèn)識(shí)推向了新的高度。筆者研究團(tuán)隊(duì)近年來完成了家白蟻唾液腺與前中后腸真核來源轉(zhuǎn)錄組的高通量測序，發(fā)現(xiàn)了大量組織特異性的水解酶與氧化酶（數(shù)據(jù)未發(fā)表）。其中，有91個(gè)超高量表達(dá)的糖基水解酶，唾液腺、前腸、中腸與后腸的分布分別為18、9、22與42個(gè)（其中26個(gè)來自原生蟲）。有14個(gè)分泌型氧化還原酶基因，同樣在這4種組織中有特異性表達(dá)，并且當(dāng)給家白蟻喂食纖維素、木質(zhì)素與木材3種不同食物時(shí)，這些基因的表達(dá)水平表現(xiàn)出不同程度的變化；對木質(zhì)素喂食有響應(yīng)的7種基因極有可能參與木質(zhì)素的修飾。上述酶可能分別參與碳水化合物的水解與木質(zhì)素的修飾，并且暗示不同組織在消化生物質(zhì)過程中的獨(dú)特作用。最近，浙江大學(xué)莫建初教授的研究團(tuán)隊(duì)在一種高等培菌白蟻——黑翅土白蟻中，用多種理化方法鑒定了系統(tǒng)對木質(zhì)素的修飾作用[37]。他們發(fā)現(xiàn)該白蟻在腸道內(nèi)對所取食木頭顆粒的預(yù)處理時(shí)間只有不到3.5h；而菌圃中微生物則優(yōu)先利用木糖，可能促進(jìn)了白蟻對木材的消化能力。該團(tuán)隊(duì)指出這種互補(bǔ)協(xié)作的預(yù)處理方式代表了一種非常高效的生物質(zhì)降解機(jī)制，通過進(jìn)一步的研究與強(qiáng)化，有可能在生物質(zhì)預(yù)處理工藝方面達(dá)到規(guī)模化生產(chǎn)的要求。這些研究表明，白蟻系統(tǒng)不僅充分利用了腸道共生原蟲[35]與細(xì)菌[38]，或者是巢生真菌[39]的木質(zhì)纖維素分解能力，自身也分泌大量纖維素酶與少量木質(zhì)素酶，并可能在木質(zhì)素預(yù)處理過程中的結(jié)構(gòu)修飾占據(jù)主導(dǎo)地位（表2）。特別是低等白蟻對木質(zhì)素組分僅通過少量修飾（25%～30%）[4，40]，就可以充分而又有效地釋放生物質(zhì)中碳水化合物（>90%），并保留了木質(zhì)素的大部分完整結(jié)構(gòu)被排出體外。

食木白蟻腸道消化系統(tǒng)高效轉(zhuǎn)化和利用木質(zhì)纖維素的代謝途徑與過程機(jī)制，目前還處于模型構(gòu)建和機(jī)制驗(yàn)證階段，許多白蟻?zhàn)陨韥碓椿蚬采⑸飦碓吹睦w維素酶[41-42]與木質(zhì)素酶[7，13]被異源表達(dá)或純化，并進(jìn)行了特性分析。筆者研究團(tuán)隊(duì)近年來發(fā)現(xiàn)家白蟻?zhàn)陨矸置诘难{(lán)蛋白能直接氧化2，2-聯(lián)氮-二（3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸）二銨鹽（ABTS）與藜蘆醇等高氧化還原電位的底物[43]，可能參與木質(zhì)素的深度修飾；而家白蟻來源的漆酶則僅能氧化二酚類低氧化還原電位的底物[8]，可能淺度修飾木質(zhì)素。正是在這些木質(zhì)素酶與纖維素酶、半纖維素酶的協(xié)同作用下，白蟻系統(tǒng)高效地實(shí)現(xiàn)了生物質(zhì)的降解。模擬白蟻生物轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，適度地粉碎生物質(zhì)，添加特定糖基水解酶與木質(zhì)素氧化酶，分隔出有氧與無氧的反應(yīng)區(qū)，有可能實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的高效降解。利用白蟻仿生技術(shù)設(shè)計(jì)的生物質(zhì)降解反應(yīng)模型見圖1，在該模型下，生物質(zhì)原材料被依次粉碎并在特定條件下氧化還原修飾與水解，同時(shí)完成對木質(zhì)素的分離。

5 木質(zhì)纖維素三大主要成分的預(yù)處理分離與高值化利用

圖1 利用白蟻仿生技術(shù)設(shè)計(jì)生物質(zhì)降解反應(yīng)模型

生物質(zhì)利用的關(guān)鍵在于開發(fā)環(huán)保而高效的預(yù)處理技術(shù)與高效并全部利用三大組分。傳統(tǒng)的生物質(zhì)加工方法存在能耗過高、化學(xué)品消耗大、環(huán)境污染嚴(yán)重與不完全利用等諸多問題。而白蟻等自然系統(tǒng)對木質(zhì)纖維素的高效降解機(jī)制則給我們很重要的啟示：即通過簡單的物理化學(xué)處理并結(jié)合豐富的酶系統(tǒng)加工，完全有可能在常溫常壓下高效地實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)中碳水化合物的水解與木質(zhì)素的分離。水解所得寡糖可以用于生產(chǎn)各種化工用品[44]，分離出來的木質(zhì)素可以被用做3D打印的原料、黏合劑等，木質(zhì)素經(jīng)裂解還可以用于生產(chǎn)各種酚類化合物[45]，從而實(shí)現(xiàn)對生物質(zhì)的高值化與全部利用。

正如上文所述，白蟻系統(tǒng)的仿生利用目前仍處于模型構(gòu)建與機(jī)制驗(yàn)證階段，筆者認(rèn)為至少需要實(shí)現(xiàn)如下三個(gè)領(lǐng)域的突破：第一，適度的生物質(zhì)物理化學(xué)預(yù)處理方案，這是仿生過程的必要條件；第二，新型好氧-厭氧串聯(lián)兩相（固液）反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，這是整個(gè)反應(yīng)的平臺(tái)；第三，高效氧化還原酶與水解酶系統(tǒng)的構(gòu)建，這是整個(gè)系統(tǒng)的核心。過于精細(xì)的預(yù)處理增加了額外的能耗與成本；反之，過于粗糙的預(yù)處理則不能實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)高效的降解與利用。氧化還原酶與水解酶系統(tǒng)的構(gòu)建過程則應(yīng)同時(shí)兼顧各種酶的最適反應(yīng)條件、活力以及生產(chǎn)成本。實(shí)現(xiàn)上述三方面的突破，生物質(zhì)降解的屏障即可完美地打開，生物質(zhì)的高值化充分利用也可以逐漸走向產(chǎn)業(yè)化。

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Natural bioconversion systems of lignocellulose, the processing characteristics and biomimetic applications

GENG Alei，SUN Jianzhong，XIE Rongrong，WU Jian，XIAO Nan

Biofuels Institute of Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China

The large scale industrial utilization of lignocellulose biomass nowadays confronts with a series of challenges both from science and technology, and the core of the challenges is how to achieve highly effective fractionation and conversion of biomass. In the nature, a variety of biological processing and their mechanisms on lignocellulose degradation and conversion have been evolved from different biological systems, where very different strategies have been employed to deal with the biomass recalcitrance. This paper reviewed the different strategies and processing characterizations of several representative natural biomass conversion systems, and particularly highlighted their systematic prof les of effective conversion of biomass by wood-feeding termites. By learning from the biological conversion systems with the biomimetic technology, it can be conf rmed that a novel biomass degradation processing system can be potentially established when combining the nature-inspired technology with those unique resources of genes and enzymes from termites or other biological systems, with which the goal of a low cost, low pollution, and high efficiency for biomass conversion will possibly come to be true in the near future.

biomass conversion; lignocellulose; biomimetics; termite

10.3969/j.issn.1674-0319.2017.03.008

孫建中，江蘇大學(xué)特聘教授，博士生導(dǎo)師，江蘇大學(xué)生物質(zhì)能源研究所所長，生物質(zhì)能源與生物過程仿生專家，美國華盛頓州立大學(xué)系統(tǒng)生物工程系兼職教授及生物質(zhì)能源研究領(lǐng)域博士生指導(dǎo)委員會(huì)委員。目前主要從事消化木質(zhì)纖維素類自然生物系統(tǒng)（如白蟻）的生物過程仿生、能源植物改造、生物基材料3D打印與多元生物能源產(chǎn)品開發(fā)等方面的研究。E-mail：jzsun1002@ujs.edu.cn

國家自然科學(xué)基金（31201752），中國博士后基金（2017M 611709），江蘇省優(yōu)勢學(xué)科以及江蘇大學(xué)高級(jí)人才啟動(dòng)基金（11JDG109）