摘要：秸秆中的木质素是潜在的可再生资源。近年来,利用生物法对其进行降解已成为研究热点。从木质素生物降解性出发,对降解木质素微生物、酶系以及降解条件进行介绍,以期为木质素生物降解法的推广应用提供参考。
关键词：生物法降解,秸秆,木质素
秸秆是一种丰富的纤维素可再生资源,我国农作物秸秆年产量逾6亿t,除少量被用于造纸、纺织等行业或用作粗饲料、薪柴外,大部分以堆积、荒烧等形式直接倾入环境,造成极大的污染和浪费。能源紧张、粮食短缺及环境污染日趋严重是目前世界各国所面临的难题。而可再生资源的转化利用,能在有利于生态平衡的条件下缓解或解决问题。
木质素又称木素,是植物界中含量仅次于纤维素的一类高分子有机物质,是一种极具潜力的可再生资源,每年全世界由植物可生长1 500亿t木质素,且木质素总与纤维素伴生,具有无毒、价廉、较好的可热塑和玻璃化特性。木质素是由苯丙烷结构单元组成的复杂的、近似球状的芳香族高聚体,由对羟基肉桂醇(phydroxy cinamylalcohols)脱氢聚合而成,一般认为木质素共有3种基本结构(非缩合型结构),即愈创木基结构、紫丁香基结构和对羟苯基结构。木质素结构单元之间以醚键和碳-碳键连接,连接部位可发生在苯环酚羟基之间,或发生在结构单元中3个碳原子之间,或是苯环侧链之间。木质素由于分子量大,溶解性差,没有任何规则的重复单元或易被水解的键,因此木质素分子结构复杂而不规则。
从20世纪开始,国内外学者一直在寻找降解木质纤维素的最佳途径,研究内容主要包括以下几方面:物理法、化学法、物理化学法、生物降解法。物理法包括辐射、声波、粉碎、整齐爆破等。化学法包括无机酸(硫酸、乙酸、盐酸等)、碱(氢氧化钠、氨水等)和有机溶剂(甲醇、乙醇)等。物理化学法,即化学添加法和气爆法相结合。此3种方法,可在一定程度上降解秸秆中的木质纤维素,但都存在条件苛刻、设备要求高的特点,从而使预处理成本增加,且污染严重。生物降解法是从20世纪20年代起开始研究的,采用降解木质素的微生物在培养过程中可以产生分解的酶类,从而可以专一性降解木质素。此法具有作用条件温和、专一性强、无环境污染、处理成本低等优点。
1降解秸秆木质素的微生物
在自然界中,木质素的完全降解是由于真菌、细菌及相应的微生物群落共同作用的结果。从20世纪起,国内外学者对木质素降解的研究从白腐真菌开始。白腐真菌是指一类具有相同功能引起木质白色腐烂的丝状真菌的集合,凭借其选择性降解木质素的能力,白腐真菌的菌丝穿入木质,侵入木质细胞腔内,释放降解木质素的酶,导致木质腐烂为淡色的海绵状团块。目前,用于木质素降解研究的白腐菌主要有黄孢原毛平革菌(Phanerochete chrysosporium)、杂色云芝(Coridus versicolor)、香菇(Lentinula edodes)、变色栓菌(Thametes Versicolor)、朱红密孔菌(Pycnoporus cinnabarinus)等。以稻草秸秆加20%棉籽壳为培养基质,接入3种侧耳菌株,经研究发现,从接种到子实体形成过程中,培养物的木质素呈不断下降水平,木质素降解率与酶活变化趋势基本相似。]通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析和木质纤维素组分含量变化,研究了3株白腐菌在50d培养期内降解稻草秸秆中木质纤维素的降解规律,结果表明:3株白腐菌对稻草秸秆中木质纤维素降解具有一定的顺序和选择性,先降解半纤维素和木质素,再同时降解半纤维素、纤维素和木质素,并且对木质素有很好的降解优势。研究白腐菌产木质素过氧化物酶发酵条件,利用Lip粗酶液在体外直接降解稻草,3d后Klason木质素的降解率为8.7%。研究了白腐菌及其产生的木质素降解酶系对秸秆的木质素生物降解方法,采用黄孢原毛平革菌和杂色云芝双菌联合固态培养可使木质素降解率达到47.64%。以香菇、金针菇、杏鲍菇等9种食用菌对云杉木质素的降解进行研究,试验表明:杏鲍菇对木质素的降解能力最强,其次是木耳、茶树菇、柳菇、榆黄菇对木质素降解能力较高,其余4种食用菌降解木质素能力较弱。
20世纪80~90年代的研究表明细菌可以代谢低分子的磺化木质素、Kraft木质素片断等,细菌能够使木质素结构发生改性,成为水溶性的聚合产物;另外,细菌与真菌协同作用使木质素易于受到真菌的攻击,且可去除对腐朽真菌有毒性的物质。降解木质素的细菌种类很多,其中放线菌是公认降解能力较强的细菌,包括链霉菌(Strptomyces)、节杆菌(Arthrobacter)、小单胞菌(Micromonospra)等。Tuomela M等[18]研究表明链霉属的丝状细菌降解木质素最高可达20%,放线菌对木质素的降解主要在于增加木质素的水溶性。其他降解木质素的细菌主要是非丝状细菌,能够在一定程度上引起木质素的降解,如微球菌属(Micrococcussp)、假单胞菌属(Pseudomona ssp.)、黄单胞菌属(Xanthomonas sp.)等。非丝状细菌降解木质素的能力较差,只能降解小分子量或者木质素的降解产物,其中假单胞菌属是最有效的降解菌。张甲耀等[20]通过对一嗜碱细菌对麦草木质素降解能力的研究,发现在最佳综合培养条件下该菌株10d对木质素降解率可达49.84%。
2秸秆木质素降解酶系
目前认为最重要的木质素降解酶有3种,即木质素过氧化物酶(Lignin Peroxidase,Lip)、锰过氧化物酶(Man-dependent Peroxidase,Mnp)和漆酶(Laccase,Lac)。木质素过氧化物酶和锰过氧化物酶可使木质素分子中碳—碳键断裂成苯氧残基,漆酶对木质素有降解和聚合的双重作用。
Lip是最早发现的木质素降解酶,存在于大多数降解菌中,它是一种糖蛋白,分子量约41 000,有1个血红素构成其活性中心,可连接至少1个黎芦醇。Lip能催化木质素中富含电子的酚型或非酚型芳香化合物发生氧化,从而使木质素形成活性基团,然后发生一系列的非酶促裂解反应,实现对底物的部分氧化或彻底的氧化。
Mnp 也是最常见的木质素降解酶,也是一种糖蛋白,分子量约46 000。锰过氧化物酶在过氧化氢存在时能氧化酚型木质素及木质素模型物,即由Mn2+及一种螯合物催化木质素发生降解。Mn2+被氧化成Mn3+,Mn3+反过来又氧化酚型化合物,并保护Mnp不受反应活性自由基的破坏。
Lac是一种多酚氧化酶,是一种典型含Cu2+的糖蛋白。Lac所催化的主要是氧化反应,表现在底物自由基的生成和4个铜离子的协同作用,主要攻击木质素中的苯酚结构单元;在反应中,苯酚的核失去1个电子而被氧化,产生含苯氧基的自由活性基团,可导致芳香基的裂解。Lac同时具有催化解聚和聚合木质素的作用,因此单独存在时不能降解木质素,只有同时存在Mnp等其他酶,避免反应产物重新聚合时,才有较高的木质素降解效率。
3秸秆木质素生物降解的条件
在木质素降解过程中,碳源和氮源的来源以及营养限制对生物降解木质素有极大的影响,是木质素降解的关键因素。研究报道P.chrysosporium和Lentinula edodes只有在其他替代碳源如葡萄糖存在时才能降解木质素。碳源和氮源对Coriolus versicolor木质素酶分泌的影响,发现淀粉含量丰富的物质做碳源有利于木质素降解酶的分泌。在静置和振荡2种方式下不同营养条件对白腐菌合成木质素过氧化物酶(Lip)的影响。静置培养时,碳氮比低的培养基中显示较高的酶活,碳源以葡萄糖和糊精同时存在及分段加入要比单一葡萄糖作为碳源时获得更高的酶活;振荡培养时,在碳氮比高的培养基中酶活最高,而类似于静置培养的氮源组合及分段模式却明显抑制Lip的合成。
Cu2+、Fe2+、Mn2+等金属离子对木质素降解有很大的影响。Pleurotus o-streatus在含不同量Mn2+的固体发酵培养基中对木质素的降解,结果表明增加Mn2+的含量可使木质素降解率提高。Cu2+对Panus conchatus产木质素降解酶的调控,结果表明,Mnp的产生受Cu2+浓度影响不大,而Lac的产生却受Cu2+的严格调控。没有Cu2+的存在,Lac酶活力很低,适量的Cu2+浓度能够提高Lac酶活力。
许多研究表明,某些具有木质素结构类似物的添加可以明显提高木质素降解能力。外国学者F.Tonon等[30]报道黎芦醇对P.chrysosporium Lip合成的影响,通过在不同的碳源培养基中加入一定量的黎芦醇,发现2种培养基中的Lip酶活力都提高。对一嗜碱细菌降解木质素时发现,ABTS、愈创木酚能提高嗜碱细菌产Mnp和Lac的产量。
4结语
生物法降解秸秆木质素具有条件温和、专一性强、不存在环境污染、处理成本低等优点,随着科学技术的发展和研究的不断深入,开发出降解秸秆木质素的复合菌剂,对于解决能源紧张、粮食短缺及环境污染等难题具有重要的指导作用。
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