生物法降解秸秆木质素研究进展

1、精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载生物法降解秸秆木质素研究进展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 1。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

2、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2-4,每年全世精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载界植物可生长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。木质素是苯丙 烷结构单元组成的复杂的、近似球状的 芳香族高聚体，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

3、香基结构和对 羟苯基结构。木质素结构单元之间以醴 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 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5,6 o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7。物理法包 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、括辐射、声波、粉碎、整齐爆破等8,9。精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载 2

4、 =精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载=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

5、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 主要有黄胞原毛平革菌（Phanerochete精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载chrysosporium)、杂色云芝(Coridus versicolor) 香菇(Lentinula edodes)变 色栓菌(Thametes Versicolor)、朱红密孔 菌(Pyc

6、noporus cinnabarinus等10,11。杭 怡琼等12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。王宏勋等13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。毕鑫 等14研究白腐菌产木质素过氧化物酶 发

7、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。戴永鑫等15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精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载物降解方法，采用黄胞原毛平革菌和杂色 云芝双菌联合固态培养可使木质素降解 率达到。鞠洪波16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8090年代的研究表明细菌可

8、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17。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精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载5精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计

9、划类文档，欢迎阅读下载的水溶性18。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.殍。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17-19。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。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

10、,Lip)、镒过氧化物酶 (Man-dependent Peroxidase,Mnp和漆酶 (Laccase,Lac木质素过氧化物酶和镒过 氧化物酶可使木质素分子中碳一碳键断 裂成苯氧残基，漆酶对木质素有降解和聚 合的双重作用21。Lip是最早发现的木质素降解酶，存 精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载 6 =精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载=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

11、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22。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。镒过 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不受反应活性自基的破 坏23。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，产生含苯氧基的自活性精选公

12、文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载=精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载=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23,24 o 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25。王宜磊26研究碳源和氮源对 Coriolus v

13、ersicolor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。毕鑫等27研究在 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，而类似于静精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载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

14、解有很大的影响Kerem Z 等28研究 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。余惠生等29人研究 Cu2+对Panus conchatu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。外国学者等30报道黎芦醇对Lip 合成的影响，通过在不同的碳源培养基中 加入一定量的

15、黎芦醇，发现2种培养基中 的Lip酶活力都提高。罗宇煌等31-33 对一嗜碱细菌降解木质素时发 精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，感谢阅读下载 9 =精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载=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。FERRAZ A,GUERRAadvances and for fungal Mi

16、crobA,MENDONA R,et mechanistic basis biopulpingJ.EnzymeTechnol,2007,43(2):178-185.HIROMICHI I,MASANORIW,YOICHI H,et pretr-eatments for simultaneous saccharification and fermentation of beech wood by ethanolysis and white rot fungiJ.Journal ofBiotechnology,2003,103(3):273-280. 精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文

17、档，感谢阅读下载 10 精选公文范文，管理类，工作总结类，工作计划类文档，欢迎阅读下载24张建军，罗勤慧.木质素酶及其 化学模拟的研究进展J.化学通 报，2001,64(8):470-477.activities ofPhaner-ochaeteEnvironment25 LEATHAM G Lentinula edodes and chrysoporiumJ.AppliedMicrobiology,1986,24(1):51-58.26王宜磊.碳源和氮源对彩绒革 盖菌Coriolus versicolor木质纤维素酶和 木质素酶分泌的影响J.微生物学杂 志,2000,20(1):29-31.

18、27毕鑫，路福平,杜连祥.白腐菌产 木素过氧化物酶发酵条件的优化J.天津轻工业学院学报,2003,18(1):12-16.28 KEREM Z,HADAR Y . Effect of manganese on lignin degradation by Pleurotus ostreatus during soligstateAppliedandfermentationJ. Envi-ronmentalMicrobiology,1993,59(12):4115-4120.29余惠生，付时雨，王佳玲，等.铜E 离子对白腐菌 Panus conchatu产木素降 精选公文范文，管理类，工作总结类，工作