白腐菌降解木质素研究进展

王 敏

(衡水学院 生命科学学院，河北 衡水 053000)

白腐菌降解木质素研究进展

王 敏

(衡水学院 生命科学学院，河北 衡水 053000)

白腐菌是一种能选择性降解木质素的担子菌，其木质素酶能降解各种结构复杂、难降解的有机物而成为国内外研究的热点．本文详细综述了白腐菌降解木质素的机理、木质素酶系及其在各行业的应用研究进展等，并对其应用前景做出展望．

白腐菌；木质素；木质素酶系

地球上每年植物光合作用的生物量可达 2 000 亿 t，其中大部分为木质纤维素类．木质纤维素原料主要化学成分是纤维素、木质素、半纤维素等．在植物组织中木质素与半纤维素以共价键形式结合，并将纤维素分子包埋其中，形成一种坚固的天然屏障，使一般微生物很难降解利用．

自然界参与降解木质素的微生物种类有真菌、放线菌和细菌等，但迄今为止最有效、最主要的木质素降解微生物，可彻底降解木质素为 CO2和 H2O的是白腐真菌．以木材的腐朽类型，木质纤维素降解真菌可分为3类：白腐菌(White rot fungi)、褐腐菌(Brown rot fungi)和软腐菌(Soft rot fungi)．其中褐腐菌只能攻击和降解细胞壁中的纤维素、半纤维素部分，而软腐菌仅作用于细胞中的半纤维素，只有白腐菌是自然界中唯一一类具有独立降解木质素能力的微生物，褐腐菌、软腐菌一般认为在木素降解中仅起二次性作用．白腐菌分泌木质素降解酶的同时还分泌纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶等酶类，因而比木霉、曲霉等更适合分解天然的木质纤维素物质．

纤维素是植物细胞壁的主要成分，广泛而大量地存在于自然界，是地球上最丰富、最廉价的可再生资源，也是人类未来可能的能源、食品和化工原料的主要来源[1]．利用纤维素酶将纤维原料转化成可利用的糖，对于可持续发展战略的实施具有重大意义．因此首先要降解木质素，才能最大限度利用纤维素，本文将详细综述白腐菌的相关研究进展．

1 降解木质素的菌种及原理

木质素是由苯丙烷单元通过醚键和碳碳键连接而成的聚酚类三维网状高分子化合物．木质素由于具有各种生物学稳定的复杂键型而不易被微生物降解．如何高效利用木质纤维素原料其关键在于有效降解包裹在纤维素晶体外面的木质素以及半纤维素，从而增加纤维素表面积，使纤维素易于降解，从而生成可发酵性糖．

白腐菌属于担子菌纲(Basidiomycete)，是少数的能选择性降解木质素的真菌之一[2]，因其腐生在树木或木材上，引起木质白色腐烂而得此名．目前，已研究的白腐菌有：黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)、彩绒革盖菌(Coliolus versicolor)、变色栓菌(Trametes versicolor)、射脉菌(Phlebia radiata)、凤尾菇(Pleurotus pulm onarius)、杂色云芝(Trametes versicolor)、糙皮侧耳(Pleurotus)、朱红密孔菌(Pycnoporus cinnabarinus)等．P.chrysosporium已成为研究木质素降解的模式菌株．白腐菌所分泌的木质素降解酶主要有 3种，即木质素过氧化酶、锰过氧化物酶和漆酶．

白腐菌在降解木材的过程中，在适宜的条件下，白腐菌菌丝开始沿着细胞腔蔓延，主要集中在纹孔处．在菌丝下细胞壁被分解出一条沟槽，它可从细胞腔到复合胞间层，逐渐降解纤维素、半纤维素和木质素[3]．白腐菌降解木质素可分为细胞内和细胞外 2个过程．在细胞内主要营养物质(碳、氮、硫)限制条件下，白腐菌启动形成整个降解系统：1) 产生过氧化氢的氧化酶，即细胞内葡萄糖氧化酶和细胞外乙二醛氧化酶．它们在分子氧的参与下氧化相应底物激活过氧化物酶，从而启动酶催化循环．2) 合成对木质素降解起作用的细胞外酶，即木素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶 3种[4]．触发启动一系列自由基链反应，使木素结构中的苯环发生单电子氧化反应形成阳离子基团，而后发生一系列自发反应而降解．

木质素降解主要是氧化反应．根据氧化中不同电子受体，分为利用O2的多酚氧化酶系和利用H2O2的过氧化物酶系．前者为漆酶，后者指木素过氧化物酶和锰过氧化物酶．研究得较多的木质素降解酶系主要包括：木素过氧化物酶、锰依赖过氧化物酶和漆酶3种酶系．不同的白腐真菌可分泌这二种降解木质素的胞外酶中的一种或多种[6]．

2 木质素降解酶系

2.1 木素过氧化物酶(Lignin peroxidase, LiP)

木素过氧化物酶(LiP)是由Tien等[7]于1983年在黄孢原毛平革菌(P.chrysosporium)中发现的，随后的研究发现大部分白腐菌在木素降解条件下都能分泌这种酶，是迄今为止研究的最清楚的木素降解酶，在天然木质素和环境污染物小分子的降解过程中LiP起关键作用[8]．

LiP是一类含有血红素辅基的同工酶，分子量 38～43 kd，分子中有 10条长的蛋白质单链，一条短的单链．LiP作为生物催化剂，能够催化苯酚、芳香胺、芳香醚及多环芳香化合物，通过多个反应步骤氧化木质素模式化合物．

LiP降解木素时需要其他酶(如氧化酶)产生 H2O2，催化氧化木素需要一种真菌代谢产物藜芦醇(3,4-二甲氧基苯甲醇，VA)参与．VA既是LiP的底物，又是LiP的氧化还原介体，可能还起到保护酶免受过量H2O2破坏的作用．LiP催化氧化VA形成阳离子自由基，其传送电子能力极强．

2.2 锰过氧化物酶(Manganese-dependent peroxidase, MnP)

锰过氧化物酶(MnP)普遍存在于白腐菌的各个菌种中．与LiP一样它的催化循环也需要由H2O2启动．不同之处在于，它以木质素组织中广泛存在的Mn2+作为反应底物，同时以Mn3+作为介质氧化木素．

2.3 漆酶(Laccase)

漆酶是一种含铜的多酚氧化酶，和植物中的抗坏血酸氧化酶、哺乳动物的血浆铜蓝蛋白属铜蓝氧化酶家族中的同一小族，在结构和功能上存在许多相似之处．它可以催化氧化酚类化合物脱去羟基上的电子或质子，形成自由基，导致酚类及木素类化合物裂解，同时分子氧被还原为水．其反应包括脱甲氧基、脱羟基、C-C键断裂过程等．漆酶来源广泛，植物、昆虫和真菌中都存在漆酶．

3 应用

白腐菌对底物非特异性机制，使其得到广泛应用，如造纸制浆、饲料生产、废水处理、农业堆肥等行业．

3.1 饲料

目前白腐菌降解木质素的模式菌株是黄孢原毛平革菌．秸秆经白腐真菌发酵后，大部分的低质非蛋白氮转化为较高质量的菌体蛋白，蛋白质品质也得到较大幅度的改进．秸秆经白腐菌处理不仅营养成分有极大的提高，而且其pH值由未处理前的5.7降到4.0，呈愉快的水果香味，同时由于大部分的木质素被降解或破坏，秸秆质地柔软，适口性明显改善；可提高动物对饲料的消化， 并且已经突破了秸秆仅用于反刍动物饲料的禁区，对饲养猪、鸡的实验效果已有报道．利用白腐真菌处理秸秆能够快速、高质量地利用和转化秸秆资源，扩大饲料来源，减少环境污染[11]．

3.2 生物制浆

白腐菌的木素降解酶类能选择分解植物秸秆中的木质素，使得生物制浆成为可能．生物制浆是直接利用微生物降解纤维原料中的木质素，分离出纤维，使之成为纸浆．这种方法不仅能节约能耗，改善纸张的物理性能，还能减少污染，保护环境，应用前景广阔[12]．

3.3 堆肥

堆肥是利用各种微生物的发酵处理生物来源的有机物(如秸秆，林业废弃物，城市固体垃圾等)使之生成有机肥料的一种资源化方法．传统上曾使用高温堆肥的办法使秸秆转化为有机肥料，但这些操作劳动强度大．以白腐菌为代表的木质素降解微生物为秸秆的快速腐熟提供了理论依据[13]．

随着对木质素降解机理认识的深入，白腐菌在生物制浆、生物漂白、染料脱色、木质素转化、食品饮料、饲料原料以及废水[14]、废物处理等方面将发挥重要作用．

[1] Béguin P, Aubert J P.The biological degradation of cellulose[J].FEMS Microbiology Reviews,1994,13(1):25-58.

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[4] 王丽,曾光明,黄丹莲,等.白腐菌处理铅污染废弃稻草的动态变化研究[J].环境科学研究,2006,19(6):90-93.

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[6] 陈军.白腐真菌产漆酶的条件优化及其对多环芳烃的降解[D].哈尔滨:东北林业大学,2008,2-6.

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Abstract:White rot fungi is a kind of basidiomycetous which can selectively degradate lignin. For it has lignin degradation enzymes which can degergate complicated organic pollutants, the research on it has become a hot topic domestically and abroad. This paper reviewed the degradation mechanism of lignin, lignin degrading enzyme system and its application in every trade. Meanwhile the development prospect of white rot fungi was predicted.

Key words:white rot fungi; lignin; lignin degradation enzymes

(责任编校：李建明英文校对：李玉玲)

Progress of Research on White Rot Fungi Degradating Lignin

WANG Min
(College of Life Science, Hengshui University, Hengshui, Hebei 053000, China)

Q93

A

1673-2065(2011)01-0051-03

2010-08-20

河北省科技支撑计划项目(09225512); 衡水市科学技术研究指导课题(09060Z)

王 敏(1977-),女,河北衡水人,衡水学院生命科学学院副教授,工学博士.