生物防治木材变色研究现状及展望

杨苏苏 吴小龙 邱 坚 秦 磊

（西南林业大学材料科学与工程学院，云南 昆明 650224）

木材出现变色不仅会影响木材的美观，还会影响木材制品的商品价值[1]。引起木材变色的原因一般可分为4类，即化学性变色、物理性变色、生理性变色和微生物性变色[2]。其中，对木材材色破坏最严重的是微生物性变色，其主要由变色菌、霉菌和腐朽菌引起。真菌菌丝不仅存在于木材表面，在条件适宜的情况下还会通过纹孔从一个细胞蔓延到另一个细胞，并深入木材内部，使木材颜色从表面到内部发生变化。因此，寻找一种无毒环保且效果持久的木材防变色方法已经成为木材保护领域的重点研究热点和发展方向。本文旨在通过对目前木材变色相关研究内容的概述，为木材变色的生物防治提供理论依据，并提出了基于活立木防治木材变色的展望。

1 木材变色真菌研究概况

1.1 易导致木材变色的真菌种类

木腐菌、霉菌和变色菌均会引起木材变色，但变色原因与变色程度有所不同。

常见的可以引起木材变色的霉菌有木霉属(Trichoderma)、青霉属(Penicillium)、曲霉属(Aspergillus)等。受到霉菌侵害的针叶材会出现黑色或淡绿色斑点，阔叶材则会出现黑色斑点，但霉菌孢子一般只在木材表面繁殖生长，不会深入木材内部。因此，霉菌引起的木材变色可以使用刷子清除或通过表面刨切清除。然而，被霉菌侵染后，木材的渗透性增加，为木腐菌和变色菌的侵染提供了条件。木腐菌分为白腐菌、褐腐菌和软腐菌，在多种酶的作用下会破坏木材中的纤维素、半纤维素、木质素等主要化学结构单元，严重危害木材的材性。在木材腐朽初期，其边材大多会出现红斑，针叶材红褐色，有时出现紫色；阔叶材中呈现白色或暗褐色。与霉菌与变色菌引起的木材变色有较大区别。

木材变色菌主要属于子囊菌亚门和半知菌亚门，如子囊菌亚门的长喙壳属(Ceratocystis)，半知菌亚门的粘束孢属(Graphium)、色二孢属(Diplodia)、镰孢属(Fusarium)和球二孢属(Lasiodiplodia)等[3]。被真菌侵染后的木材颜色因木材种类、变色菌种类及周围环境差异的不同而异，如蓝变、褐变、黄变、红变、绿变等[4]。同时，变色菌的菌丝会深入木材内部，因此不像霉菌引起的变色那样能够轻易去除。图1为可可球二孢侵染橡胶木的扫描电子显微镜图，可以在木材的细胞腔内看到粗壮、横穿细胞壁的菌丝，这些菌丝穿透了射线薄壁细胞和导管，但其并不会明显降低木材的强度[5]。

1.2 变色菌引起木材变色的原因

木材的变色菌变色主要是由于真菌的菌丝以及真菌的次生代谢产物引起颜色变化。真菌侵染过程中，其分泌的色素通常是使木材表面或内部的颜色产生变化的主要原因[6]。木材的多尺度孔隙结构为变色菌的生长提供了空间，其中含有的糖类、蛋白质等物质也可为变色菌的生长提供营养。不同菌种间的协同或拮抗作用会产生不同的色素分泌，出现不同的色斑。菌种与不同木材之间复杂的相互作用又会影响菌落的生长和色素的分泌，从而在木材上呈现不同的色素分泌情况。

木材中真菌色素通常以结合在真菌细胞壁内和释放到细胞外这两种形式存在，长喙壳属(Ceratocystis)和Ophiostoma的真菌的色素通常是结合在真菌细胞壁内，其中蓝变色是黑色素沉积在细胞壁上引起的，而Arthrographis cuboidea产生的红变色素通常是真菌释放到细胞外的。通常，释放到细胞外的色素要比结合在细胞壁上的色素具有更强的穿透木材的能力。

1.3 木材变色真菌的传播途径

真菌存活的必要条件是真菌孢子的自由传播，许多担子菌和子囊菌的孢子可主动弹射到空气中借助气流传播。昆虫和其他节肢动物是真菌孢子的主要传播媒介[7]。木材表面的变色菌能产生大量分生孢子和少量粘性孢子，大量分生孢子和菌丝体通过风、雨水飞溅等非生物方式在木材间传播，这些粘性孢子可轻易黏附在节肢动物身上，随节肢动物活动而传播。大量文献已确定并描述了世界许多地区的小蠹虫与变色真菌之间的关联，相关证据表明，在有小蠹虫的情况下，枯死和受损树木中的变色程度更高，在没有小蠹虫的条件下，变色很少[8]。

不同昆虫传播的真菌种类也有所区别，大小蠹属(Dendroctonus)、齿小蠹属(Ips)等属的小蠹虫主要传播边材变色菌(Leptographium;Pesotum)的分生孢子。华山松大小蠹(Dendroctonus armandi)及其伴生蓝变菌(Ceratocystis polonica)会分解华山松(Pinus armandi)木质部组织，堵塞木质部组织的树脂管，引起树脂和水的代谢混乱，其对华山松的危害不容忽视[9]。

2 木材变色的生物防治

木材变色的防治方法经历了物理方法、化学方法，近年来转向了更为环境友好的生物防治方法。其中，物理防治方法主要是将木材置于一个不利于变色菌生长的环境中，比如干燥法、水存法和湿存法，但其不能解决木材再次吸湿而产生的变色问题[10]。化学防治方法主要通过化学药剂配成的溶液喷淋或浸泡木材，使木材表面覆盖一层化学药剂，但由于化学药剂有毒性，污染环境甚至危害人体健康，不宜推广使用[11]。生物防治在农业上的应用已较为普遍，是利用微生物拮抗、竞争等种间关系形成的一种“以菌治菌”的方法，是一种持久且效益稳定的方法[12-13]。

2.1 主要的生物防治菌株

生物防治木材变色的方法最早于20世纪40年代由美国林产品实验室提出，并在80年代成为研究热点。各国学者在生防菌株的来源、筛选、作用机制、生防性能、生防制剂的应用等方面开展了大量的研究[14]。木霉属(Trichoderma)、青霉属(Penicilium)和曲霉属(Aspergillus)已被报道可用作变色菌的生物控制剂。Behrendt等[15]发现大隔孢拟射脉菌(Phlebiopsis gigantea)可以抑制导致红松(Pinus resinosa)边材变色的蓝变菌。张雨[16]测试了6种木霉对蓝变菌的拮抗能力，筛选出康氏木霉(Trichoderma koningii)和桔绿木霉(Trichoderma citrinoviride)作为防治木材蓝变的生物控制菌种。Schroede等[17]在室内条件下研究发现Ophiostoma piliferum的白化菌株具有高水平的群体竞争能力，可抑制由真菌生长引起的木材变色。杂交及单孢分离和使菌株基因突变的方法被用来获得在木片上生长不产生色素的无色菌株，以防治变色菌引起的木材变色[18-19]。细菌菌株对变色菌和霉菌的生物控制能力已在早期得到证实，芽孢杆菌(Bacillus)，尤其是枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)，是世界市场上几乎一半生物农药的活性剂，对变色菌也有着显著的抑制作用[20]。假单胞菌(Pseudomonas)、乳酸杆菌(Lactobacillus)、链霉菌(Streptomyces)等细菌属也在实验室和野外试验中进行了控制变色菌的研究并取得了一定的防治效果[21-22]。Graeme等[23]在体外测试了几种酵母菌，结果发现，这些酵母菌及其杀伤毒素能够显著抑制某些木腐担子菌和植物病原真菌的生长，具有作为新型抗真菌生物控制剂的潜力。Payne等[24]经测试发现，5种酵母菌分离株都能显著减少霉菌和变色菌引起的木材变色。

2.2 生物防治木材变色的机理

在已经报道的生物防治技术研究中，大部分集中在抑菌菌种的分离、提纯、鉴定及抑菌物质的分离鉴定上，而对于抑菌物质如何干扰变色菌的生长代谢等机理的研究相对较少。孙薇等[25]从形态、生理、能量代谢和物质代谢4个方面，探索了枯草芽孢杆菌B26-10对变色菌的抑制机理，发现其代谢产物会使病原菌菌丝出现畸形、扭曲、断裂、原生质收缩、内含物溢出等异常现象。刘媛等[26]研究发现木材蓝变生物控制菌康氏木霉产生的胞外几丁质酶可以有效抑制病原菌的生长。有研究发现：一些生物控制菌株中产生的蛋白酶、昆布多糖酶和铁载体抗生素等对木材变色菌有抑制作用[27]。

2.3 内生真菌防治变色菌

由于内生真菌具有与树木长期进化而适应树木内在的某些抗生物质，与树木之间存在着密切的互利共生关系,可与病原菌直接相互作用等优势，因此筛选出的拮抗菌对所用环境具有很强的适应性。分离和筛选内生真菌并将其应用于病原菌的生物防治上成为了筛选生防菌的一种重要手段，并颇有成效。郑鹏等[28]从橡胶树枝条中分离筛选出ITBB2-2对香蕉枯萎病菌(Fusarium oxysporum)和橡胶炭疽病菌(Colletotrichum gloeosporioides),发现有明显的拮抗作用。罗鑫[29]从马尾松中分离筛选出4株对立枯病致病菌尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)具有显著抑制作用的内生真菌，其中长枝木霉的防治率达82.52%。图2为筛选出的橡胶木内生真菌里氏木霉(Trichoderma reesei)与变色菌可可球二孢(Lasiodiplodia theobromae)的平板拮抗示意图。由图2可以发现，里氏木霉对可可球二孢的生长有明显抑制作用。基于此，内生真菌的这些抑菌优势使其能更好地发挥拮抗和生物防治作用。

图2 里氏木霉与可可球二孢第2、 7、 15 天平板拮抗示意图Fig.2 Schematic diagram of plate antagonism between Trichoderma reesei and Lasiodiplodia theobromae on days 2,7 and 15

3 生物学特性分析

对变色真菌及其生物控制菌株的生物学特性进行研究，明确其对基本环境条件的要求，可以更好地利用生物控制菌株展开生物防治，并为其进一步的开发和利用提供理论依据，也为深入研究木材变色机理及进一步防治木材变色提供参考。

3.1 变色菌的生物学特性

曹翠等[30-31]研究发现，蓝变菌株(Ophiostoma spp.)最适生长温度为25 ℃，最适pH为5.5，最佳碳源为果糖，最佳氮源为甘氨酸。蒲晓娟等[32]研究发现，华山松蓝变真菌秦岭细粘束孢(Leptographium qinlingensis)的最适生长温度为27.5 ℃，最适pH为5，最适培养基为麦芽汁培养基。刘媛等[33]发现，蓝变菌株可可球二孢(Lasiodiplodia theobromae)的最适温度为30 ℃，最适pH为5，最佳碳源为蔗糖，最佳氮源为酵母浸膏。链格孢(Alternaria spp.)最适生长温度为25 ℃，最适pH为9, 群生小穴壳(Dothiorella gregaria Sacc.)最适生长温度为30 ℃，最适pH为7, 多隔镰刀菌(Fusarium decemcellulare Brick) 最适生长温度为25 ℃，最适pH为6，长喙壳(Ceratocystis adiposa)最适生长温度为25 ℃，最适pH为7[34]。总结发现变色菌株的最适生长温度与pH值的范围较为集中。因此，在进行生防菌的筛选时，可以有针对性地选择主要变色菌最适生长条件范围外的菌株。

3.2 控制菌株的生物学特性

韩丽等[35]研究发现，白桦木材蓝变生防菌枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis) B26的最适生长温度为35 ℃，最适pH为7，最佳碳源为半乳糖，最佳氮源为牛肉膏。况再银[36]等发现,生防菌球孢白僵菌(Beauveria bassiana)最适生长温度为27 ℃，最佳湿度为100%，此时孢子萌发率最大，菌株生长状况最好。里氏木霉(Trichoderma reesei)最适生长温度为30 ℃，且其在40 ℃的高温下仍能生长，此外，桔绿木霉(Trichoderma citrinoviride)在40 ℃的高温下长势良好。基于此，在进行变色菌防治时可以将基本环境条件控制在有利于控制菌株生长时的条件。

4 结论

由真菌引起的木材变色由于菌种和树种以及环境因素的不同而有所差异，为保证木材的价值，需要采取必要的防护措施，减少真菌对木材的侵染。木材变色生物防治技术的推广使用可以弥补物理防治方法和化学防治方法的不足，符合绿色可持续发展的理念。其中，生物控制菌株的筛选方面已开展了大量的研究，一些无色真菌菌株（木霉属、青霉属和曲霉属）、细菌菌株和酵母菌菌株针对木材变色菌具有良好的抑制作用。对于其防变色机理也展开了大量的研究分析，主要集中在控制菌株的代谢产物、菌株间动态的相互作用和外界环境条件的影响等方面。但目前仍有大量工作需要进一步研究，主要概括为以下3点：1）高效生防菌株的筛选；2）不同生防菌与木材间的相互作用机制；3）基于活立木的木材变色防治研究。

目前，将生物控制菌株作用于活立木上的研究还未见报道，但“以菌抑菌”的生物防治木材变色技术以其无毒环保的巨大优势，已然成为木材防变色的必然发展方向和关注重点。利用树木的水分流动和蒸腾作用，使改性药液随树液一起向上流动的特性活立木改性技术投资小、节能环保、适合推广使用。然而，关于活立木防变色改性等方面的研究开发工作在国内外还鲜有报道。因此，尝试在活立木中进行木材变色的生物防治具有广阔的研究空间。