真菌降解木质素研究进展及在好氧堆肥中的研究展望

第23卷第10期中国生物工程杂志CHlNABl0TECHN0L0GY2003年10月真菌降解木质素研究进展及在好氧堆肥中的研究展望*郁红艳一曾光明胡天觉陈耀宁(湖南大学环境科学与工程系长沙410082)摘要综述了近十年来真菌降解木质素的研究进展，包括木质素的存在与结构，真菌降解木质素生物学、酶系及作用机理、生理学以及在环境工程中应用方面的研究进展，并对好氧堆肥处理城市垃圾中木质素生物降解的研究作了展望。关键词真菌木质素生物降解好氧堆肥木质素是自然界中含量丰富的一种高分子芳香族化合物，结构复杂，不溶于任何溶剂，是木材水解工业和造纸工业的副产物，也是作物秸秆以及城市生活垃圾中的一种较难降解的物质，造成了严重的环境污染，因此关于木质素的生物降解，尤其是在造纸工业的废水处理方面，国内外已有不少的研究报道。本文综述了近10年来真菌降解木质素的研究进展，并对木质素生物降解在好氧堆肥中的研究作了展望。l木质素的存在与结构1．1木质素的存在木质素是植物经光合作用产生的一种木质纤维类物质，广泛存在于植物细胞中。是针叶树类、阔叶树类和草类植物的基本化学组成之一，还存在于所有的维管植物之中(桫椤除外)。在植物体内，木质素通过化学键与半纤维素连接，然后包裹在纤维之外，形成纤维素。木质素的存在给植物组织以强度和硬度，防止过多水分和有害菌类渗入细胞壁。1．2木质素的结构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。共有三种基本结构(非缩合型结构)，即愈创木基结构、紫收穑日期：2003-05-04修回日期：200308．18*国家863高技术资助项目(2001AA644020)、高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20020532017)、2000年教育部高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划资助项目。**电子信箱：xiaoyul219@163．net丁香基结构和对羟苯基结构(见图1)。木质素基本结构单元间连接的醚键主要有一0—4型、a一0—4型、4—0—5型、Q一0—7型；碳碳键主要有8—5型、5—5型、8—8型与8—1型。虽然经20多年的研究，已提出不少木质素的结构模型，但由于其结构的复杂性及在自然界中的存在方式，不可能把整个木质素分子以其完整状态分离出来，因此提出的所有模型都只能描述木质素分子的一部分结构⋯。盒创木基结构一-c一一一一-c一-c一-c@一伽对羟苯基结构图1木质素中的三种基本结构2降解木质素的真菌木质素完全降解是真菌、细菌及相应微生物群落共同作用的结果，其中真菌起着重要作用。百年前德国科学家Hartig发现木材的腐朽与微生物相关，他根据木材腐朽的类型将相关的微生物区分为自腐菌、褐腐菌和软腐菌。它们的分类位置、形态、生理特性都不相同。自腐菌腐朽木材呈白色，菌丝沿着细胞腔蔓延，主要集中在纹孔处。在菌丝下细胞壁被分解出维普资讯http://www.cqvip.com58中国生物工程杂志第23卷一条沟槽，它可按从细胞腔一s一s2一s。一复合胞间层的顺序逐渐降解纤维素、半纤维素和木质素。褐腐菌在形态上和分类上与白腐菌相似，褐腐木材为褐色。在木材中，菌丝只能沿着细胞腔延伸。由于褐腐菌主要降解多糖而分解木质素能力弱，所以褐腐只局限在含木素密度低的S。和s2层。褐腐的明显特征是纤维素迅速解聚，分解木质素能力较差。软腐菌属于子囊菌和半知菌类，能使木材变软失重，分解木材中的非木质素多糖，有限地降解木质素。软腐木材干燥后为褐色，有裂缝，其重量减轻，机械强度减弱。软腐菌生长在湿度较大的木材上，主要在硬木上，其明显的特征是在S，层钻洞。除了钻洞外，大多数软腐菌还可以从细胞腔向复合胞间层产生腐蚀。3真菌降解木质素的研究进展从20世纪20年代起，人们开始了对木质素生物降解的研究，主要研究的是白腐真菌对木质素的降解。到20世纪50年代除了白腐真菌，还发现了降解木质素的其他群类真菌。20世纪70年代开始利用c标示的木质素研究其生物降解，使模式菌黄孢原毛平革菌(Phanerochaetechrysosporium)降解木质素的生理学方面有了很多重要发现。主要包括：(1)木质素的降解需要在低氮水平下，木质素的矿物化发生在次级代谢阶段；(2)用100％的纯氧可得最高矿化率，表明木质素的降解具有氧化特性；(3)木质素降解过程中产生一种重要的次生代谢产物，藜芦醇(VA)。20世纪80年代是木质素生物降解研究的一个高峰期，主要研究木质素生物降解的酶学与分子生物学，使木质素生物降解机制研究有了很大的进展。20世纪90年代以来人们进一步研究木质素生物降解的生物学、酶学、生理学以及在环境工程中的实际应用。3．1真菌降解木质素的生物学研究进展白腐菌是目前研究最多的降解木质素最有效的真菌，多数属于高等担子菌。目前用于木质素降解研究的白腐菌主要有革盖菌属(Cori