（制浆造纸工程专业论文）麦草氨化反应与白腐菌分解及对五氯酚降解影响的研究.pdf

华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行 研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者繇丧1 乍矸 日期：口莎年6 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工 大学。学校有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许学位论文被查阅( 除在保密期内的保密论文外) ；学校 可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或 其它复制手段保存、汇编学位论文。本人电子文档的内容和纸质论 文的内容相一致。 本学位论文属于： 囱保密，在三年解密后适用本授权书。 口不保密。 学位论文全文电子版提交后： 口同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的 单位浏览。 ( 请在以上相应方框内打“”) 本人签名： 导师签名： 摘要 摘要 白腐菌对环境有机污染物特别是芳香族污染物有很强的降解作用，这种降 解是一种共代谢过程。在降解过程中，白腐菌需要在一种易利用的基质上生长， 在次生生长阶段分泌产生降解酶，降解有机污染物。 天然木质纤维是白腐菌的常用生长基质，白腐菌是自然界中唯一具有独立 降解木质纤维所有成份纤维素、半纤维素和木质素的能力。但是，由于原生木 质纤维的c l n 比值很高，远远高于10 0 ，不完全适合白腐菌的生长；在与其它 微生物的竞争中，白腐菌生长过程中从环境中获得氨态氮或硝态氮的能力较 弱。因此，在一个开放的生长环境中，往往由于氮营养的限制，抑制了白腐菌 的总生长量的提高，使得白腐菌对典型污染物虽有一定的降解能力，但总降解 量也比较小。因此，对天然木质纤维进行化学转化，向纤维分子中适当引入一 些氨基，合成c n 比值适宜的生长基质，将这种经过化学转化后的这种生长基 质以及其和天然木质纤维按一定比例混合后，有可能更好地满足白腐菌满足生 长基质降解过程中获取充足氮营养的要求。 本文研究了以麦草为样品的木质纤维氨化反应以及白腐菌对氨化木质纤 维的分解与对降解典型芳香族污染物的影响，以进一步了解白腐菌对木质纤维 的降解和对环境有机污染物降解的潜能，达到促进白腐菌对木质纤维的降解和 提高环境中有机污染物降解率的目的。 麦草木质纤维经氨化后，结构出现了明显的变化，在氨化反应过程中发生 了木质素的侧链氧化、环开裂等反应，氮主要结合在木质素的芳香族苯环上， 木质纤维的氮含量提高了，在17 0 条件下，氮结合量提高到2 3 3 ，氮主要 是结合在麦草木质纤维的木质素成分上。 将氨化后的麦草与未氨化的麦草以一定比例混合，形成一种新的生长基 质，与未加入氨化麦草的生长基质相比，生长基质的失重率、木质素的降解率 都有明显的变化；当在氨化麦草比例低于2 0 时，随着氨化麦草的增加，白腐 菌生长过程中导致的生长基质失重率和木质素降解率的有明显增加；氨化麦草 比例高于2 0 ，生长基质失重率和木质素降解率增加不明显。 典型芳香族污染物五氯酚的降解实验结果表明，在生长基质中加入氨化麦 草时，白腐菌对五氯酚的降解率有所提高；在氨化麦草比例低于2 0 时，随着 氨化麦草含量的增加，五氯酚的降解率增加；氨化麦草比例高于2 0 时，五氯 酚的降解率又会逐渐下降。加入污染物与未加入污染物的生长基质相比，在白 腐菌生长过程中，生长基质失重率和木质素降解率都没有明显的变化。 关键词木质纤维；木质素；氨化：白腐菌；降解率；五氯酚 华南理工大学硕士学位论文 a bs t r a c t w h i t er o tf u n g ui sc a p a b l eo fd e g r a d i n ga n dr e m o v i n go r g a n i cp o l l u t a n t s ， e s p e c i a l l y a r o m a t i cp o l l u t a n t s ，t h ed e g r a d a t i o np r o c e s si sac o m e t a b o l i c p r o c e s s b e f o r ep o l l u t a n t s i sd e g r a d e d ，w h i t er o tf u n g ii sg r o w i n go nt h e e a s i l ya v a i l a b l es u b s t r a t e s d u r i n gi t sg r o w t h ，e n z y m e sf o rd e g r a d a t i o no f p o l l u t a n t s a r ei n d u c e dt ob ep r o d u c e da n de x c r e t e d ，d e c o m p o s i t i o na n d r e m o v a lo fp o l l u t a n t si sr e a l i z e d h o w e v e r ，t h ec nr a t i oo fn a t u r a lg r o w t hs u b s t r a t e so fl i g n o c e l l u l o s i c s i s v e r yh i g h ，f a rm o r et h a n10 0 ，t h es u i t a b l er a t i oo fc n i sb e l o w10 0 b e c a u s eo ft h eh i g hr a t i oo fc n ，t h ew h i t er o tc a nn o tg e te n o u g hn n u t r i t i o nf r o mt h ep r o c e s so fd e g r a d a t i n gn a t u r a ll i g n o c e l l u l o s i c s a tt h e s a m et i m e ，w h i t er o tf u n g ii sw e a ka ta b s o r b i n gn h 4 + o rn 0 3 。i nao p e n h a b i t a t t h e n c e ，t om a k et h es u i t a b l eg r o w t hs u b s t r a t e sw i t hab e i g nr a t i oo f c n ，a m m o n i n a t i o no fl i g n o c e l l u l o s i c si ss i g n i f i c a n t i n t h i s e x p e r i m e n t ，o x i d a t i v e a m m o n i a t i o no fl i g n o c e l l u l o s i c sw i t h a m m o n i a c a ll i q u o ra n dh 2 0 2h a sb e e nc o n d u c t e d d u r i n ga m m o n i a t i o n ，t h e d r a s t i cc h a n g e so fm o l e c u l a rs t r u c t u r eo fw h e a ts t r a wl i g n o c e l l u l o s i c st o o k p l a c e ，f o l l o w i n go x i d a t i o no fs i d ec h a i na n df i s s u r i n go f t h ea r o m a t i cr i n g s ， n i t r o g e n w a sm a i n l y i n c o r p o r a t e d i n t ot h e l i g n i nc o m p o n e n t s o ft h e l i g n o c e l l u l o s i c s ，h i g h e s ta m o u n to fn i t r o g e ni n c o r p o r a t e di n t o w h e a ts t r a w l i g n o c e l l u i o s i c sr e a c h e dt o2 3 3 an e wm a t r i xw a sp r o d u c e dw i t ht h em i x t u r eo fn a t u r a lw h e a ts t r a wa n d a m m o n i a t e dw h e a ts t r a wa tac e r t a i nr a t i o t h ew e i g h tl o s so fl i n g o c e l l u l o s i c sa n dd e g r a d a t i o no fl i g n i nc o m p o n e n tw a se n h a n c e dd u r i n gt h e g r o w t ho fw h i t er o tf u n g u so nt h en o v e ls u b s t r a t e s w h e nt h er a t i oo ft h e m i x t u r eo fn a t u r a lw h e a ts t r a wa n da m m o n i a t e dw h e a ts t r a ww a s b e l o w2 0 ， t h ec h a n g eo fw e i g h tl o s sa n dd e g r a d a t i o no fl i g n i nc o m p o n e n tw a so b v i o u s ， a n da b a t e m e n to ft h ec h a n g eo ft h e s e i n d i c e sh a p p e n e dw i t ht h er a t i oo f a b s t r a c t m i x t u r eo fn a t u r a lw h e a ts t r a wa n da m m o n i a t ew h e a ts t r a wh i g h e rt h a n2 0 t h e d e g r a d a t i o ne x p e r i m e n tw i t hp e n t a c h l o r o p h e n o l a st h e t y p i c a l o r g a n i cp o l l u t a n t sw a sa l s op e r f o r m e d r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed e g r a d a t i o n o fp e n t a c h l o r o p h e n o l ( p c p ) w a se n h a n c e db yt h ea d d i t i o no fa m m o n i a t e d w h e a ts t r a w 7 2 3l o fp c pw a sd e g r a d e dw h e n2 0 o fa m m o n i a t e dw h e a ts t r a w w a sm i x e dw i t h8 0 o fn a t u r a lw h e a ts t r a w , c o m p a r i n gt o21 2 7 o fp c pw a s d e g r a d e di nt h em a t r i xo fp l e n a r yn a t u r a lw h e a ts t r a w k e y w o r d s ：w h e a ts t r a w ；l i g n i n ；a m m o n i a t i o n ；w h i t e r o tf u n g u s ；p e n t a c h l o r o - p h e n o l ； d e g r a d a t i o n 1 1 1 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 白腐菌对木质纤维的降解1 1 1 1 白腐菌对木质纤维木质素成份的降解l 1 1 2 白腐菌对木质纤维纤维素成份的降解3 1 1 3 白腐菌对木质纤维半纤维素成份的降解3 1 2 白腐菌对芳香族污染物的降解4 1 3 生长基质对白腐菌降解芳香族污染物的影响作用5 1 4 木质纤维的氨化反应6 1 5 本课题研究的目的、内容和意义6 第二章木质纤维的氨化反应8 2 1 材料与方法8 2 1 1 实验材料8 2 1 1 1 实验材料与药品8 2 1 1 2 实验设备8 2 1 2 实验方法一8 2 1 2 1 原料的粉碎与过筛9 2 1 2 2 抽提9 2 1 2 3 木质纤维的氨化9 2 1 3 分析方法9 2 i 3 1 氨化产物的f t i r 分析9 2 1 3 2 磨木木素的制备与纯化1 0 2 1 3 3 磨木木素的n m r 分析1 0 2 1 3 4 总氮量的测定1 0 2 2 结果与讨论1l 2 2 1 木质纤维氨化反应因子的相互影响1 1 2 2 2 不同因子对氨化反应的影响1 3 2 2 2 1 氨水用量对氨化反应的影响1 3 2 2 2 2 过氧化氢用量对氨化反应的影响1 4 2 2 2 3 反应温度对氨化反应的影响1 5 2 2 2 4 反应时间对氨化反应的影响l5 华南理t 大学硕士学位论文 2 3 第三章 3 1 3 2 2 2 2 5 木质纤维氨化反应氮结合的位置一1 6 2 2 3 木质纤维氨化反应产物的f t i r 分析1 6 2 2 4 木质纤维氨化反应含氮木质素产物的1 h n m r 分析1 8 2 2 4 1 氨化反应前磨木木素的1 h n m r 谱图1 9 2 2 4 2 氨化反应后磨木木素的1 h n m r 谱图2 0 2 2 4 3 氨化反应前后磨木木素的1 h n m r 谱图比较2 2 本章小结一2 3 氨化麦草的白腐菌分解2 5 材料与方法：2 5 3 1 1 实验材料与设备2 5 3 1 1 1 实验材料2 5 3 1 1 2 实验设备2 5 3 1 2 实验方法2 6 3 1 2 1 白腐菌菌种的培养2 6 3 1 2 2 白腐菌培养过程中的木质纤维的f t i r 分析一2 6 3 1 2 3 酸不溶木质素含量的测定2 6 3 1 2 4 纤维素含量的测定2 7 结果与讨论2 7 3 2 1 加入氨化时白腐菌对木质纤维的分解情况2 7 3 2 1 1 白腐菌培养过程中木质纤维的重量变化情况2 7 3 2 1 2 白腐菌培养过程中木质纤维的木质素含量变化情况3 l 3 2 1 3 白腐菌降解氨化麦草后的纤维素含量变化情况3 6 3 2 2 白腐菌降解不同氨化麦草含量的生长基质的f t i r 分析3 7 3 2 2 1 未添加氨化麦草的生长基质在培养不同天数的f t i r 分析一3 7 3 2 2 2 添加1 0 氨化麦草的生长基质在培养不同天数的f t i r 分析3 9 3 2 2 3 添加2 0 氨化麦草的生长基质在培养不同天数的f t i r 分析4 0 3 2 2 4 添加2 5 氮化麦草的生长基质在培养不同天数的f t i r 分析4 l 3 2 3 培养相同天数的添加不同氨化麦草含量的生长基质的f t i r 分析4 2 3 2 3 1 培养3 d 时添加不同氨化麦草含量的生长基质的f t i r 分析4 2 3 2 3 2 培养6 d 时添加不同氨化麦草含量的生长基质的f t i r 分析4 3 3 2 3 3 培养1 2 d 时添加不同氨化麦草含量的生长基质的f t i r 分析4 5 3 2 4 白腐菌降解氨化麦草过程中氮含量的变化4 6 3 3 本章小结4 9 第四章氨化麦草对白腐菌降解芳香族污染物的影响5 l 4 1 材料与方法5 2 目录 4 1 1 实验材料与方法5 2 4 1 2 含五氯酚培养基的配制5 2 4 1 3 萃取浓缩5 3 4 1 4 样品的g c 分析5 3 4 2 结果与讨论5 6 4 2 1 添加不同含量的氨化麦草生长基质中五氯酚的白腐菌降解变化情况5 6 4 2 2 降解生长基质总失重量和木质素降解率的变化6 l 4 3 白腐菌降解芳香族污染物过程中氨化纤维氮含量的变化6 2 4 4 本章小结6 2 结论6 4 参考文献6 6 攻读学位期间发表与学位论文内容相关的学术论文7 0 致谢7l i i i 腐朽木材使 维素) 的微 但近年来， 染修复的研 究受到越来越多的关注。白腐菌降解环境有机污染物时常用木质纤维如麦草等 农业秸秆作为生长基质，在降解木质纤维中木质素成分的过程中分泌产生木质 素降解酶系统如木质素过氧化物酶( l i g n i np e r o x i d a s e s ) 、锰过氧化物酶 ( m a n g a n e s e d e p e n d e n tp e r o x i d a s e s ) 和漆酶( l a c c a s e ) h _ 7j ，这些酶对有机污 染物特别是与木质素苯丙烷结构单元( 愈创木基、紫丁香基和对羟苯基) 有相 似结构的芳香族污染化合物有非专一性的降解作用，降解污染物的类型多，降 解能力强，有很好的应用前景。 1 1 白腐菌对木质纤维的降解 麦草等农业秸杆木质纤维主要成份有纤维素、半纤维素和木质素，白腐菌 对这三种组份均有降解作用，白腐菌是自然界中唯一一类能独立降解木质素的 微生物。在木质纤维的白腐菌分解过程中，木质素成份是分解反应速度的限制 因子；白腐菌对纤维素和半纤维素也有降解作用。由白腐菌引起的木质纤维白 腐过程可分为同步降解和差异降解两种类型【8 9 】。同步降解是所有的木质素、 纤维素和半纤维素成分同时被白腐菌降解，而差异降解是指在木质素与半纤维 素受降解的同时，对纤维素的降解却较少。 1 1 1 白腐菌对木质纤维木质素成份的降解 木质素是植物细胞壁的主要组分，是一种广泛存在于地球植物中的高分子 有机化合物，其结构非常复杂，针叶木中木质素所占比例为干重的2 4 一3 3 ，阔叶木中木质素含量占干重约l8 一2 2 ，禾本科植物中为l6 一2 5 【l o l o 木质素是一种天然高分子化合物，是植物木质细胞壁的主要成分之一，具 有网状多层次立体三维的空间结构【1 1 1 ，其基本骨架结构是苯丙烷结构单元，这 些结构单元通过碳碳键和醚键连结在一起【1 2 l 。木质素具有超分子特性和高比表 面积，并且含有较多的表面活性基团，如酚羟基、苄式羟基、羰基、羧基、乙 烯基等。由于这些活性基团的存在，使木质素容易进行多种化学反应而被改性， 华南理工大学硕士学位论文 如卤化、甲酰化、氰乙基化、酚化以及氨化等。 目前认为木质素的化学结构单元主要有三种，随着植物种类不同而不同， 。其中裸子植物( 针叶木) 主要是愈创木基丙烷结构，被子植物( 阔叶木) 主要 是愈创木基( g ) 和紫丁香基( g s ) 结构，单子叶植物( 草类) 除了有上述两 种结构外，还有相当数量的对羟苯基( h ) 型结构 1 3 , 1 4 。 白腐菌降解木质纤维的研究是木材化学、制浆化学和生物学科等交叉渗透 的研究领域 1 5 , 1 6 l 。木质素的白腐菌降解的化学途径：一是木质素大分子的修饰 和降解。其降解要经过三个步骤：即从大分子一一二聚体一一单体一一简单酸 类物质直至二氧化碳和水，从大分子到二聚体以及二聚体及单体的降解是过氧 化物酶引发的自由基反应，而木质素单体的降解过程是单加氧酶或双加氧酶催 化的，木质素大分子到二聚体是降解过程的限速步骤【1 7 _ 1 9 j 。降解过程中出现 两个现象 2 0 - 2 2 】：大分子结构发生修饰，可溶性木质素组分含量增加，羧基和 羰基数量增加，氧碳比提高，而酚羟基脂肪族羟基数量减少，氢碳比率以及 甲氧基碳比率都下降。木质素大分子直接降解产物主要有单体、二聚体和寡 聚体，这些产物可进一步发生降解反应如侧链氧化、环开裂，最终产物是c 0 2 ； 另一方面，这些产物可进一步发生聚合反，形成新的木质素大分子，木质素的 降解过程就是在降解和重新聚合的动态反应取得平衡 2 3 , 2 4 j 。二是低聚体木质素 分子的降解。低聚体木质素是木质素大分子的直接降解产物，主要是三类即苯 丙烷单体、二聚体和寡聚体，寡聚体仍处于降解( 脱聚合) 和聚合反应为中间 状态，能进入下一步降解途径的产物是单体与二聚体，降解过程十分复杂，以 氧化反应为主，首先是侧链的氧化或还原反应，其次是苯环的开裂反应。 白腐菌对木质素及其有机物的降解是靠其分泌的酶系统的共同作用来完 成的。它能分泌三种木质素酶，包括木质素过氧化物化酶酶、锰过氧化物酶和 漆酶。其中，起主要作用的是木质素过氧化物酶和锰过氧化物酶，它们是降解 反应的启动和推动者。白腐菌在营养生长阶段不产生木质素过氧化物酶和锰过 氧化物酶，这些酶是在营养生长停止后的代谢过程中产生的次生代谢产物。 白腐菌木质素酶在细胞内的合成过程受氮源营养的控制，也有研究发现， 碳源也具有调控作用。降解反应过程中先形成高度活性的自由基中间体，继之 以链反应形式产生不同的自由基，导致底物的进一步氧化，酶与底物没有一对 一的对应关系，而是一种酶与一类及多类底物的关系，这种降解反应是高度非 专一性和广谱性的【2 5 1 ，有着比其他物理、化学或微生物方法更大的优越性，表 现出高效、低耗和适应性强等特点。 白腐菌降解木质素产物所含碳、甲氧基、氢比相应原木质素少，而含较多氧、 羰基、芳香性降低、不饱和链烃增加，但分子量近拟于原木质素。根据木质素 降解产物分析，认为木质素降解可分以下几步1 2 6 j ： 2 第一章绪论 ( 1 ) 脱甲基和羟基化以形成多酚结构； ( 2 ) 加氧裂解多酚环，产生链烃； ( 3 ) 侧链氧化反应。 白腐菌降解酶系是胞外酶，其酶系包括： ( 1 ) 过氧化氢h 2 0 2 产生酶类： ( 2 ) 利用0 2 、h 2 0 2 的木质素氧化酶类，以产生木质素自由基和醌； ( 3 ) 木质素活性中间体还原形成稳定单体的醌还原酶类； ( 4 ) 木质素小分子片段在胞内发生环开裂反应的加氧酶类，分解产物经 t c a 循环生成c 0 2 。 研究显示【2 7 。2 9 】，不同的营养条件对白腐菌降解酶的产生和选择性脱木质素 的能力的影响是有显著差别的。添加碳源不仅可以提高木质素的降解率，而且 可以保护纤维素和半纤维素，使它们的降解量减少：添加适量的氮源也可以提 高木质素的降解率，但白腐菌在与其它微生物竞争中获得氮源的能力较弱。 1 1 2 白腐菌对木质纤维纤维素成份的降解 纤维素分子是由葡萄糖分子通过b 一1 ，4 糖苷键连接而成的链状高分子聚 合物，每个大分子中含的葡萄糖残基数一般为8 0 0 0 一l2 0 0 0 个 3 0 3 。天然的纤 维素由排列整齐而规则的结晶区和相对不规则、松散的无定形区构成，其结晶 度一般在3 0 一8 0 之间。 白腐菌对木质纤维中纤维素的降解，首先是在过氧化物酶如木素过氧化物 酶及锰过氧化物酶降解木素的同时，将纤维素从木质纤维中剥离出来，然后在 葡聚糖外切酶和内切酶的作用下降解 3 1 , 3 22 。 内切型纤维素酶是纤维素酶中最重要的酶，可作用于纤维素分子内的无定 形区，随机水解b 1 ，4 糖苷键，将长链纤维素分子截短，产生大量的小分子纤 维素，即纤维素末端。内切型纤维素酶可为外切酶提供大量的反应末端，同时 它也能水解小分子的纤维素寡糖。 外切型纤维素酶作用于纤维素分子的末端，依次从纤维素分子中切下纤维 二糖，它可以作用于纤维素分子内的结晶区、无定形区。两类不同功能的外切 酶，它们分别从还原端和非还端水解纤维素分子。这两种酶在协同作用下降解 纤维素。 1 1 3 白腐菌对木质纤维半纤维素成份的降解 半纤维素一般为非葡萄糖聚合组成的多糖，没有化学通式。木聚糖是形成 木材半纤维素中的主要成分。麦草的半纤维素为聚阿拉伯糖一葡萄糖尾酸一木 华南理工大学硕士学位论文 糖，其结构组成为由l 一4 联接的d 一吡喃式木糖基构成主链，l 一呋喃式阿拉 伯糖基和d 一吡喃式葡萄糖尾酸基构成支链，分子上还有醋酸基c 3 3 e 微生物 降解半纤维素主要依靠分泌降解半纤维素的酶系。 目前白腐菌降解半纤维素的研究很少，研究表明口们，白腐菌在降解非木 材类原料的过程中，主要通过菌丝分泌半纤维素酶来降解半纤维素，以此产生 的单糖和低聚糖作为生长所需要的营养物质，在12 d 的培养期内，半纤维素的 降解始终比较快。 1 2白腐菌对芳香族污染物的降解 白腐菌产生的木质纤维降解酶可以打开木质素分子中的c c 和c o 键， 在木质素分子降解过程中，不管木质素分子中的手性碳的构像如何，这些键均 可裂解，因此，白腐菌木质素降解酶生长基质是非立体选择性和非特异性的。 这种特性是由白腐菌降解木质素酶生长基质中引发的自由基反应生长基质形 成的，白腐菌降解木质素酶生长基质产生的各种自由基可以作为强氧化性基 团，能在距离酶活性中心较远的地方进行解聚木质素或者氧化其他有机化合 物。由于木质素有些结构和环境的许多有机污染物如五氯酚等以及一些持久性 有机化合物( p e r s i s t e n to r g a n i cp o l l u t a n t s ，p o p s ) 的化学结构有较大的相似性，这 种结构上的明显相似性以及白腐菌对降解底物的非专一性现象，吸引越来越多 的研究探索白腐菌对芳香族有机污染物的降解途径和机制以及对污染环境修 复。 随着公众对环境保护的呼吁越来越迫切，近年来白腐菌降解芳香族环境污 染物的研究成为是微生物学、环境生物化学和环境毒理学等学科交叉渗透的热 点领域之一，这方面的研究显示，白腐菌可有效处理许多类型的工业如焦化、 印染、农药和制浆造纸等工业排放的废水，对受污染环境中的有机污染物能有 效降解，实现污染环境的修复【35 1 。 很多研究结果表明，白腐菌对芳香族环境污染物有非专一性降解现象，一种 白腐菌可以降解数量众多的单基质或混合基质的芳香族环境污染物，而一种芳 香族环境污染物也可以被多种白腐菌降解。芳香族化合物的降解与它的分子结 构或者毒性没有明显的关系，白腐菌的降解有广谱性的特点。多种芳香族化合 物可以被白腐菌降解。氯代酚类是一类毒性较大的持久性污染物，特别是在工 业废水或受污染的自然水体、土壤和固体废弃物中，这类化合物可用作防腐剂 及杀虫剂【3 6 1 。它们也可以被白腐茵降解。 对白腐菌降解芳香族化合物的中间产物分析表明，醌和醛类物质是主要的 中间产物。萘，萘并芘，苯( q ) 萘等在黄孢原毛平革茵( p c h r y s o s p o r i u m ) 液体培 养基中积累最多的中间产物是醌：在2 ，4 一二氯苯酚的降解过程中发现2 ，4 一二 4 第一章绪论 氯苯酚首先被l i p 氧化成2 氯一l ，4 苯二醌，接着被迅速还原形成2 氯1 ，4 一 二苯酚，后者甲基化反应形成l i p 的底物2 氯1 ，4 一羟甲基苯，它能被氧化成 2 ，5 - 二羟甲基1 ，4 苯醌，进一步还原成2 ，5 一二羟甲基1 ，4 苯二酚，在l i p 或 m n p 的催化作用下脱甲基形成2 ，5 一二羟苯基二醌，接着发生还原反应产生 l ，2 ，4 ，5 四羟基苯，然后发生芳香环开裂反应；通过这个特殊的途径使两个氯原 子全部脱去：芳香环开裂反应的产物容易被细胞代谢，因此脱去芳香环上的取 代基，醌的形成，羟化，甲基化，再形成醌，接着发生脱甲基反应形成醌，再 羟化，最终发生芳香环开裂反应，这是白腐菌降解芳香族化合物的一般途径。 自腐菌对芳香族化合物降解的机制可能非常复杂，有多种酶参与芳香族化合物 的降解过程，而且白腐菌对不同类型化合物有不同的降解途径，产生的降解酶 类型也不同，甚至同一类型但不同种类的芳香族化合物也有着不同的途径代 谢。 和降解木质纤维一样，白腐菌也是通过木质素过氧化物酶( l i g n i n p e r o x i d a s e s ) 、锰过氧化物酶( m a n g a n e s e - d e p e n d e n tp e r o x i d a s e s ) 和漆酶( l a c c a s e s ) 降解芳香族有机污染物，这些酶的催化降解机制和它们降解木质素大分子的机 制是一样的，在降解过程中主要是发生氧化性反应。 1 3 生长基质对白腐菌降解芳香族污染物的影响作用 白腐菌对芳香族化合物的强降解能力源于它在生长基质上生长时受营养 限制条件时产生的木质素酶类。白腐菌在营养生长阶段不产生木质素过氧化物 酶和锰过氧化物酶，这些酶是在营养生长停止后的代谢过程中产生的次生代谢 产物。这两种酶在细胞内的合成过程受氮源营养的控制，同样也有研究发现碳 源也具有调控作用【3 7 】。降解反应过程中先形成高度活性的自由基中间体，继之 以链反应形式产生不同的自由基，导致底物的进一步氧化，酶与底物没有一对 一的对应关系，而是一种酶与一类及至多类底物的关系，这种降解反应是高度 非专一性和广谱性的，有着比其他物理、化学或微生物方法更大的优越性，表 现出高效、低耗、适应性强等特点，因此利用白腐菌对受芳香族化合物污染的 土壤、水体以及工业废水的综合治理是一种行之有效的方法，是污染环境治理 的有效工具。 近年来的研究表明，白腐菌对污染物的降解是一种共代谢( c o m e t a b o l i s m ) 作用，在利用其它基质的生长过程中实现对污染物的有效降解。白腐菌的生长 需要氮源，但对污染物的降解过程又需要一个氮限制环境。生长过程和降解过 程对氮的需求不一样。同时，在一个开放的受污染的及有其它微生物存在的环 境中，白腐菌获得氨态氮或硝态氮的能力较弱，竞争不过其它微生物。 因此，建立一个适宜的c n 的生长基质，可以一方面实现白腐菌在生长过 5 华南理工大学硕士学位论文 程中获得适宜的氮源，另一方面又满足对污染物降解过程中有一个氮限制环 境，这对白腐菌高效降解环境有机污染物有重要意义。 木质纤维是白腐菌的天然生长基质，也是其它微生物所不易利用的。在一 个开放的受污染的及有其它微生物存在的环境中，生长在木质纤维上的白腐菌 可形成一个独特的微生态系。但是，包括麦草在内的农业秸秆木质纤维中，c n 比值很高，远远高于1 0 0 ，不很适于白腐菌的生长和代谢( 最适宜的生长基质 的c n 比 用量 l ：0 5 h l ：1 3 0 l ：0 6 m l 1 ：0 5 m l 表2 2 正交实验结果 2 ：l h 2 ：1 4 0 2 ：0 8 m l 2 ：1 0 m l 3 ：1 5 h 3 ：l5 0 3 ：1 0 m l 3 ：1 2 m l t a b l e2 2r e s u l t sf r o mo r t h o g o n a le x p e r i m e n to fa m m o n i a t i o no fw h e a ts t r a w 1 2 第二章木质纤维的氮化反应 表2 3 正交实验结果的均值和极差分析 t a b l e2 3m e a nv a l u ea n de x t r e m ed i f f e r e n c er a n g ei no r t h o g o n a le x p e r i m e n t 由表2 2 ，3 中可以看出，在一定范围内，正交实验的最佳反应条件是：反 应时间为1 5 h ，反应温度为1 5 0 ，用的氨水量为1 2 m l ，过氧化氢用量为1 0 m l ， 木质纤维氨化后的含氮量最高有2 0 8 。有研究报道，水解木质素或工业木质 素的氨化后含氮量超过18 【4 2 1 。本实验中所用的麦草的木质素含量为17 8 2 ， 如以此含量计，相对于木质素含量来说，最高氨化率达到1 2 0 9 ；在木质纤 维的氨化过程中，由于木质素没有从木质纤维中完全分离出来，对氨化反应得 率可能有一定的影响，可能会引起氨化效率的降低。 由表2 2 ，3 中反应时间、反应温度、过氧化氢用量、氨水用量的均值和极 差极差分析可以看出，氨水用量对氨化结果影响最大，温度次之，再次为过氧 化氢的用量，而反应时间影响最小。 2 2 2 不同因子对氮化反应的影响 为了进一步探讨更大范围内的反应时间、反应温度、过氧化氢用量、氨水 用量等因素对氨化反应的影响，实验中还对这些因子在表2 2 ，3 的正交表所 含范围的更多条件下的氨化反应进行了探讨。 2 2 2 1 氨水用量对氨化反应的影响 在反应温度为l5 0 c 、反应时间为1 5 h 和过氧化氢用量为1 o m l 的情况下， 改变氨水的用量进行氨化反应，反应产物中的氮含量随氨水用量变化如上表2 4 ，由表2 4 可以得出氮含量随氨水用量变化曲线如图2 一l 。从表2 4 和图 2 一l 中可以看出，随着氨水用量的增加，氨化后麦草的氮含量也不断增加。在 开始时期，增加的速率比较快，到氨水用量超过1 2 m l 后，氮含量的增加非常 缓慢。 表2 4 氨水用量与氮含量关系 t a b l e2 _ 。4r e l a t i o n s h i pb e t w e e na m m o n i al i q u o rc h a r g ea n dn i t r o g e nc o n t e n t 1 3 2 5 2 1 5 0 5 0 华南理工大学硕士学位论文 o 60 9 l - 21 51 8 氨水用量( m 1 ) 图2 1 氨水用量对氮含量的影响 f i g2 1r e l a t i o n s h i pb e t w e e nn i t r o g e nc o n t e n ta n da m m o n i al i q u o rc h a r g ed u r i n g a m m o n i a t i o no fw h e a ts t r a w 2 2 2 2 过氧化氢用量对氨化反应的影响 在反应温度、反应时间和氨水用量都一定的情况下，改变过氧化氢的用量， 表2 5 过氧化氢用量与氮含量关系 t a b l e2 5r e l a t i o n s h i pb e t w e e np e r o x i d ea n dn i t r o g e nc o n t e n td u r i n ga m m o n i a t i o no f w h e a ts t r a w 过氧化氢( m 1 ) 0 6 o 81 01 2 1 4 氮含量( ) 1 6 21 8 51 9 8 2 1 42 1 7 2 5 2 琶1 5 i 一 警1 0 5 o 0 60 8 过氧化氢用量( 曩1 ) 1 21 4 图2 2 过氧化氢用量对氮含量的影响 f i g2 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e nn i t r o g e nc o n t e n ta n dp e r o x i d ec h a r g ed u r i n g a m m o n i a t i o no fw h e a ts t r a w 1 4 一浆一咖如嚼 出氮含量随过氧 量的增加，氮含 量也一直增加，开始时增加较快，但过氧化氢用量超过1 0 m l 后，曲线非常平 缓，过氧化氢用量对氮含量影响不大。 2 2 2 3 反应温度对氨化反应的影响 在反应时间、氨水用量和过氧化氢用量都一定的情况下，改变反应温度， 测得的氮含量随反应温度变化表2 6 和氮含量随反应温度变化的曲线图2 3 。 表2 6 反应温度与氮含量关系 f i g2 6r e l a t i o n s h pb e t w e e nr e a c t i o nt e m p e r a t u r ea n dn i t r o g e nc o n t e n td u r i n g a m m o n i a t i o no fw h e a ts t r a w 2 5 2 兰1 5 翻 篓 o 5 o 1 3 01 4 01 5 01 6 01 7 0 反应温度( ) 图2 3 反应温度对氮含量的影响 f i g2 3r e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e a c t i o nt e m p e r a t u r ea n dn i t r o g e nc o n t e n td u r i n g a m m o n i a t i o no fw h e a ts t r a w 由图2 3 可以看到，在温度为l3 0 一l5 0 c 期间，氮含量的增加非常快， 氮温度超过了l5 0 c 后，氮含量的增加比较缓慢，这时候再增加反应温度，对 氮含量的增高没有太大的作用。 2 2 2 4 反应时间对氮化反应的影响 在反应温度、氨水用量和过氧化氢用量都一定的情况下，改变反应时间， 测得的氮含量随反应时间变化如表2 7 ，由表2 7 可以得出氮含量随反应时 间变化曲线如图2 4 。由图2 4 可以看到，随着反应时间的增加，氮含量基 华南理工大学硕士学位论文 本是增加的，但是如果反应时间超过了l h ，则