木腐菌在生物技术中的应用-任国辉

生物修复理论与方法生物修复理论与方法 木腐菌在生物技术中的应用木腐菌在生物技术中的应用 班级 2015 级环境工程 姓名 任国辉 2015 年 12 月 15 日 1 木腐菌在生物技术中的应用木腐菌在生物技术中的应用 2015 级环境工程 任国辉 摘要 摘要 根据木腐菌对木材腐朽类型不同 可以将木腐菌分成三个 主要类群 白腐菌 褐腐菌和软腐菌 这些菌类被越来越多地应用于 各种生物技术 包括制作木材 造纸 纺织 生物能源 生物燃料 和生物修复 本文综述了各种生物技术中木腐真菌及其关键酶的应 用 概述了未来的发展前景 通过生物技术将木腐菌应用于工业生 产 可产生较高的经济价值 随着生物技术的发展这些菌类将越来 越多的被用于工业生产 关键词 关键词 木腐菌 木质素 生物技术 生物质酶 木材腐朽菌是生物多样性的重要组成部分 在森林生态系统中 起着关键的降解还原作用 1 同时 木材腐朽菌还是重要的生物资 源 与人类的生产与生活密切相关 具有重要的经济价值 因此 木腐菌一直是真菌研究的重点领域之一 木材腐朽是指木材细胞壁被真菌分解而引起的木材糟烂和解体 的现象木材中菌丝的蔓延扩展与木材的生物分解主要由木材本身的 结构与性质决定 2 因而 不同种木材所受的腐朽程度也各不相同 2 真菌腐朽是对木材破坏最严重的一种方式 因为真菌腐朽可以迅速导 致木材结构的破坏 即使在真菌腐朽的初期 木材的力学强度也会发生 急剧降低 3 木腐菌是腐生真菌的主要类群 主要是指能够分解木材获得营养 而生存的一大类真菌 在森林生态系统中 木材腐朽菌能将木材中 的木质素 纤维素和半纤维素等大分子降解为小分子 从而完成系 统中的物质循环 木材腐朽菌主要包括担子菌亚门 Basidiomyco ta 和子囊菌亚门 A scomycota 以及半知菌类的部分真菌 这类真菌 具有担子果或子囊果 属于大型真菌的一个类群 8 木材腐朽菌能 将木材中的木质素 纤维素和半纤维素降解为植物可以利用的营养 物质 从而完成系统中的物质循环 并且在木材腐朽分解的过程中 木 腐菌的出现和演替有一定的规律性 不同时期都有其优势种存在 并对木材腐朽的进程起决定性作用 菌根真菌作为生态系统组分 它对物质循环 种间关系和群落的影响以及在生态系统变化过程中 都起着非常重要的作用 是生态系统的重要组分在自然环境中 由于 木质纤维素的三大成分 9 纤维素半纤维素和木质素在不同的木质纤 维素有机物中的比例各不相同 因此不同微生物对其降解能力也会随 着纤维素类物质组成成分的变化而不同 这是造成在木质纤维素类物 质分解过当中微生物群落结构和组成会发生变化的主要原因 此外自 然环境的分含量也是影响微生物群体组成的因素 正是由于微生物的 菌群发生改变 相应的分泌的降解木质纤维的酶系也随之变化阵 微 3 生物在降解木质纤维素的过程当中是按照一定次序出现而发挥作用 的 研究表明 在木质纤维素降解的最初阶段主要以细菌为主 大多分 布在木材湿度较大的组织中 而真菌以木材软腐菌中的子囊菌 接合 菌和一些半知菌为主 软腐菌并不能造成木材的腐朽但是却能使木材 的抗腐能力明显降低 接着这些非木腐菌快速繁殖为子实体 但是随着 木质纤维素降解过程的深入 这类菌群对环境的竞争力和忍耐力逐渐 减弱 因此被木材腐朽菌取代 木材腐朽菌快速占有利用资源 保持适 当的种群密度使分解进入稳定阶段 而在木材朽化到最后阶段时木材 木腐菌也很有可能会被竞争能力更强的种类所代替 木腐菌作用后 木材变为朽状或者粉碎状 主要以无定形的腐殖质为主 因此木腐菌逐 渐被土壤习居菌中的青霉 毛霉 镰刀菌等代替 因此 在自然界中 微生物依据自身特性形成适应所处环境的生态策略 同样在微生物菌 群互相协调共同作用下完成木质纤维素的生物分解 白腐菌在降解木材的过程中 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 在降解的过程中 植物体中 小分子碳源和半纤维素首先被利用 以提供菌丝生长及降解木质素的 碳源和能源 然后半纤维素和木质素发生降解 最后纤维素 半纤维 素和木质素被同时降解 4 在木质纤维素被降解过程中 其大分子的 长键烃被切断成小分子的短键烃 环状结构逐渐被裂解而成链状化合 物 轻基 亚甲基基团及梭基数量不断增加 半纤维素和纤维素被降解 成小分子酸类或脂类而被白腐菌直接利用 5 4 白腐菌降解木质素的过程可分为细胞内和细胞外两个过程 在细 胞内 白腐菌自身能够合成木质素降解所需的各种酶类 产生酶系 木 质素降解酶系 以及包括还原酶 甲基化酶 蛋白酶 过氧化物歧化 酶等在内的其他酶系 其中木质素降解酶系是白腐菌的代表酶系 包括 木质素过氧化物酶 LIP 锰过氧化物酶 MnP 和漆酶 Lac 以及不太常见 的多功能过氧化酶 Vp 6 然后在细胞外 木质素降解酶作为高效催化 剂参与反应 借助自身形成 靠酶触启动一系列的自由基链反应 先形 成高活性的酶中间体 将木质素等有机物氧化成许多不同的自由基 其 中包括氧化能力很强的轻基自由基 实现对木质素的生物降解 7 是 白腐菌的代表酶种 它们的催化功能很特殊 受到了国内外的广泛关注 和研究 1 木材腐朽菌的种类木材腐朽菌的种类 1 1 木材腐朽菌的种类及其对木材的降解木材腐朽菌的种类及其对木材的降解 自然界中 引起木材大量分解的菌主要是担子菌类 包括白腐菌 褐腐菌 软腐菌等 这些菌能表达多种酶 把木材中的纤维素半纤维 素和木质素分解为简单的碳水化合物 作为生活的养料 由于不同的 木材腐朽菌生理特性不同 所表达的酶及酶的活性各不相同 因此 不 同的腐朽菌所分解木材的各种成分及相对速度各不相同 1 白腐菌 白腐菌是属于担子菌亚门的真菌 能够有效降解 木质素 因腐朽木材呈白色而得名 10 白腐菌在长期的生物进化过程 中形成了一套独特的生理生化机制及强大的降解代谢能力 拥有独特 5 的木质素降解酶系 能够高效并彻底的降解木质素成分 是环境工程 和生物化学工程应用开发的宝贵资源 广泛应用于生物制浆 生物漂 白以及造纸废水 印染废水纤维废水及橄榄油废水处理等过程中 2 褐腐菌 褐腐菌是属于担子菌亚门的真菌 是自然界降解 木材的主要菌 因腐朽木材成褐色而得名 褐腐菌可在木质素很少被 降解的情况下彻底降解木材 造成纤维素和半纤维素迅速解聚 褐腐 菌虽大量降解木材 但在降解前期 只造成纤维素聚合度降低 却不引 起失重 11 褐腐多见于建筑的门柱近地面部位和考古发掘受潮过的 木制品 在短时间内就能对木材产生强大的破坏力 3 软腐菌 软腐菌属于微型真菌 为子囊菌亚门的真菌 其子 实体一般在肉眼下难见 12 软腐菌能够使木材在高湿条件下受害 同 时只是表层木材软化 变黑 干燥后呈龟裂状 而深层木材健全 1 2 木腐菌在腐朽木材过程中的动态变化规律木腐菌在腐朽木材过程中的动态变化规律 木生菌通过分解作用将光合作用储存在纤维素 半纤维素以及 木质素中的碳源和其他营养返回到土壤中 在这一类群真菌中 多 孔菌是木腐菌中的主要类群 也是主要的木材分解者 并且不同的 多孔菌种类由于生长基质和对木材的分解能力不同 所以表现出了 不同的作用特点 并且具有不同的物理和化学特性 以多孔菌为例 来说明在木材腐朽的过程中 木腐菌的动态变化规律 13 在多孔菌 类群中 有些种类通过分解活立木获得营养 所以被称为寄生菌 而有些种类通过分解倒木 枯立木等生存 被称为腐生菌 在木材 6 腐朽的过程中 木材的物理化学性质都会发生变化 所以这一过程 多孔菌的种类也在不停的变化 由于林分的不同 以及木材径级和腐 朽程度的差异 所以木腐菌的群落结构也会存在明显的差异 主要 是因为不同的木腐菌具有不同的分解能力 14 所以 群落组成的变 化也会相应的影响到其所在的生态环境的物质循环过程 1 3 木质素的生物降解木质素的生物降解 地球上的光合作用每年产生上亿吨生物质 其中木质素占了 20 30 木质素是自然界中数量仅次于纤维素的可再生资源 是以苯基丙 烷类结构单元构成的复杂大分子多聚体 15 它把植物细胞壁连在一 起 并赋予植物组织极大的刚性 为植物提供机械支持 它可以调节植 物的水分运输 16 由于木质素的存在 高级植物木质组织细胞的细胞 壁结构 物理 化学性质都很稳定 水分不能直接渗入植物组织 这些 使木材对微生物降解有很强的抵御能力尽管木质素对微生物降解具 有较强的抗性 但最终还是被微生物彻底分解 生成二氧化碳木质素 的微生物降解是自然界中碳素循环一个重要环节 17 1 4 木质素降解的主要徽生物木质素降解的主要徽生物 大部分木材的降解是由白腐菌褐腐菌和软腐菌参与完成的 这几 类菌降解木材时 必须有氧气存在这三类真菌都能将纤维素和半纤维 素降解成可溶性的碳水化合物白腐菌能完全完成木质素的分解 软腐 菌不能完全降解木质素 只能部分地作用于木质素和修饰木质素结构 18 褐腐菌对木质素的作用也十分明显 除了上述木腐生物外 土壤 7 中生活的某些细菌和其它真菌也拥有分解木材的有效酶系 也可以参 与木材矿化降解 19 2 木腐菌在工农业生产中的作用木腐菌在工农业生产中的作用 2 1 木腐菌在造纸工业中的应用木腐菌在造纸工业中的应用 世界上木材资源主要应用于制浆和造纸工业 造纸业对水和空气 的污染严重面对不断增长消费需求和环境压力 有必要寻求一种革命 性的技术 来适应造纸业的需求目前主要有两种制浆技术 机械制浆和 化学制浆机械制浆耗能大 产品的光稳定性和强度差 但产品得率高化 学法生产的纸质量好 但生生过程中化学药品的大量使用 以及木素的 溶出 严重的污染了环境生物制浆具有克服机械制浆和化学制浆有关 问题的潜在能力 生物制浆是一种环境友好技术 可以显著提高工厂的 生产能力 降低机械制浆所耗的能量 20 生物漂白和废水处理应用的原理都是白腐菌能分解代谢木素及 其衍生物无论是生物制浆还是生物漂白制约真菌应用的 是真菌生长 和使木材或纸浆发生变化所需要的时间生物制浆需要大约 2 周 生物 漂白也需要 5 10 天 另外还要考虑碎片的转运等因素都阻碍真菌应用 的推广 21 应用木质素降解酶可以解决处理时间过长的问题木质素 降解酶在几个小时内就可以使浆白度增加 22 值得一提的是豆壳过 氧化物酶可以氧化多种木素单体模型物 浸出工艺的油脂厂中可以产 生大的大豆种皮 种皮只经过无机盐浸泡抽提 就可以得到酶活较高的 粗制品与微生物发酵获得木质素降解酶相比 造纸厂省掉了添加发酵 8 设备的投资 同时对工厂现行工艺改造也不大 23 因此它在代替木素 过氧化物酶和锰过氧化物用于生物降解 生物漂白 污水处理等方面潜 力很大 24 2 2 木材腐朽菌在生态系统中的作用木材腐朽菌在生态系统中的作用 生态系统是一个开放的系统 无论是物质还是能量 都是同外 界进行着不断的循环和交换 而物质和能量的循环就需要生产者和 分解者共同努力才能完成 生产者将物质和能量聚集在系统中 而 分解者将物质和能量释放出来 这对整个生态系统维持平衡和发展 至关重要 木材腐朽菌属于生态系统中的分解者 同其他腐生微生 物一样 通过对生长基质的分解 使生态系统中固定在木材中的物 质和能量释放出来 对整个生态系统的发展起到了促进的作用 2 3 木质纤维素在环境保护中的作用木质纤维素在环境保护中的作用 近年来聚乳酸用于生产能够被生物自然降解的包装材料 生活 和农用薄膜和塑料 来缓解日益严重的白色污染等环境问题 己成为国 内研究的热点且发展前景可观目前一乳酸的生产主要是利用淀粉类 粮食资源作为原料 与全球粮食紧缺相矛盾 但利用木质纤维素原料代 替发酵粮食作物生产乳酸 以苹果渣为发酵底物 苹果渣经菌株发酵 酶解后 原料的转化率达到了 25 以甘蔗和木薯的残渣为原料发酵生 产乳酸 糖转化率达到了 99 效率高且经济可行 有利于实现一乳酸 的工业化生产 此外 利用木腐类微生物产生的漆酶或者过氧化物酶 降解水体和土壤环境当中的毒性物质 并且此类木质素过氧化酶对底 9 物的选择性不是很强 如黄抱原毛平革菌在实践中成功用于降解土壤 中的有机氯的农药污染 26 2 4 木腐菌类用作生物施肥木腐菌类用作生物施肥 经济社会的快速发展 人类的生活方式跟随发展的脚步发生变化 秸秆不再作为燃料而是废弃或者焚烧处理 破坏了土壤的有机质成分 土壤肥力逐年下降 焚烧产生的二氧化碳也污染了空气 而处理秸秆 的最佳方法便是在土壤里腐烂 避免污染环境也能提高土壤的肥力 26 研究发现将自然界腐解能力较强的微生物组合 加入能够提供糖元等 物质的酵母菌 能够加快秸秆坚韧的纤维束和蜡质层的分解速率 优 化了微生物菌种的搭配组合 从中选择一个最优搭配能够再一个月的 时间内将田间的秸秆废弃物快速腐烂分解 该发明已被追认为国家级 火炬计划项目并在全国范围内推广运用 前景非常可观 27 2 5 纤维素乙醇的生产纤维素乙醇的生产 能源短缺和生存环境的恶化 全球范围内都将目光转移到木质纤 维素这一储存量最为丰富的可再生的生物质能源 大力发展纤维素 燃料乙醇代替石油燃料 符合我国的国情和可持续发展的政策 乙醇 燃料能够实现纤维素废弃物资源化 利用绿色清洁能源缓解温室效益 等环境问题 解决粮食紧缺问题等 正是由于纤维素乙醇有传统能源 无法企及的优越性 也是未来能源发展的趋势 因此国内外纷纷致力于 燃料乙醇的研究 在科研和工业生产应用方面都取得了突破性的进展 但是仍有许多问题亚待解决 28 首先纤维素预处理工艺优化 一次性 10 完全原料预处理的流程降低生产成木 从而增强纤维素燃料乙醇在燃 料市场的竞争力 29 3 展望展望 木腐真菌降解木质素主要是通过其表达的胞外过氧化物酶系统 来完成的 其胞外降解酶除了能够降解木质素以外还可以降解许多 与木质素结构单元具有相似结构的有机污染物 30 在水污染控制土 壤修复及造纸工业等方面具有重要的研究价值和应用潜力 对木材 腐朽菌的生物学特性 木质素降解相关酶活性木材生物降解能力的 研究很多 国外多侧重于木质素降解酶的分子生物学 31 蛋白质组学 的研究 国内则侧重于木质素降解酶活性动力学及其对污染物降解方 面的研究 而系统进行多种木材腐朽菌的生长特性酶活性和解木材能 力之间关系的研究很少 21 世纪是生命科学的世纪 是人类更关心环境和自然并与其友好 相处 协调发展的世纪 木腐菌真菌作为一类宝贵的生物资源 正在 为科学技术的进步和人类社会的文明做出巨大的贡献 这类生物所 具有的特殊的生理生化机制及强大的降解代谢能力 使之成为生命科 学理论研究的模式系统 成为环境工程和生物化学工程应用开发的宝 贵资源 32 根据木腐真菌对植物材料内主要的天然聚合物的降解性 加强农业生物废弃物的资源再生利用 是符合可持续发展理念的 11 参考文献 1 Koening W Production of hydrogen peroxide by wood rotting fungi in wood and its correlation with weight loss depolymerization and pH changes Arch Microbiol 1974 99 1 129e45 2 Green F Highley TL Mechanism of brown rot decay paradigm or paradox Int Biodeterior Biodegradation1997 39 2e3 113e24 3 Daniel G Microview of wood under degradation by bacteria and fungi In Goodell B Nicholas DD Schultz TP editors Wood deterioration and preservation 12 advances in our changing world Washington DC American Chemical Society 2003 pp 34e72 ACS Symposium Series No 845 4 Goodell B Brown rot fungal degradation of wood our evolving view In Goodell B Nicholas DD Schultz TP editors Wood deterioration and preservation advances in our changing world Washington DC American ChemicalSociety 2003 pp 97e118 ACS Symposium Series No 845 5 李晓琴 徐煌 软腐一种特殊的木材腐朽 林业科技 2003 28 3 6 林鹿 詹怀宇 制浆漂白生物技术 M 北京 中国轻工业出版社 2002 7 江凌 吴海珍 韦朝海等 白腐菌降解木质素酶系的特征及其应用 化工展 2007 26 2 198 203 8 李晓琴 徐煌 软腐一种特殊的木材腐朽 林业科技 2003 28 3 9 王宏勋 杜甫佑 张晓星 白腐菌选择性降解秸秆木质纤维素研究 华中科技大学 10 江凌 吴海珍 韦朝海等 白腐菌降解木质素酶系的特征及其应用 化工进展 2007 26 2 198 203 11 李翠珍 文湘华 白腐真菌 FZ 的生长及产木质素降解酶特性的研究 环境科学 学报 2005 25 2 226 231 12 朱清时 阎立峰 郭庆祥等 生物质洁净能源 化学工业出版社 2002 13 赵曦 黄艺 杨青等 木质素降解酶研究进展与外生菌根真菌 环境科学与技术 2008 31 l 45 50 14 毕鑫 白腐菌木质素过氧化物酶的研究 天津 天津科技大学发酵工程系 2003 15 王传槐 杨勇 云芝 脉射菌产木质素降解酶的比较研究 纤维素科学与技术 2003 11 2 26 31 13 16 程杰 段儒斌 向秸秆要粮 中国农村科技 s 2009 006 56 17 杨晓哀 卢雪梅 黄峰 木质纤维素微生物转化机理研究进展 纤维素科学与技 术 2007 15 001 52 58 17 杭怡琼 薛惠琴 郁怀丹 etal 白腐真菌对稻草秸秆的降解及其有关酶活性的变 化 菌物系统 2001 20 003 403 407 15 赵志刚 程可可 张建安 etal 木质纤维素可再生生物质资源预处理技术的研究 进展 现代化工 J 2006 26 2 39 42 16 刘长莉 黄剑 崔宗均 纤维素酶活性改良的研究进展 安徽农业科学 J1 2008 36 017 7431 7433 17 陈洪章 王岚 生物质能源转化技术与应用 硼 生物质的生物转化技术 原理与应用 生物质化学工程 J 2008 42 004 67 72 18 Del Rio JC Gutie rrez A Gonza lez Vila FJ Martin F Application of pyrolysis gas chromatography mass spectrometry to the analysis of pitch deposits and synthetic polymers in pulp and paper mills J Anal Appl Pyrol1999 49 1e2 165e77 19 Munkittrick KR Sandstrom O Ecological assessment of pulp mill impacts issues concerns myths and research needs In Stuthridge TR van den Heuvel MR Marvin NA Slade AH Gifford J editors Environmental impacts of pulpand paper waste streams Pensacola Florida SETAC Press 2003 pp 352e62 20 Gutie rrez A del Rio JC Martinez AT Microbial and enzymatic control of pitch in the pulp and paper industry Appl Microbiol Biotechnol 2009 82 6 1005e18 21 Farrell RL Blanchette RA Brush TS Hadar Y Iverson S Krisa K et al Cartpip a biopulping product for control of pitch and resin acid problems in pulp mills J Biotechnol1993 30 1 115e22 22 Martinez Inigo MJ Gutie rrez A del Rio JC Martinez MJ Martinez AT Time 14 course of fungal removal of lipophilic extractives from Eucalyptus globulus wood J Biotechnol 2000 84 2 119e26 23 Chandra RP Ragauskas AJ Modidfication of high lignin kraft pulps by laccase Part 2 Xylanase enhanced strength benefits Biotechnol Prog 2005 21 4 1302e6 24 Mardones L Gomide JL Freer J Ferrar A Rodriguez J Kraftpulping of Eucalyptus nitens wood chips biotreated by Ceriporiopsis subvermispora J Chem Technol Biotechnol2006 81 4 608e13 25 Yang Q Zhan H Wang S Fu S Li K Modification of Eucalyptus CTMP fibres with white rot fungus Trametes hirsute e effects on fibre morphology and paper physical strengths Bioresour Technol 2008 99 17 8118e24 26 Wong KKY Richardson JD Mansfield SD Enzymatic treatment of mechanical pulp fibres for improving paper making properties Biotechnol Prog 2000 16 6 1025e9 http dx doi org 10 1021 bp 000064d 27 Maciel MJM Silva AC Ribeiro HCT Industrial and biotechnological applications of ligninolytic enzymes of the basidiomycota a review Electron J Bi