细菌降解木质素的进展

细菌降解木质素的研究进展摘要：细菌是自然界中降解木质素的主要作用者之一,能够产生木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶、漆酶等参与木质素降解的生物催化剂,通过改性、增溶等作用降解木质素为低分子量的聚合木素片断。就细菌在木质素降解中的作用、微观过程、作用机理以及生物学、生理学方面来概述细菌降解木质素的研究进展。关键字：细菌木质素生物降解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芳香族化合物,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一种较难降解的物质,可造成严重的环境污染。由于其结构复杂,分子大,很难进入到细胞内部供微生物吸收利用,但是自然界中还是存在着许多能够降解木质素的微生物。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,其中真菌的降解研究最为广泛。细菌降解木质素的能力较真菌差,但是由于细菌来源广泛、生长快速,易于大规模应用,而且在木质素的降解过程中,需要许多不同的微生物发挥不同的作用,如支链的改性、环开裂和解聚等,因此有相当一部分研究者在这方面做着不懈的努力。本文就细菌在木质素降解中的作用、微观过程、作用机理以及生物学、生理学方面概述细菌降解木质素的研究进展。1降解木质素的细菌20世纪50～60年代证实木材腐朽与细菌相关,到80～90年代的研究工作表明细菌可以代谢杨木二氧己烷木质素、低分子量的磺化木质素(lignosulfon2ates)及Kraft木质素片断。细菌能在一定程度上使木质素结构发生改性,成为水溶性的聚合产物,很少矿化木质素产生CO2。另外,细菌在木质素降解过程中主要起着间接的作用,即细菌与软腐真菌协作使木质素易于受到真菌的攻击,且可去除对腐朽真菌有毒性的物质[1-2]。1.1降解木质素的放线菌降解木质素的细菌种类很多,其中放线菌类是公认降解能力较强的细菌,包括链霉菌(Streptomyces)、节杆菌(Arthrobacter)、小单孢菌(Micromonospora)和诺卡氏菌(Nocardia)等。放线菌对木质素的降解作用主要在于增加它的水溶性。由于放线菌能穿透木质纤维素等不溶基质,在中性、微碱性土壤或堆肥中,放线菌参与有机质的初始降解和腐殖化。其中属于链霉菌的丝状细菌降解木质素最高可达20%[3]。1.2降解木质素的其他细菌非丝状细菌在一定程度上也能引起木质素的降解,如:在加有纯木质素的土壤中细菌能繁殖,并且它们的种群能够引起该分子的缓慢降解。其中起作用的微生物主要是不动杆菌属(Acinetobactersp.)、黄杆菌属(Flavobacteriumsp.)、微球菌属(Micrococcussp.)、假单胞菌属(Pseudomonassp.)和黄单胞菌属(Xanthomonassp.)的菌株。通常非丝状细菌木质素降解率<10%,只能降解木质素低分子量部分和木质素的降解产物。因此,它们可能在木质素降解的最后阶段起作用。在这些细菌中,假单胞菌属是最有效的降解者[1-3]。2木质素降解细菌的筛选在土壤、堆肥等各种木质素降解系统中,木质素降解率及降解程度取决于木质素降解微生物群落的组成,因此众多研究者从不同来源筛选高效的,具有不同生理、生物特性的菌株。Crawford等[4]从土壤中分离得到的两株放线菌绿孢链霉菌(Streptomycesviridosporus)T7A和西唐氏链霉菌(S.setonii)75Vi2能降解软木、硬木、草类木质素和碳水化合物,尤其是降解草类木质素的能力很强。其中绿孢链霉菌8个星期内木质素降解率可达到19.7%,木质纤维素总量损失可达36.2%。Lokesh[2]从糖厂排出物污染的土壤中分离得到四种细菌粘膜炎布兰汉氏球菌(Branhamellaca2tarrhalis),环丝菌(Brochothrix),藤黄微球菌(Mi2crococcusluteus)和坚强芽孢杆菌(Bacillusfirmus)。它们均能在以引杜林(一种聚合的工业木质素)为唯一碳源的固体培养基上生长。在这四种细菌中,粘膜炎布兰汉氏球菌能转变相当数量的U-14C(木质素)木质纤维素为14CO2。Kukolya[5]从热的马粪中分离得到12种耐热的放线菌,经鉴定为褐色高温单胞菌(Thermomonosporafusca),T.alba和小单孢菌(Micromonosporasp.)。这些菌种可在稻草为唯一碳源的培养基中生长,具有各不相同的木质素增溶能力。生长所需的温度在27～69℃之间,有6种菌可在66℃下生长。González等[6]用新技术从富含木质素的造纸厂废水中筛选能降解木质素和木质素类芳香单体的细菌,发现并描述了一种新的细菌属(Sagittula)。其中细菌Sagittulastellata作为典型菌种,可能在降解木质素、腐殖质及其他自然产生的芳香化合物中起重要作用。由于优势单一菌种在利用时,容易被环境中的杂菌所淘汰,难于实现工业化,有研究者试图筛选出高效的细菌混合菌体。陈敏等[7]采用自然筛选、紫外诱变选育及高效筛选技术,从活性污泥中选育高效降解黑液中木质素的优势混合菌。结果选育得到的混合菌活性显著高于自然筛选混合菌的活性,更能适应高浓度木质素溶液的处理,当木质素浓度达2286mg/L,该类混合菌仍能保持对木质素高达62.6%的去除率。优势混合菌与优势单一菌对比,前者更适合于处理较高浓度的木质素溶液。3细菌降解木质素营养调控机制研究木质素的生物降解不仅依赖微生物的降解能力,而且在很大程度上依赖于环境条件。Anthony等[8]第一次广泛地研究了主要调控因子对绿孢链霉菌产木质素降解酶以及聚合产物形成的影响,包括碳源、氮源和pH值。研究结果表明以酵母膏为氮源代替NH4Cl可使降解大大加强,以D-葡萄糖为补充碳源有利于降解。在pH为8.4～8.8之间,木质纤维素的降解率达到最高,各pH下产生的酸可沉淀的聚合产物AP2PL(acid-precipitablepolymericlignin)的组成基本相同。矿化木质素和纤维素的最佳pH值分别为6.5和7.0;增溶木质纤维素的最佳pH值为8.5;产生APPL的最佳pH值为8.5,据此得出结论微酸性条件适宜于木质纤维素的矿化,而在碱性条件下增溶能力加强。罗宇煊等[9]对一嗜碱细菌的营养调控机理作了充分的研究,包括碳源、氮源、碳氮比、复合碳源、第一碳源浓度、摇床转速、诱导物的添加、表面活性剂的添加以及金属离子浓度等。结果表明在高氮低碳条件下,细菌产酶能力较强。在含木质素的降解基质中加入易降解物质(如低糖),可加速木质素的转化,这与真菌降解木质素的次级代谢特征不同,易降解物质加入使细菌生长加快,促进各类酶的产生。另外,加入适量表面活性剂、Mn2+、Cu2+有助于产酶和降解,该结论与用真菌研究所得结论相似。4细菌降解木质素的微观过程厦细菌攻击桶整个木材组织失结构的微观形星态可分为侵蚀疑、开沟和钻洞谦。侵蚀细菌向戚木材细胞的中肚间薄层生真长震,惨引起纤维壁的亚侵多蚀乌,考而开沟细菌则典在细胞壁中生尝长灵[10]分宫。张甲耀等晚[11]薯抛通过扫描电镜慨对一嗜碱细菌功作用于麦草木缝质素的微观过喉程进行研死究孩,臭发现在生物作纱用初三期灭,剪菌体侵入组织嘉内婆部插,悠并在薄壁细胞钱以及纤维细胞糊腔内繁殖、聚纲集色,佣其间薄壁细胞屡就开始分影解衡,脊以至完全破进坏忍,灿薄壁细胞的去效除有利于草类夫制疑浆持,赖纤维部分的生救物降解从纤维挺次生壁和胞间蓝层之间的区域农开始。随后纤洋维细胞壁中木稍质素最集中的山部位胞间层被挤逐渐分裙解景,野其结果是纤维汇次生壁木质素税在生物作用下伸逐渐被除姓去旅,永而纤维素降解拖微邀弱糖,赶纤维能保持完课整地彼此分离宰。犁5鲜岭细菌降解木执质素的机理什关于细菌昌降解木质素的吩机聪理顽,幕存在较多的争航议泽,邮目前的研究主驱要局限于一系需列木质素类模博型化合物的降览解宋,般以此来推测木矛质素降解可能璃的机猎理沾,企而且很多研究廊工作不具有重女复性。宾早期的争贸议在于细菌降两解木质素是否却为酶催化氧化使反跟应朽,两如挤Kern怪古等研究了黄单桌胞菌属对木质骤素的降寄解邻,纷结果表明这些较菌种只能降解讨低分子量的木叉质素片演断俊,仓并得到结论这法类细菌不能分宴泌胞外木质素类降解酶。但很符多研究者相继墓在细菌培养基川中检测到了木救质素降解真菌蕉产生的一些迎酶台,炎隐尤其是木质素独过氧化物斗酶苹(LiP)挨,邀并对其作了多飘方面的研究灵[12]森下。链霉好菌吵(Stre滤p2tom侧ycess北p.)E破C1宫为产生需州要豪H查2摘O肌2顽盏和赌Mn斩2+阔妹的过氧化物酶女和胞内脱甲基荐酶笔,拣在段Kraft败羡木质素或麦草蒙存在下这两种填酶的产生水平烛均很高。另牢外橡,庙还产生环开裂学加双氧酶抛和融β芬-抬羧基粘康酸酯示脱羧酶接[13]帮移。盲Kamod遥a经等滤[14]托枕研究发现少动暮假单胞闯菌劫(Pseu谷domona滩spauc梢imobil孙is)TM志Y1009危趴产生木质均二芬苯代乙挂烯绸-厅α利,荡平β图-昌加双氧酶。这少些酶能劈开木狮质素二聚物中骂的惕C历α债-猫C吉β址陶双硬键暑,斜因此认为与木帽质素的生物降础解有关系鼠。礼Bornem市an钓表等寇[15]甚猫发现细菌能产茫生两类新的雕酶易—堵阿魏酰酯酶和宗对香豆酰酯勇酶膜,术这两种酶作用预于木质纤维物芬质可产生阿魏臭酰和对香豆锻酰疑,喂这种作用在草完类物质细胞壁披的生物降解中桨起着重要的作抢用挣。瓶Kuhad震般等荣[16]校母研究这两类酶亦发现这些酶与株木聚糖酶协作并破坏半纤维差素惨-殊木质素结合磨体墨,挎但不矿化木质辛素。龄目遮前咏,疗已肯定木质素踩降解酶在细菌喷降解木质素过逗程中的催化作版用悔,孝但有关产生酶桂的种类和能力强还存在着许多它争截议傲,火这方面的研究丢有待继续。初细菌对木鉴质素结构的作湖用主要包括丙敏烷支条链玩C导α孔碑位上基团氧化镇形成羰基、低饮分子木质素降寻解产物的环内法裂解和环修饰啦、查C径α趁(=O)炎-俭C泛β踪材键断裂以及脱染甲基。如管筱惜式等饶[17]池迈发现细菌代谢译木质素模型化箩合物荡时尺,愉常产生侧擦链败C达α误匆位点上带有羰郊基基团的中间好产初物枝,杏由此认蹄为久C智α宣退位点羰基基团纳的形成是假单尸胞菌属等细菌循生物降解木质释素的一个重要界步骤仪。阁Kinya足织等房[18]膀皮利用具哑有缺β剃-O-4牢割、慰β史-1康暴及联尸苯盼C-妇C栗键结构的系列锤二聚物研究细夏菌对木质素的稍降买解诸,醋发现培养基滤绢出液爱在宴280nm惭童处的吸光度不折断减牢小支,蜻由悠于担280n刚m刃是芳香环的特诉征吸收波瞧长叮,毁说明滤出液中吐芳香环物质的帮减病少篇,贱即细菌对二聚会物基质产生了违开环反应引。裤Jouni午加等待[19]广旱通过两种木质班素类四聚物研桐究细菌降解木春质素的途报径鸟,怒发现酚类、非重酚类的四聚体通首先发生丙烷象支链上胃的敲α振-粱羟基群氧化生伙成单酮或双酮厉。然后这些酮环代谢中间体通医过虚C贫α啊(=O)匀-博C邮β胀滩键断裂形成三脖聚的羧坝酸助,侵三聚羧酸又通撒过另一提个蝶C矩α倡(=O)-咱C块β范活键断裂形成二据聚物。非酚四残聚物还可通卸过导C-C级筹键断轮裂股(新脱甲孟基迟)奔懒形成脱氢双甲锤氧基苯甲酸。咸将细菌降解酚俊类四聚体的产蒸物分离纯化后分用作培养基锋质提,婶发现细菌以降逼解四聚体相同丰的机制继续降缴解这些物质。细另付外袋,脑与真菌在次级喊代谢阶段降解遇木质素不公同言,清细菌降解木质畏素发生在初级办代谢阶不段岩,众木质素降解酶袋的合成时间是粮在细菌生长的秆对数期和稳定该期针[11]举矮。冬6统雅结论与研究稻展望棋发另(1)贵迹细菌是自然界因中木质素降解棵的主要作用者圾之咳一坝,舟其降解能力虽斤然弱于真洲菌粒,贱但由于其生长废迅鞠速呀,情来源广龙泛漆,扇易于大规模生歌产景,慕所以在生物纸蛮浆、木质素污闪染的环境治理碰方面有广阔的速应用前景。设扬相(2)债请细菌在初级代娇谢阶段降解木魔质岂素厉,愁可在降解作用幅的初期使木质崇纤维物质发生毒改纱性瞎,史以利于后续真砍菌的有效降笋解顷,徒也可在降解作榴用后期代谢真数菌降解木质素到产生的低分子材量物极质策,费这些都为细菌尾与真菌协同作羽用降解木质素销的研究和应用稀提供理论依据光。因苏此挪,码研究细菌与真笑菌协同降解木历质植素拍,菜对开发木质纤惧维素废物处理赚的新菌剂有重酬要意义。岁爆张(3)匀麻到目前为鼻止枣,疤细菌降解木质及素的作用机制日研究局限于木宴质素类低分子趟量化合拣物野,奔关于其对天然耳木质素降解了千解极少。另慰外织,矮细菌在对天然塌木质素改性增诸溶的同潜时登,恶是否具有解聚担能陶力左,熔这些方面研究柴有待继续。希进让(4)两饺真菌对木质素融有较强的矿化祝能洁力样,淡而细菌只能对馅木质素进行部房分改格性伏,耐极少矿狠化君,嘱降解产物为一坛系列低分子量鄙的聚合木素片劣断汇,荒这些物质常是需腐殖质形成的蓝前体物质。因搅此刺,写研究土壤、堆追肥系统中细菌吓对木质素降解骡与腐殖质形成饭的关掘系抽,堂对土壤肥力、块堆肥成品质量联有重要的指导倚意义。括旬绸[甘参考文项献著]南慌里[1]筑射何Carol和AC.B给acteri融alAss绕ociati阳onswi袄thDec肠aying鹿Wood:冠aRevi颈ew[J皂].Inte坦rnatio农nalBi棚odeter艰torati静on&B胸iodegr昨a2dat居ion,容1996,否37(1营):10姻12107.杜牺长[2]辩势警Lokesh尝KV.秩(14)C班2ligni养n2lign兆ocellu暴loseb盒iodeg甚radati谣onby酷bacter拆iaisol汤atedf台rompo射lluted蝴soil肠[J].纯Indian逮Journ轰alof残Experi摧mental去Biolog场y,2001导,39(6)尘:58425驼89.物师酷[3]监怨胶Tuomel倘aM,近Vikman皇M,H召atakka喷A,e劈tal.悬Biodeg漂rada2闭tiono挑flign叔inina哭compo鼻stenv丽ironme将nt:a肥revie旧w[J]编.Bior异esourc设eTech嚼nology部,200躁0,72故:1692敞183.乡熔膏[4]眠掩知Antai专SP,毫Crawfo瞒rdDL理.Degr玻adatio凉nofs杯oftwoo仇d,ha师rdwood既andgr扣assli及gnocel疲lulose泛sbyt涂woStr蚕eptomy粉cesst晃rains烤[J].悉Appl.拦Enviro祖n.Micr扛obiol.合,198向1,42升(2):爽37823符80.患谅月[5]斤靠施Kukoly服aJD.坝Isola钞tiona恩ndide引ntific舍ation拌ofthe露rmoph乖ilicc趴ellulo鬼lytica蹦ctinom苗ycetes秤[J].精Acta战Phytop迅atholo拆gicaet澡Entom租ologic脊aHung垃arica妄,1997型,32(像1):9恰72107.蜓隆周婶[6]迷卵漂Gonzál海ezJM发,Mora漆nMA.毅Numer橡icald弟ominan骂ceof诞agrou梅pofm漆arine耕bacter执iain交thesub侨class萍ofPro寺teobac飞teria坛incoa时stals担eawate果r[J]练.Appl剑.Envi声ron.M赛icrobi都ol.,19惯97,6悼3:423摆724242神.器息残[7]妥贯陈肆敏搅,它郭箩鹏酬,桥宋晓粪岗谷.阳系选育高效降解咏木质素优势混粘合菌的研支究数[J].复当中国造洲纸貌,1998旱,3:4桂0245.妙欺武[8]抵恢瞧Anthon建yL,Po斩metto,右Crawfo世rdDL.汪Effect谈sofpHo揭nlign能inand稳cellu兽losede饲gradat蜓ionby赵Strep诞tomyce索sviri吼dos2p而orus[司J].A帜ppl.E胳nviron荒.Micr符obiol.介,1986衬,52董(2):狐246225没0.轻初救[9]奋累罗宇穴煊俱,约张甲聪耀宫,前许威化亚乌,苗等探.枕秩正交试验选择荐嗜碱细菌降解您木质素的金属群离子最有综合栽养条鲁件瓶[J]梅.氧环境科学与技母术头,2001,摊4:527.绞佛注蠢[10]励Mohamm昂edR,易Berna李rdB,确Genev弃ieveV钟,eta流l.Ult康ra2st个ructur要alpat候terns蚕ofbee款chlea妈fdegr摸adatio冷nbyp分orotri棚2chump掉ulveru杰lentum统[J].E扎撞oil.Bi咐ol.,2遇001,37仁:7528仪4.课辱场[11]乞婚张甲峰耀等,络龚利掘萍签,丘罗宇恨煊携,下等乐.佣品嗜碱细菌复合兵碳源条件下对秆麦草木质素的警降圾解武[J].被仙环境科锹学感,2002界,23易(1):非70273魔.模[12]讨Junji暖M,S祖hin2ya殖O,M纸asahir径oG,e拖tal.树Cataly乳ticpr具op2er佣tieso餐fligni鸡npero云xidase母ALiP2宾P3hos造tedin检rever暑sedmi烂celles旁[J].溪Bioch悉emical复Engine裹ering氏Journa姿l,20删01,8丧:129拦2134.岂飘镰[13]仪绕慈ReidI瞎D.Bi冷odegra哨dation茂ofli细gnin[J望].乐Can.流J.Bot跑.,19烘95,73占:10112膛1018.监劣欺[14]摊枝惜Kamoda税S,S址aburi供Y.Str肢uctura享land惰enzyma坦tical沈com2p骑arison耗ofli驾gnosti龙lbene宽2竞α跟,汽β井2dioxy口genase等isozy公mes,做I,II珠,and够III,fr暑omPse摄udomon蔬aspau尘cimobi望lisTM毕Y1009霉[J].罩Biosci熊Biote纽chBio抬chem.朱,1993虚,57:庸93129钟34.妥料巾[15]荣羊黄Bornem嗓anWS材,Hart踩leyR甜D,Morr额isonW谎H,et