生物法降解秸稈木質(zhì)素研究進(jìn)展

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1、生物法降解秸稈木質(zhì)素研究進(jìn)展摘要秸稈中的木質(zhì)素是潛在的可再生資源。近年來,利用生物法對其進(jìn)行降解已成為研究熱點(diǎn)。從木質(zhì)素生物降解性出發(fā),對降解木質(zhì)素微生物、酶系以及降解條件進(jìn)行介紹,以期為木質(zhì)素生物降解法的推廣應(yīng)用提供參考?！　￡P(guān)鍵詞生物法降解;秸稈;木質(zhì)素　　　　秸稈是一種豐富的纖維素可再生資源,我國農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量逾6億t,除少量被用于造紙、紡織等行業(yè)或用作粗飼料、薪柴外,大部分以堆積、荒燒等形式直接傾入環(huán)境,造成極大的污染和浪費(fèi)[1]。能源緊張、糧食短缺及環(huán)境污染日趨嚴(yán)重是目前世界各國所面臨的難題。而可再生資源的轉(zhuǎn)化利用,能在

2、有利于生態(tài)平衡的條件下緩解或解決問題。　　木質(zhì)素又稱木素,是植物界中含量僅次于纖維素的一類高分子有機(jī)物質(zhì),是一種極具潛力的可再生資源[2-4],每年全世界由植物可生長1500億t木質(zhì)素,且木質(zhì)素總與纖維素伴生,具有無毒、價廉、較好的可熱塑和玻璃化特性。木質(zhì)素是由苯丙烷結(jié)構(gòu)單元組成的復(fù)雜的、近似球狀的芳香族高聚體,由對羥基肉桂醇(phydroxycinamylalcohols)脫氫聚合而成,一般認(rèn)為木質(zhì)素共有3種基本結(jié)構(gòu)(非縮合型結(jié)構(gòu)),即愈創(chuàng)木基結(jié)構(gòu)、紫丁香基結(jié)構(gòu)和對羥苯基結(jié)構(gòu)。木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元之間以醚鍵和碳-碳鍵連接,連接部位可發(fā)生

3、在苯環(huán)酚羥基之間,或發(fā)生在結(jié)構(gòu)單元中3個碳原子之間,或是苯環(huán)側(cè)鏈之間。木質(zhì)素由于分子量大,溶解性差,沒有任何規(guī)則的重復(fù)單元或易被水解的鍵,因此木質(zhì)素分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜而不規(guī)則[5,6]?！　?0世紀(jì)開始,國內(nèi)外學(xué)者一直在尋找降解木質(zhì)纖維素的最佳途徑,研究內(nèi)容主要包括以下幾方面:物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法、生物降解法[7]。物理法包括輻射、聲波、粉碎、整齊爆破等[8,9]。化學(xué)法包括無機(jī)酸(硫酸、乙酸、鹽酸等)、堿(氫氧化鈉、氨水等)和有機(jī)溶劑(甲醇、乙醇)等。物理化學(xué)法,即化學(xué)添加法和氣爆法相結(jié)合。此3種方法,可在一定程度上降解秸稈中的

4、木質(zhì)纖維素,但都存在條件苛刻、設(shè)備要求高的特點(diǎn),從而使預(yù)處理成本增加,且污染嚴(yán)重。生物降解法是從20世紀(jì)20年代起開始研究的,采用降解木質(zhì)素的微生物在培養(yǎng)過程中可以產(chǎn)生分解的酶類,從而可以專一性降解木質(zhì)素。此法具有作用條件溫和、專一性強(qiáng)、無環(huán)境污染、處理成本低等優(yōu)點(diǎn)?！　　　?降解秸稈木質(zhì)素的微生物　　　　在自然界中,木質(zhì)素的完全降解是由于真菌、細(xì)菌及相應(yīng)的微生物群落共同作用的結(jié)果。從20世紀(jì)起,國內(nèi)外學(xué)者對木質(zhì)素降解的研究從白腐真菌開始。白腐真菌是指一類具有相同功能引起木質(zhì)白色腐爛的絲狀真菌的集合,憑借其選擇性降解木質(zhì)素的能力,白

5、腐真菌的菌絲穿入木質(zhì),侵入木質(zhì)細(xì)胞腔內(nèi),釋放降解木質(zhì)素的酶,導(dǎo)致木質(zhì)腐爛為淡色的海綿狀團(tuán)塊。目前,用于木質(zhì)素降解研究的白腐菌主要有黃孢原毛平革菌(Phanerochetechrysosporium)、雜色云芝(Coridusversicolor)、香菇(Lentinulaedodes)、變色栓菌(ThametesVersicolor)、朱紅密孔菌(Pyoporuscinnabarinus)等[10,11]。杭怡瓊等[12]以稻草秸稈加20%棉籽殼為培養(yǎng)基質(zhì),接入3種側(cè)耳菌株,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),從接種到子實(shí)體形成過程中,培養(yǎng)物的木質(zhì)素呈不斷

6、下降水平,木質(zhì)素降解率與酶活變化趨勢基本相似。王宏勛等[13]通過傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分析和木質(zhì)纖維素組分含量變化,研究了3株白腐菌在50d培養(yǎng)期內(nèi)降解稻草秸稈中木質(zhì)纖維素的降解規(guī)律,結(jié)果表明:3株白腐菌對稻草秸稈中木質(zhì)纖維素降解具有一定的順序和選擇性,先降解半纖維素和木質(zhì)素,再同時降解半纖維素、纖維素和木質(zhì)素,并且對木質(zhì)素有很好的降解優(yōu)勢。畢鑫等[14]研究白腐菌產(chǎn)木質(zhì)素過氧化物酶發(fā)酵條件,利用Lip粗酶液在體外直接降解稻草,3d后Klason木質(zhì)素的降解率為8.7%。戴永鑫等[15]研究了白腐菌及其產(chǎn)生的木質(zhì)素降解酶系

7、對秸稈的木質(zhì)素生物降解方法,采用黃孢原毛平革菌和雜色云芝雙菌聯(lián)合固態(tài)培養(yǎng)可使木質(zhì)素降解率達(dá)到47.64%。鞠洪波[16]以香菇、金針菇、杏鮑菇等9種食用菌對云杉木質(zhì)素的降解進(jìn)行研究,試驗(yàn)表明:杏鮑菇對木質(zhì)素的降解能力最強(qiáng),其次是木耳、茶樹菇、柳菇、榆黃菇對木質(zhì)素降解能力較高,其余4種食用菌降解木質(zhì)素能力較弱?！　?0世紀(jì)80~90年代的研究表明細(xì)菌可以代謝低分子的磺化木質(zhì)素、Kraft木質(zhì)素片斷等,細(xì)菌能夠使木質(zhì)素結(jié)構(gòu)發(fā)生改性,成為水溶性的聚合產(chǎn)物;另外,細(xì)菌與真菌協(xié)同作用使木質(zhì)素易于受到真菌的攻擊,且可去除對腐朽真菌有毒性的物質(zhì)[

8、17]。降解木質(zhì)素的細(xì)菌種類很多,其中放線菌是公認(rèn)降解能力較強(qiáng)的細(xì)菌,包括鏈霉菌(Strptomyces)、節(jié)桿菌(Arthrobacter)、小單胞菌(Micromonospra)等。TuomelaM等[18]研究表明鏈霉屬的絲狀細(xì)