白腐菌在木质纤维素酶解中的研究进展

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摘要：摘要：木质纤维素是参与生物地球化学循环的重要组成物，生物酶解是实现其物质利用的有效途径。白腐菌(Phanerochaete chrysosporium)作为腐殖质寄生型真菌，是酶解园林生物质的模式菌种之一，已被广泛应用于生物降解领域。为更全面认识白腐菌对木质纤维素的酶

　　摘要：木质纤维素是参与生物地球化学循环的重要组成物，生物酶解是实现其物质利用的有效途径。白腐菌(Phanerochaete chrysosporium)作为腐殖质寄生型真菌，是酶解园林生物质的模式菌种之一，已被广泛应用于生物降解领域。为更全面认识白腐菌对木质纤维素的酶解能力和研究现状，从酶活水平对白腐菌的酶解机制和适用条件进行综述，介绍该菌种在饲料生产、生物堆肥、生物预处理等方面的应用进展。构建以白腐菌为核心的酶解菌系是实现园林生物质快速降解、高效利用的有效途径。

　　关键词：白腐菌;木质纤维素;生物酶解;应用现状

　　园林生物质是园艺维护及农林作业所产生的废弃物，是地球生物圈储量最为丰富的碳水化合物资源[1]。按照化学组成分类，主要是由纤维素、半纤维素和木质素构成的大分子交联体-木质纤维素(图1)，也包含一些植物营养元素(钙、铁、镁、锌等)，是参与生态系统物质循环的重要有机物[2]。根据植物种类和组织部位的不同，木质纤维素3种主要成分亦有所差异，其中纤维素是由D-葡萄糖以β-1，4糖苷键组成的大分子多糖，多以排列紧密的微丝状存在，是构成细胞壁的骨架;半纤维素是由多种单糖构成的异质多聚体，主要分散或包裹在纤维素微束周围或表面，起到保护纤维素的作用;木质素则主要是由苯丙烷醇及其衍生物通过醚键和碳键链合而成复杂的、近似球状的聚酚类三维网状高分子化合物[3]，主要沉积于次生加厚的细胞壁中，起到机械支撑和组织保护的作用，是目前公认的微生物难降解的芳香族化合物之一。

　　自然条件下，由于其自身物理结构和化学组成的特殊性，木质纤维素具有水不溶性和生物抵抗性，故难以被水解或被微生物直接代谢，从而阻碍其快速降解和再生利用。传统溶解或预处理木质纤维素的方法，是通过物理机械破碎、化学酸碱消融或物理-化学组合法等打破其分子内聚合键，释放水解位点。通常，这种高能耗、高污染的处理方式会导致废气、废水、扬尘、噪音等环境污染源产生。然而，生物降解则很大程度地避免了该弊端，它是促进木质纤维素水解转化为可利用小分子物质(葡萄糖、果糖、半乳糖等可发酵单糖)的主要途径。生物降解主要通过微生物代谢(好氧或厌氧发酵)所合成的纤维素酶、木质素降解酶等酶系来实现木质纤维素各组分键合链的裂解[6]，可有效降低其组分内或组分间的分子聚合力、减少纤维素结晶度、水解半纤维素、破坏木质素结构，并提高木质纤维素的比表面积，释放更多酶解糖化位点、加速催化裂解进程。因此，生物酶解已广泛应用于园林生物质的降解与再利用领域，不仅可加快物质循环和资源利用，也可有效解决农林生产废弃物的肆意堆放问题。

　　白腐菌(Phanerochaete chrysosporium)被认为是可突破木质纤维素结构中木质素难降解屏障，提高园林生物质转化效率的一类模式微生物，在生物有机碳循环中发挥着关键作用。作为可直接入侵细胞腔内的丝状真菌，白腐菌通过多酶解途径使木材腐烂成白色海绵状团块，其菌丝体为多核、少隔膜、无锁状联合，存在同宗和异宗配合体系，在分类上属真菌门，绝大多数为担子菌纲(Basidiomycetes)，少数为子囊菌纲(Ascomycetes)，包括多孔菌、侧耳、香菇等200 多个品种。其中，黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)為白腐菌典型菌种，属非褶菌目(Aphyllophorales)，是降解木质纤维素的模式菌株。20世纪80年代初首次报道了白腐菌的降解作用，并持续热点研究至今。

　　1 白腐菌对木质纤维素的酶解研究

　　1.1 木质纤维素降解酶系

　　木质纤维素的降解是水解、氧化的过程，并通过多酶系协同效应而实现。根据被降解物质的不同，其降解酶系主要包括：

　　1.1.1 木质素氧化酶系

　　木质素是一类结构异常复杂的聚合物，多以醚键、酯键、碳键等形式聚合，且不含可水解的键链，这就要求降解木质素的酶必须为氧化酶。白腐菌对木质素的降解是由其胞外分泌的木质素降解酶系完成的，并提供了一个以自由基反应为基础的非特异性降解模式，主要包括木质素过氧化物酶(lignin peroxidases，简称LiP)、锰过氧化物酶(manganese peroxidases，简称MnP)和漆酶(laccases，简称Lac)。

　　木质素过氧化物酶是一种糖基化的亚铁血红素蛋白胞外酶，最早发现于黄孢原毛平革菌中[16]，其氧化底物主要包括酚型结构(酚和芳香胺等)和非酚型结构(芳香醚和多酚等)。反应过程中，LiP由H2O2启动后，先夺取芳香环上一个电子形成芳香环阳离子自由基，其后在分子氧的参与下生成相应的降解片断。通常，以小分子自由基介体(如黎芦醇)作为LiP分析底物，是氧化还原中间体的理想电子给体[17]。

　　锰过氧化物酶也是一种发现于黄孢原毛平革菌的胞外酶，分子量为50～60 ku，最适pH值为酸性。MnP的催化循环过程由H2O2启动，被氧化夺取2个电子后形成化合物MnPⅠ，并通过还原Mn2+为Mn3+而释放酶活位点。其中，Mn3+螯合物亦可作为氧化剂[7]，直接氧化木质素中的酚型结构，若彻底氧化底物还需要MnP产生的一系列自由基中间体来完成[8]。

　　漆酶是一种含Cu的氧化还原酶，于1888年被发现，其广泛存在于真菌和高等植物中。Lac可将对苯二酚类物质氧化成苯醌，并在脱羟基的同时将分子氧还原成水，通过氧化Cα使芳香烷基键断裂，并催化酚基β-1-和β-O-4-木质素模型二聚体中Cα-Cβ键的断裂。因其氧化活性较低，Lac并不是实现木质素降解的关键酶，且只能实现15%以下酚型结构单元的氧化[18]。

　　1.1.2 纤维素降解酶系

　　纤维素酶是由纤维素内切酶(endoglucanase，简称EG)，纤维素外切酶(cellobiohydrolase，简称CBH)和β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase，简称BG)组成。一般来说，EG的酶解位点为纤维素分子的非结晶区，可随机水解β-1，4-糖苷键，将长链纤维分子截断，产生游离的链末端基;CBH又称为纤维二糖水解酶，作用于纤维素分子的末端，水解β-1，4-糖苷键并从游离的链末端脱除纤维二糖单元，进一步降解纤维素分子;而BG则通过水解纤维二糖和短链的纤维寡糖来产生葡萄糖[19]。白腐菌的纤维素内切酶可以引起棉花纤维素的快速解聚，外切酶的活性中心位于陷入催化域内的隧道结构，并与内切酶共同作用[20]。

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