孫聰聰，寧維光，蘇忠亮*

(1.青島科技大學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266000；2.青島市農(nóng)業(yè)科技服務(wù)中心，山東 青島 266071)

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木質(zhì)素降解微生物的研究進(jìn)展

孫聰聰1，寧維光2，蘇忠亮1*

(1.青島科技大學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266000；2.青島市農(nóng)業(yè)科技服務(wù)中心，山東 青島 266071)

利用微生物降解木質(zhì)素生產(chǎn)有價(jià)值化學(xué)品的方法因優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性逐漸受到人們重視。綜述了木質(zhì)素降解微生物(包括真菌和細(xì)菌)的研究進(jìn)展，并對(duì)微生物降解木質(zhì)素生產(chǎn)有價(jià)值化學(xué)品的現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。

木質(zhì)素；微生物；降解；化學(xué)品

過(guò)去15年里全球?qū)δ茉吹男枨罅吭黾恿?0%[1]。隨著化石燃料的日益匱乏，開(kāi)發(fā)可再生能源意義重大。木質(zhì)素是由相互關(guān)聯(lián)的苯丙烷基團(tuán)組成的酚醛雜聚復(fù)合物，能夠提供部分性能優(yōu)于傳統(tǒng)化學(xué)品的氧化物，而且取材豐富(從非實(shí)用性植物到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的下腳料)，能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)力和生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)的要求[2]，是打造生態(tài)經(jīng)濟(jì)的合適資源。

要想使木質(zhì)素降解為單糖，必須先破壞植物原料的細(xì)胞壁，這是目前降解木質(zhì)素的關(guān)鍵所在[3]。近年來(lái)，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多種可以降解木質(zhì)素的微生物和方法[4]，使木質(zhì)素通過(guò)微生物降解為葡萄糖確實(shí)可行。目前，能夠降解木質(zhì)素的微生物主要有真菌和細(xì)菌。其中真菌起主要作用，如木材腐朽菌(如代表子囊菌門(mén)的褐腐菌和代表?yè)?dān)子菌門(mén)的白腐菌[5])具有分泌大量木質(zhì)素降解酶的能力，是最受關(guān)注的降解木質(zhì)素的微生物。一些細(xì)菌(如變形菌、放線(xiàn)菌、厚壁菌、少量藍(lán)藻菌、擬桿菌及螺旋菌等[6])也具有降解木質(zhì)素的能力。作者在此綜述了木質(zhì)素降解微生物的研究進(jìn)展，并對(duì)微生物降解木質(zhì)素生產(chǎn)有價(jià)值化學(xué)品的現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹。

1 木質(zhì)素降解的生物過(guò)程

考慮到木質(zhì)素的芳香性，其完全降解的關(guān)鍵是克服它的穩(wěn)定環(huán)結(jié)構(gòu)的共振能量。Ryazanova等[7]對(duì)棘孢木霉MG-97/6降解木質(zhì)素進(jìn)行了研究，總結(jié)出木質(zhì)素降解的生物過(guò)程如下：(1)脫甲氧基化和羥基化；(2)Cα-Cβ鍵的斷裂和伯羥基氧化成羧基；(3)芳基環(huán)的斷裂。木質(zhì)素的降解主要由有氧真菌和細(xì)菌實(shí)現(xiàn)，許多古細(xì)菌也可通過(guò)有氧代謝的方式來(lái)降解木質(zhì)素[8]。

2 木質(zhì)素降解真菌的研究進(jìn)展

真菌在木質(zhì)素降解過(guò)程中的最終作用已得到闡明，包括從木質(zhì)纖維素生物質(zhì)生產(chǎn)乙醇的過(guò)程(確保有足夠的發(fā)酵糖)、農(nóng)副產(chǎn)品的生物轉(zhuǎn)化過(guò)程和造紙過(guò)程中的生物漂白工序[9]。真菌在降解木質(zhì)素的過(guò)程中能夠?qū)?fù)雜多糖轉(zhuǎn)化成單糖，提高反芻動(dòng)物原料的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)[10]。

3 木質(zhì)素降解細(xì)菌的研究進(jìn)展

最近，有關(guān)木質(zhì)素降解細(xì)菌的分離已有報(bào)道。Chen等[16]在竹腐蝕滑塊的流體中培養(yǎng)叢毛單胞菌B-9，發(fā)現(xiàn)它們能夠在木質(zhì)素類(lèi)衍生物中生長(zhǎng)并且在7 d后降解高達(dá)0.9 g·L-1硫酸鹽木質(zhì)素；該菌可以將硫酸鹽木質(zhì)素作為唯一碳源，將它降解成小分子化合物，同時(shí)還能降低廢水中的COD含量。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)紙漿和造紙工業(yè)廢水處理具有重大意義。Paliwal等[17]從造紙廢水污染的土壤中分離出2種原始菌：巨大芽孢桿菌ETLB-1和假單胞菌ETLB-3，將它們固化在玉米芯中，7 d內(nèi)造紙黑液中的木質(zhì)素含量減少0.8 g·L-1。這得益于共固化技術(shù)的發(fā)展，使得更多木質(zhì)素降解酶產(chǎn)生，從而提高了它們對(duì)造紙黑液的脫色能力。Mathews等[18]對(duì)比了2種從紙漿廢液中分離出來(lái)的類(lèi)芽孢桿菌，發(fā)現(xiàn)它們只有在無(wú)氧條件下才能降解木質(zhì)素聚合物，而在空氣中只有合適的類(lèi)芽孢桿菌才能降解木質(zhì)素聚合物。這表明一些細(xì)菌在降解木質(zhì)素方面對(duì)氧氣條件要求比較苛刻。

森林和農(nóng)業(yè)土壤由于其高生物量衰變而經(jīng)常含有大量的木質(zhì)素降解菌。Yang等[19]從森林土壤中分離了2種鏈霉菌，它們都能夠分泌漆酶和錳過(guò)氧化物酶，當(dāng)把它們和白腐菌——糙皮側(cè)耳菌共培養(yǎng)時(shí)，會(huì)在12 d內(nèi)降解1.1 g·L-1木質(zhì)素，并且能夠獲得一系列木質(zhì)素分解產(chǎn)物，如苯酚和一系列破碎的酚類(lèi)化合物。Taylor等[20]發(fā)現(xiàn)了12種能夠降解硫酸鹽木質(zhì)素的細(xì)菌，主要屬于放線(xiàn)菌和α-變形菌；在富含小麥秸稈木質(zhì)素的林地土壤中培養(yǎng)時(shí)，能夠形成包含硝化木質(zhì)素的菌落；其中微桿菌A1.1和鞘脂桿菌T2在小麥秸稈木質(zhì)素中培養(yǎng)時(shí)，能夠?qū)⒛举|(zhì)素降解成草酸和原兒茶酸等有價(jià)值的化學(xué)品。一些細(xì)菌對(duì)所降解的木質(zhì)素種類(lèi)有特殊的選擇性，表明這些細(xì)菌細(xì)胞中可能存在能夠識(shí)別木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的某種分子[5]。

在過(guò)去幾年里，對(duì)來(lái)自木質(zhì)纖維素喂養(yǎng)生物的胃腸道菌落的研究已經(jīng)取得了很大的突破。Fang等[21]對(duì)大熊貓糞便中的微生物菌群進(jìn)行了系統(tǒng)進(jìn)化分析，發(fā)現(xiàn)它們隸屬于變形菌(53%)和厚壁菌(47%)；這些腸道微生物能夠?qū)δ举|(zhì)素基團(tuán)進(jìn)行氧化降解，這為大熊貓?jiān)谌鄙倌举|(zhì)素降解酶基因的情況下依然能夠降解木質(zhì)素做出了很好的解釋。這一研究對(duì)提高大熊貓對(duì)竹子的消化能力和保護(hù)瀕危物種具有重大意義。最近，Suman等[22]用愈創(chuàng)木基甘油-β-木醚作為木質(zhì)素模型底物來(lái)篩選白蟻腸道中的木質(zhì)素降解菌，14 d后，特布爾西氏菌對(duì)木質(zhì)素的降解量高達(dá)0.1 g·L-1，而且還檢測(cè)到幾種木質(zhì)素降解有機(jī)物。

4 微生物降解木質(zhì)素生產(chǎn)有價(jià)值化學(xué)品的研究進(jìn)展

生物煉制的概念在經(jīng)濟(jì)上是可行的。最近，Beckham等[23]總結(jié)了微生物降解木質(zhì)素得到的幾種有價(jià)值化學(xué)品(β-芳基乙醚、聯(lián)苯、二芳基丙烷、松脂醇、苯基香豆素、阿魏酸和原兒茶酸等)的降解菌種類(lèi)和降解策略。Kosa等[24]建立了利用油性細(xì)菌從木質(zhì)素模型化合物中生產(chǎn)中性油脂的方法，發(fā)現(xiàn)混濁紅球菌DSM1069能夠在限氮源的條件下將木質(zhì)素模型化合物轉(zhuǎn)化成三?；视?。不但成功利用混濁紅球菌DSM1069中的β-酮己二酸途徑合成了對(duì)羥基苯甲酸酯和香草酸，而且還制備了它們的甲基酯并確定它們適于生物柴油的生產(chǎn)；并進(jìn)一步研究了混濁紅球菌DSM1069對(duì)溶于乙醇的木質(zhì)素的分解代謝，發(fā)現(xiàn)和木質(zhì)素模型化合物相比，它們是性能較差的底物[25]。

盡管微生物具有強(qiáng)大的芳香低聚物和單體降解能力，但其木質(zhì)素降解活性較差。針對(duì)這一問(wèn)題，研究者采用預(yù)處理木質(zhì)素、混合降解等策略來(lái)提高微生物對(duì)木質(zhì)素的降解能力。Wei等[26]研究了混濁紅球菌DSM1069對(duì)堿氧化預(yù)處理過(guò)的硫酸鹽木質(zhì)素的降解，發(fā)現(xiàn)36 h內(nèi)產(chǎn)生了高達(dá)0.07 g·L-1的油脂，這些油脂主要成分是棕櫚酸(46.9%)和硬脂酸(42.7%)。有趣的是，Zhao等[27]最近研究了一種氧化生物代替方法，他們將混濁紅球菌DSM44193和云芝中的漆酶成批混合培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)6 d內(nèi)它們協(xié)同作用以硫酸鹽木質(zhì)素為底物，產(chǎn)生了0.14 g·L-1的油脂。和Fenton反應(yīng)相比，漆酶的添加對(duì)木質(zhì)素降解更為有效。通過(guò)普魯士藍(lán)實(shí)驗(yàn)對(duì)木質(zhì)素進(jìn)行量化和分子量分析發(fā)現(xiàn)，漆酶發(fā)酵產(chǎn)生的油脂是Fenton反應(yīng)的17倍。

5 展望

目前，已經(jīng)有多種可供選擇的木質(zhì)素降解微生物和降解方法，但在工業(yè)化實(shí)施前，必須評(píng)估并保證其經(jīng)濟(jì)可行性。因此，需要利用分子生物學(xué)和代謝工程設(shè)計(jì)出具有良好經(jīng)濟(jì)效益的技術(shù)路線(xiàn)和生產(chǎn)工藝。隨著環(huán)境宏基因組[28]和下一代測(cè)序技術(shù)[29]的發(fā)展，必將促進(jìn)目前尚未被發(fā)現(xiàn)的木質(zhì)素降解微生物資源的挖掘和已發(fā)現(xiàn)的木質(zhì)素降解微生物降解機(jī)理的研究。下一代測(cè)序技術(shù)和質(zhì)譜分析法[30](結(jié)合高效液相色譜法及氣相色譜法)的廣泛應(yīng)用對(duì)深入理解木質(zhì)素降解微生物的蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝學(xué)具有重大意義。相信在不久的將來(lái)，隨著生物技術(shù)的迅猛發(fā)展，木質(zhì)素將帶給人們更多有實(shí)用價(jià)值的化學(xué)品和日用品。

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Research Progress on Lignin-Degrading Microorganisms

SUN Cong-cong1,NING Wei-guang2,SU Zhong-liang1*

(1.CollegeofChemicalEngineering,QingdaoUniversityofScience&Technology,Qingdao266000,China;2.QingdaoAgriculturalSci-TechServiceCenter,Qingdao266071,China)

Duetoeconomicandenvironmental-friendly,theproductionofvaluablechemicalsbymicrobiologicaldegradationofligningraduallyarousepeople′sgreatattention.Inthispaper,theresearchprogressonlignin-degradingmicroorganisms(includingfungiandbacteria)isreviewed.Meanwhilethestatusofvaluablechemicalsproducedbymicrobiologicaldegradationofligninisintroducedbriefly.

lignin;microorganism;degradation;chemical

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41471279)

2016-12-07

孫聰聰(1991-)，男，山東膠州人，碩士研究生，研究方向：生物制藥，E-mail:771760365@qq.com；通訊作者：蘇忠亮，副教授，E-mail:albertszhl@126.com。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.04.002

TQ351.377

A

1672-5425(2017)04-0006-04

孫聰聰，寧維光，蘇忠亮.木質(zhì)素降解微生物的研究進(jìn)展[J].化學(xué)與生物工程，2017，34(4)：6-9.