楊蘇蘇 吳小龍 邱 堅 秦 磊

（西南林業(yè)大學材料科學與工程學院，云南 昆明 650224）

木材出現(xiàn)變色不僅會影響木材的美觀，還會影響木材制品的商品價值[1]。引起木材變色的原因一般可分為4類，即化學性變色、物理性變色、生理性變色和微生物性變色[2]。其中，對木材材色破壞最嚴重的是微生物性變色，其主要由變色菌、霉菌和腐朽菌引起。真菌菌絲不僅存在于木材表面，在條件適宜的情況下還會通過紋孔從一個細胞蔓延到另一個細胞，并深入木材內部，使木材顏色從表面到內部發(fā)生變化。因此，尋找一種無毒環(huán)保且效果持久的木材防變色方法已經成為木材保護領域的重點研究熱點和發(fā)展方向。本文旨在通過對目前木材變色相關研究內容的概述，為木材變色的生物防治提供理論依據(jù)，并提出了基于活立木防治木材變色的展望。

1 木材變色真菌研究概況

1.1 易導致木材變色的真菌種類

木腐菌、霉菌和變色菌均會引起木材變色，但變色原因與變色程度有所不同。

常見的可以引起木材變色的霉菌有木霉屬(Trichoderma)、青霉屬(Penicillium)、曲霉屬(Aspergillus)等。受到霉菌侵害的針葉材會出現(xiàn)黑色或淡綠色斑點，闊葉材則會出現(xiàn)黑色斑點，但霉菌孢子一般只在木材表面繁殖生長，不會深入木材內部。因此，霉菌引起的木材變色可以使用刷子清除或通過表面刨切清除。然而，被霉菌侵染后，木材的滲透性增加，為木腐菌和變色菌的侵染提供了條件。木腐菌分為白腐菌、褐腐菌和軟腐菌，在多種酶的作用下會破壞木材中的纖維素、半纖維素、木質素等主要化學結構單元，嚴重危害木材的材性。在木材腐朽初期，其邊材大多會出現(xiàn)紅斑，針葉材紅褐色，有時出現(xiàn)紫色；闊葉材中呈現(xiàn)白色或暗褐色。與霉菌與變色菌引起的木材變色有較大區(qū)別。

木材變色菌主要屬于子囊菌亞門和半知菌亞門，如子囊菌亞門的長喙殼屬(Ceratocystis)，半知菌亞門的粘束孢屬(Graphium)、色二孢屬(Diplodia)、鐮孢屬(Fusarium)和球二孢屬(Lasiodiplodia)等[3]。被真菌侵染后的木材顏色因木材種類、變色菌種類及周圍環(huán)境差異的不同而異，如藍變、褐變、黃變、紅變、綠變等[4]。同時，變色菌的菌絲會深入木材內部，因此不像霉菌引起的變色那樣能夠輕易去除。圖1為可可球二孢侵染橡膠木的掃描電子顯微鏡圖，可以在木材的細胞腔內看到粗壯、橫穿細胞壁的菌絲，這些菌絲穿透了射線薄壁細胞和導管，但其并不會明顯降低木材的強度[5]。

1.2 變色菌引起木材變色的原因

木材的變色菌變色主要是由于真菌的菌絲以及真菌的次生代謝產物引起顏色變化。真菌侵染過程中，其分泌的色素通常是使木材表面或內部的顏色產生變化的主要原因[6]。木材的多尺度孔隙結構為變色菌的生長提供了空間，其中含有的糖類、蛋白質等物質也可為變色菌的生長提供營養(yǎng)。不同菌種間的協(xié)同或拮抗作用會產生不同的色素分泌，出現(xiàn)不同的色斑。菌種與不同木材之間復雜的相互作用又會影響菌落的生長和色素的分泌，從而在木材上呈現(xiàn)不同的色素分泌情況。

木材中真菌色素通常以結合在真菌細胞壁內和釋放到細胞外這兩種形式存在，長喙殼屬(Ceratocystis)和Ophiostoma的真菌的色素通常是結合在真菌細胞壁內，其中藍變色是黑色素沉積在細胞壁上引起的，而Arthrographis cuboidea產生的紅變色素通常是真菌釋放到細胞外的。通常，釋放到細胞外的色素要比結合在細胞壁上的色素具有更強的穿透木材的能力。

1.3 木材變色真菌的傳播途徑

真菌存活的必要條件是真菌孢子的自由傳播，許多擔子菌和子囊菌的孢子可主動彈射到空氣中借助氣流傳播。昆蟲和其他節(jié)肢動物是真菌孢子的主要傳播媒介[7]。木材表面的變色菌能產生大量分生孢子和少量粘性孢子，大量分生孢子和菌絲體通過風、雨水飛濺等非生物方式在木材間傳播，這些粘性孢子可輕易黏附在節(jié)肢動物身上，隨節(jié)肢動物活動而傳播。大量文獻已確定并描述了世界許多地區(qū)的小蠹蟲與變色真菌之間的關聯(lián)，相關證據(jù)表明，在有小蠹蟲的情況下，枯死和受損樹木中的變色程度更高，在沒有小蠹蟲的條件下，變色很少[8]。

不同昆蟲傳播的真菌種類也有所區(qū)別，大小蠹屬(Dendroctonus)、齒小蠹屬(Ips)等屬的小蠹蟲主要傳播邊材變色菌(Leptographium;Pesotum)的分生孢子。華山松大小蠹(Dendroctonus armandi)及其伴生藍變菌(Ceratocystis polonica)會分解華山松(Pinus armandi)木質部組織，堵塞木質部組織的樹脂管，引起樹脂和水的代謝混亂，其對華山松的危害不容忽視[9]。

2 木材變色的生物防治

木材變色的防治方法經歷了物理方法、化學方法，近年來轉向了更為環(huán)境友好的生物防治方法。其中，物理防治方法主要是將木材置于一個不利于變色菌生長的環(huán)境中，比如干燥法、水存法和濕存法，但其不能解決木材再次吸濕而產生的變色問題[10]?；瘜W防治方法主要通過化學藥劑配成的溶液噴淋或浸泡木材，使木材表面覆蓋一層化學藥劑，但由于化學藥劑有毒性，污染環(huán)境甚至危害人體健康，不宜推廣使用[11]。生物防治在農業(yè)上的應用已較為普遍，是利用微生物拮抗、競爭等種間關系形成的一種“以菌治菌”的方法，是一種持久且效益穩(wěn)定的方法[12-13]。

2.1 主要的生物防治菌株

生物防治木材變色的方法最早于20世紀40年代由美國林產品實驗室提出，并在80年代成為研究熱點。各國學者在生防菌株的來源、篩選、作用機制、生防性能、生防制劑的應用等方面開展了大量的研究[14]。木霉屬(Trichoderma)、青霉屬(Penicilium)和曲霉屬(Aspergillus)已被報道可用作變色菌的生物控制劑。Behrendt等[15]發(fā)現(xiàn)大隔孢擬射脈菌(Phlebiopsis gigantea)可以抑制導致紅松(Pinus resinosa)邊材變色的藍變菌。張雨[16]測試了6種木霉對藍變菌的拮抗能力，篩選出康氏木霉(Trichoderma koningii)和桔綠木霉(Trichoderma citrinoviride)作為防治木材藍變的生物控制菌種。Schroede等[17]在室內條件下研究發(fā)現(xiàn)Ophiostoma piliferum的白化菌株具有高水平的群體競爭能力，可抑制由真菌生長引起的木材變色。雜交及單孢分離和使菌株基因突變的方法被用來獲得在木片上生長不產生色素的無色菌株，以防治變色菌引起的木材變色[18-19]。細菌菌株對變色菌和霉菌的生物控制能力已在早期得到證實，芽孢桿菌(Bacillus)，尤其是枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)，是世界市場上幾乎一半生物農藥的活性劑，對變色菌也有著顯著的抑制作用[20]。假單胞菌(Pseudomonas)、乳酸桿菌(Lactobacillus)、鏈霉菌(Streptomyces)等細菌屬也在實驗室和野外試驗中進行了控制變色菌的研究并取得了一定的防治效果[21-22]。Graeme等[23]在體外測試了幾種酵母菌，結果發(fā)現(xiàn)，這些酵母菌及其殺傷毒素能夠顯著抑制某些木腐擔子菌和植物病原真菌的生長，具有作為新型抗真菌生物控制劑的潛力。Payne等[24]經測試發(fā)現(xiàn)，5種酵母菌分離株都能顯著減少霉菌和變色菌引起的木材變色。

2.2 生物防治木材變色的機理

在已經報道的生物防治技術研究中，大部分集中在抑菌菌種的分離、提純、鑒定及抑菌物質的分離鑒定上，而對于抑菌物質如何干擾變色菌的生長代謝等機理的研究相對較少。孫薇等[25]從形態(tài)、生理、能量代謝和物質代謝4個方面，探索了枯草芽孢桿菌B26-10對變色菌的抑制機理，發(fā)現(xiàn)其代謝產物會使病原菌菌絲出現(xiàn)畸形、扭曲、斷裂、原生質收縮、內含物溢出等異?，F(xiàn)象。劉媛等[26]研究發(fā)現(xiàn)木材藍變生物控制菌康氏木霉產生的胞外幾丁質酶可以有效抑制病原菌的生長。有研究發(fā)現(xiàn)：一些生物控制菌株中產生的蛋白酶、昆布多糖酶和鐵載體抗生素等對木材變色菌有抑制作用[27]。

2.3 內生真菌防治變色菌

由于內生真菌具有與樹木長期進化而適應樹木內在的某些抗生物質，與樹木之間存在著密切的互利共生關系,可與病原菌直接相互作用等優(yōu)勢，因此篩選出的拮抗菌對所用環(huán)境具有很強的適應性。分離和篩選內生真菌并將其應用于病原菌的生物防治上成為了篩選生防菌的一種重要手段，并頗有成效。鄭鵬等[28]從橡膠樹枝條中分離篩選出ITBB2-2對香蕉枯萎病菌(Fusarium oxysporum)和橡膠炭疽病菌(Colletotrichum gloeosporioides),發(fā)現(xiàn)有明顯的拮抗作用。羅鑫[29]從馬尾松中分離篩選出4株對立枯病致病菌尖孢鐮刀菌(Fusarium oxysporum)具有顯著抑制作用的內生真菌，其中長枝木霉的防治率達82.52%。圖2為篩選出的橡膠木內生真菌里氏木霉(Trichoderma reesei)與變色菌可可球二孢(Lasiodiplodia theobromae)的平板拮抗示意圖。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，里氏木霉對可可球二孢的生長有明顯抑制作用?；诖?，內生真菌的這些抑菌優(yōu)勢使其能更好地發(fā)揮拮抗和生物防治作用。

圖2 里氏木霉與可可球二孢第2、 7、 15 天平板拮抗示意圖Fig.2 Schematic diagram of plate antagonism between Trichoderma reesei and Lasiodiplodia theobromae on days 2,7 and 15

3 生物學特性分析

對變色真菌及其生物控制菌株的生物學特性進行研究，明確其對基本環(huán)境條件的要求，可以更好地利用生物控制菌株展開生物防治，并為其進一步的開發(fā)和利用提供理論依據(jù)，也為深入研究木材變色機理及進一步防治木材變色提供參考。

3.1 變色菌的生物學特性

曹翠等[30-31]研究發(fā)現(xiàn)，藍變菌株(Ophiostoma spp.)最適生長溫度為25 ℃，最適pH為5.5，最佳碳源為果糖，最佳氮源為甘氨酸。蒲曉娟等[32]研究發(fā)現(xiàn)，華山松藍變真菌秦嶺細粘束孢(Leptographium qinlingensis)的最適生長溫度為27.5 ℃，最適pH為5，最適培養(yǎng)基為麥芽汁培養(yǎng)基。劉媛等[33]發(fā)現(xiàn)，藍變菌株可可球二孢(Lasiodiplodia theobromae)的最適溫度為30 ℃，最適pH為5，最佳碳源為蔗糖，最佳氮源為酵母浸膏。鏈格孢(Alternaria spp.)最適生長溫度為25 ℃，最適pH為9, 群生小穴殼(Dothiorella gregaria Sacc.)最適生長溫度為30 ℃，最適pH為7, 多隔鐮刀菌(Fusarium decemcellulare Brick) 最適生長溫度為25 ℃，最適pH為6，長喙殼(Ceratocystis adiposa)最適生長溫度為25 ℃，最適pH為7[34]?？偨Y發(fā)現(xiàn)變色菌株的最適生長溫度與pH值的范圍較為集中。因此，在進行生防菌的篩選時，可以有針對性地選擇主要變色菌最適生長條件范圍外的菌株。

3.2 控制菌株的生物學特性

韓麗等[35]研究發(fā)現(xiàn)，白樺木材藍變生防菌枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis) B26的最適生長溫度為35 ℃，最適pH為7，最佳碳源為半乳糖，最佳氮源為牛肉膏。況再銀[36]等發(fā)現(xiàn),生防菌球孢白僵菌(Beauveria bassiana)最適生長溫度為27 ℃，最佳濕度為100%，此時孢子萌發(fā)率最大，菌株生長狀況最好。里氏木霉(Trichoderma reesei)最適生長溫度為30 ℃，且其在40 ℃的高溫下仍能生長，此外，桔綠木霉(Trichoderma citrinoviride)在40 ℃的高溫下長勢良好?；诖?，在進行變色菌防治時可以將基本環(huán)境條件控制在有利于控制菌株生長時的條件。

4 結論

由真菌引起的木材變色由于菌種和樹種以及環(huán)境因素的不同而有所差異，為保證木材的價值，需要采取必要的防護措施，減少真菌對木材的侵染。木材變色生物防治技術的推廣使用可以彌補物理防治方法和化學防治方法的不足，符合綠色可持續(xù)發(fā)展的理念。其中，生物控制菌株的篩選方面已開展了大量的研究，一些無色真菌菌株（木霉屬、青霉屬和曲霉屬）、細菌菌株和酵母菌菌株針對木材變色菌具有良好的抑制作用。對于其防變色機理也展開了大量的研究分析，主要集中在控制菌株的代謝產物、菌株間動態(tài)的相互作用和外界環(huán)境條件的影響等方面。但目前仍有大量工作需要進一步研究，主要概括為以下3點：1）高效生防菌株的篩選；2）不同生防菌與木材間的相互作用機制；3）基于活立木的木材變色防治研究。

目前，將生物控制菌株作用于活立木上的研究還未見報道，但“以菌抑菌”的生物防治木材變色技術以其無毒環(huán)保的巨大優(yōu)勢，已然成為木材防變色的必然發(fā)展方向和關注重點。利用樹木的水分流動和蒸騰作用，使改性藥液隨樹液一起向上流動的特性活立木改性技術投資小、節(jié)能環(huán)保、適合推廣使用。然而，關于活立木防變色改性等方面的研究開發(fā)工作在國內外還鮮有報道。因此，嘗試在活立木中進行木材變色的生物防治具有廣闊的研究空間。