真菌生物降解转化煤炭机理探讨

真菌生物降解转化煤炭机理探讨从化学的角度看，一切活的生物体所参与的生物化学反应都是在生物催化剂酶的参与、催化和调控下进行的。生物学家早已知道，有些酶能改变或解聚木质紊，如在褐煤中，尤其是在年轻褐煤中含有较多类木质素结构。因此，人们推测微生物使煤炭发生降解转化是通过木质素酶的作用，并且以能降解木质素的微生物作为筛选煤炭生物降解转化的微生物的最初基础。Cohen一最早发现两种担子类)真菌云芝和茯苓能使天然存在的煤发生生物降解转化，虽然没有提出作用机理，但云芝和茯苓的消化作用机理是清楚的。云芝通过消化含有芳香环结构的木质素聚合物来分解木质素组织，这种白腐作用是基于多酚氧化酶和过氧化酶以及在培养过程中产生的醌氧化还原酶。茯苓通过消化多醣分解木材，只破坏少量木质素，它的褐色腐败作用主要是基于产生的口一酣酶能侵蚀纤维素；也有人提出茯苓通过产生自由基来降解纤维素聚合物，而不是酶的催化作用。Cohen在他的进一步研究中发现，将云芝胞外液加酸水解+导致煤生物降解转化速率的明显降低；将云芝胞外液中加入抗坏血酸(还原剂，使培养液中的任何氧化酶失活)，导致煤生物降解转化作用降低90％；再通人氧时，煤的生物降解转化活性恢复(氧化抗坏血酸，以使其不再钝化培养液)。由此，他指出云芝胞外液对煤的生物降解转化作用来自氧化酶的作用。Pyne等人用离子交换树脂及凝胶过滤的方法，从具有液化风化褐煤作用的Coriolusversicolor培养物中分离并纯化了一种蛋白组分，这种组分对褐煤的液化既不是表面活性剂的作用，也不是螯合剂的作用，60℃加热30min明显降低该组分液化煤的活性，丁香醛连氮氧化酶抑制剂同样能抑制该组分对褐煤的液化能力。推测该组分具有丁香醛连氮氧化酶活性，正是这种酶参与了液化煤的过程。Pyne等人在1988年又发现微生物胞外酶液化煤的过程是改变煤的结构产生一些羧化组分，这种胞外酶还具有一些漆酶的特性，但添加商品漆酶并不能明显增加液化煤的能力。Pyne在进一步研究中指出：生物降解转化活性少部分归于生物酶。Wondrack等人在1989年还发现由粉状侧胞菌(Phanerochaetechrysporium)培养物中获得的木质素过氧化酶催化解聚了由褐煤和年轻烟煤得到的水溶性聚合物，分泌的纤维素酶能将煤中高分子量聚合物液化降解成低分子量物质。细菌中的Pseudomonas也被报道具有分泌胞外酶液化煤的能力。后来还相继发现许多水解酶、氧化酶及还原酶都能液化部分褐煤，尤其是能氧化酚的酶具有较强液化煤的能力。另外，如放线菌中的streptonvcesvirdosoporus，真菌中的Phanerochaetechrysosporium细菌中的Pseudomonas都能分泌过氧化物酶具有很强的液化煤的活性。Scoff将风化褐煤加到含有二氧乙烷、缓冲溶液及酶(过氧化酶、加氢酶、脱氢酶以等份数存在)的混合物中，煤失重86.4％，而无酶时仅失重19．6％。由此提出，酶的作用能使煤溶解。Faison在含水有机溶剂中加酶，也得到了煤的生物降解转化程度增大的结果。Marayan论述了微生物在厌氧和好氧条件下所产生的酶使煤炭生物降解转化的特点：认为煤炭生物降解转化是生物酶作用的理论根据，植物是形成煤的主要原材料。有些研究者认为，褐煤是木质素经脱甲基脱水形成的，煤中还存留着木质素的一些典型结构。既然木质素能够被胞外的木质素降解酶系降解，煤也应该能被这种降解酶系降解。研究表明：木腐菌产生木质素酶或漆酶等酶，它们分别利用过氧化氢和分子氧对煤炭进行氧化作用，使连接于芳烃环上的脂肪链中的C—C键受氧化而断裂，其反应产物是较低分子量的醇、醛和羧酸等物质。自然界中能够生成木质素降解酶，可降解木质素的微生物大多是担子菌纲的白腐真菌。对黄孢原毛平革菌的基础研究和应用研究，无论是其降解规律及机理的阐述，降解对象化学物质的普查，满足其高效、彻底的降解反应工艺条件的探索，还是在各工业领域的利用研究等，其核心问题始终围绕着黄孢原毛平革菌参与降解活动的代表性酶种、生理生化和催化特点，及实现酶高产的营养生理、遗传和条件诸方面的调控进行的。黄孢原毛平革菌酶学是其生物学和生物技术的核心，是研究最为活跃和发展的领域。黄孢原毛平革菌对木质素和许多异类生物质的降解，依赖一些酶的产生和分泌。这些酶共同构成了称之为木质素降解系统的主体——木质素降解酶系统或木质素修饰酶系统(LME)。这一酶系统的主要成分，或束缚在细胞壁上，或分泌在胞外；它们各有分工，但又协同作用，为黄孢原毛平革菌独特的生物降解能力提供基础。木质素氧化酶系包括需H2O2的过氧化氢酶和漆酶等酶系，其中需H2O2的过氧化氢酶为含铁的血红蛋白、胞外酶，均含Fe3+，由H2O2触发其氧化。而启动酶的催化循环，包括木质素过氧化物酶(LiP)和Mn过氧化物酶(MnP)。(1)木质素过氧化物酶(LiP)直接与芳环底物反应，通过从芳环上取得电子，导致形成阳离子自由基，进而发生断裂反应。能氧化高氧化还原电位的化合物，催化酚类、非酚类物质氧化，参与木质素解聚。(2)Mn过氧化物酶(MnP)表现出对Mn2+的绝对需要，MnP催化Mn2+一转为Mn3+，Mn3+再去氧化大量的酚类底物。氧化高氧化还原电位相对低的化合物，如胺类、染料，在木质素解聚中有重要作用，可能还参与生产H2O2。(3)漆酶(Lac)为含铜多酚氧化酶，对于二酚氧化酶，以单酚、二酚、多酚类化合物为底物。虽然一度认为Lac对底物的进攻主要局限于酚类化合物，但是现以证明，它对于许多非酚类物质如葸、苯并芘、多环芳烃等同样有高度的进攻性，还参与木质素的解聚和降解。Lac催化C—C键、C-O键的断裂，催化脱甲基、解聚和聚合反应，还参与产生色素反应．是特别受关注的一类酶。木质素氧化降解酶系还包括其他一些酶系，但是国内外主要关注的是LiP、MnP和Lac这三种酶种，称为木质素氧化降解酶的代表酶种。一是它们在自然界较为罕见。二是它们的催化功能很特殊。煤炭生物降解转化正是利用了木质素氧化降解酶特殊的催化功能来实现煤炭的降解转化。因此，详细了解研究木质素氧化降解酶对深入研究煤炭的降解转化机理具有重要意义。