木质素生物降解的最新研究进展

1木质素生物降解的最新研究进展*潘明凤a姜曼b周祚万ba西南交通大学生命科学与工程学院成都610031b材料先进技术教育部重点实验室，西南交通大学材料科学与工程学院成都610031摘要木质素广泛存在于几乎所有的植物类生物质材料中，利用微生物降解木质素不仅可以缓解环境污染，还可以变废为宝，实现资源的循环利用。本文对降解木质素的微生物种类、木质素降解酶的理化性质和作用机理、营养调控等方面的研究进展进行了综述，以期为木质素生物降解法的深入研究提供参考。关键词木质素生物降解木质素降解酶营养调控ThenearestresearchadvancesinBiodegradationofLigninPanMingfenga,JiangManb,ZhouZuowanb(aCollegeofLifeScieneeandEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031;bKeyLaboratoryofAdvancedMaterialsTechnology,MinistryofEducation,Chengdu610031;CollegeofMaterialsScienceandEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031)AbstractLignin,aresistantcell-wallconstituentofallvascularplants,isthesecondmostabundantorganicsubstanceonearth.Biodegradationoflignincouldnotonlyalleviatepollutionbutalsocanturn“waste”intowealthaswellasrealizeresourcerecycling.Researchadvancesinbiodegradationoflignin,including:microor-ganisms,physicalandchemicalcharacteristicsofthelignin-degradingenzymes，degradationmechanismandthenutritionregulationshavebeenreviewedinthispaperforpurposeofdevelopmentandapplicationofligninbio-degradation．Keywordslignin;Biodegradation;Lignin-degradingenzymes;nutritionregulations0前言木质素广泛存在于几乎所有的植物类生物质材料中，是植物细胞壁的重要组成部分，在自然界中的产量仅次于纤维素是一种极具潜力的可再生资源[1,2]。同时，其分子量大、结构复杂，自然降解速度缓慢，成为地球生物圈中碳循环的主要障碍之一。木质素是由苯丙烷单元通过醚键和碳碳键连接而成的聚酚类三维网状高分子化合物，研究证实共有三种基本结构单元(非缩合型结构)，即愈创木基结构、紫丁香基结构和对羟苯基结构。从20世纪开始，国内外学者一直在寻找降解木质纤维素的最佳途径，涉及的研究主要包括[3]：物理法、化学法、物理化学法、生物降解法。而利用微生物降解木质素不仅可以缓解环境污染，还可以变废为宝，实现资源再利用，已引起了国内外学者的关注[4-7]。鉴于可再生资源循环利用的重大现实意义，*四川省科技支撑计划资助项目(NO.09GG1632)潘明凤：女，1988年出生，硕士研究生周祚万：通讯作者Tel.:02887600454E-mail:[e-mail]2我们就微生物降解木质素的最新研究进展进行综述，特别关注了降解木质素的微生物种类、木质素降解酶系的理化性质和作用机理、木质素降解酶的活性调控等热点学术问题。1可降解木质素的微生物种类自然界中，木质素的完全降解是真菌、细菌、放线菌及相应微生物群落共同作用的结果，其中真菌起着主导作用，放线菌降解能力次之，细菌降解能力最弱。降解木质素的真菌主要分为三类：白腐菌、褐腐菌、软腐菌。其中白腐真菌的降解能力最强,并且分泌胞外酶对木质素降解过程中不会产生色素,开发利用前景较好，被认为是目前最为理想的一类降解木质素的真菌[8,9]。其主要分布在革盖菌属(Coriolus)、烟管菌属(Sjekandera)、平革菌属(Phanerochaete)、侧耳属(Pleurotus)及卧孔菌属(Poria)等[10]。目前，用于木质素降解研究的白腐菌主要有黄孢原毛平革菌(Phanerochetechrysosporium)[11,12]、杂色云芝(Coridusversicolor)[13-15]、平菇(Pleurotusostreatus)[13]、变色栓菌(Thametesversicolor)、朱红密孔菌(Pycnoporuscinnabarinus)等，其中黄孢原毛平革菌是研究最透彻的模式菌[16-18]。降解木质素的细菌主要有厌氧梭菌(Clostridiumsp.)、不动杆菌(Acinetobacter)、黄杆菌属(Flavobact-erium)、微球菌属(Micrococcus)、假单胞菌属(Pseudomonas)、双芽孢杆菌属(Amphibacillus)、黄单胞菌属(Xanthomonas)、枝动杆菌属(Mycoplana),还有粘膜炎布兰汉氏球菌(Branhamellacatarrhalis)、环丝菌(Brochothrix)、坚强芽孢杆菌(Bacillusfirmus)，其中假单胞菌属是最有效的降解菌[19,20]。细菌在初级代谢阶段降解木质素，在生长的对数期和稳定期合成木质素降解酶[21]。细菌在降解过程中主要是使木质素一定程度上发生变性,成为水溶性的聚合物，很少将木质素矿化为CO2。另外，细菌在木质素降解过程中主要起着间接的作用，即细菌与真菌协同作用使木质素易于受到真菌的攻击，且可去除对腐朽真菌有毒性的物质[19]。放线菌类是公认降解能力较强的细菌，降解木质素的放线菌主要有链霉菌属(Streptomyces)[22,23]、高温放线菌属(Thermoactinomyces)、节杆菌属(Arthrobacter)、小单孢菌属(Micromonospora)、诺卡氏菌属(Nocardia)和褐色高温单胞菌(Thermonosporafusca)。TuomelaM等[20]研究表明，链霉菌属的丝状细菌降解木质素最高可达20％，在木质素降解中起主要作用。近年来的研究也发现了一些非常规降解菌种,如张金萍等[24]发现的灵芝属某些菌种对木质素都有较好的降解能力。RCBonugli-Santos[25]研究发现三株海洋真菌在不同碳源及盐浓度下可以产生不同酶活力的木质素酶，其中M.racemosu-sCBMAI847产生的LiP、MnP、Lac的酶活力最高值分别达75376.34、4484.30、898.15U·L−1。关于土壤低等真菌降解木质素的研究报道也时有出现,主要有产黄青霉(Penicilliumchrysogenum)、镰刀霉(Fusariumproliferatum)、简青霉（Penicilliumsimplicissimum）等[26]。32木质素微生物降解酶系的理化性质及作用机理木质素的微生物降解过程中发生的主要化学变化有侧链氧化、去甲基化、去甲氧基化、芳环开环等。木质素高聚物在微生物/酶的作用下，结构单元间连接键的断裂并对侧链进行一定的修饰，使原来的高分子化合物分解为低分子物质。木质素降解酶系主要包括3种酶：锰过氧化物酶(ManganesePerxidases／MnP)、木质素过氧化物酶(LigninPeroxidases／LiP)和漆酶(Laccase)。另外，芳醇氧化酶(Aryl-alcoholoxidaseAAO)、乙二醛氧化酶(GyoxaloxidaseGLOX)、葡萄糖氧化酶(gucose-l-oxidaseGIO)、酚氧化酶、过氧化氢酶、新阿魏酰酯酶、对香豆酰酯酶也与木质素的降解密切相关[27]。2.1锰过氧化物酶（MnPs）1984年Masaaki等首次从白腐真菌(PhaneroehaeteChrysosporium)木质素裂解培养液中分离检测到MnPs。MnPs是一种血红素蛋白，含有多种同工酶，分子量约为32~62.5KDa之间，大多数纯化后的MnPs分子量都在45kD左右，最适pH为4~7，最适温度为40~60℃[28-30]。MnPs由一个铁血红素基和一个Mn2+构成了活性中心，另外还有两个起稳定结构作用的Ca2+，其分子中有十条长的蛋白质单链，一条短的单链，在温度大于40℃时开始失活，最佳稳定pH值是4.8。MnPs的产生菌主要是一些白腐真菌[31]，多属担子菌亚门，无隔担子菌亚纲，无褶菌目的多孔菌科。在Mn2+和H202存在时，MnPs能氧化分解芳香环多聚体，被认为是木质素降解的关键酶之一[32,33]。MnPs在过氧化氢存在时可氧化酚型木质素及木质素模型物，即由Mn2+及一种螯合物催化木质素发生降解，Mn2+被氧化成Mn3+，Mn3+反过来又氧化酚型化合物，并保护MnPs不受活性自由基的破坏[34]。Fe3+正铁MnPFe4+Fe4+.Mn2+Mn3+RHR.+H+OMnPcpdⅠR-OOHH2O2H2OR-OHR-OHH2OMn3+Mn2+RHH++ROMnPcpdⅡ图1MnP催化反应机制[35]Fig.1MnPcatalyticreactionmechanism2.2木质素过氧化物酶（LiP）1990年Kent和Ming等首次从白腐真菌属的黄孢原毛平革菌(Phanerochetechrysosporium)的限制性培养基中发现了LiP，在木质素降解中起关键性作用。LiP也是一种血红素蛋白，它的活性中心与MnP近似，但却不含Mn2+。其分子中也有十条长的蛋白质单链,一条短的单链，其氨基酸顺序有43%与MnP相同。4Asgher[36]和Hirai[37]等研究表明LiP的糖基化亚铁血红素蛋白质通常以多种复合的形式产生，即含有多种同工酶，分子质量一般在37～50KD。经过纯化后的LiP的分子质量在40KD左右，等电点为3.5左右，最适酶活温度为35～55℃，最适pH为2.0~5.0[30,38,39]。LiP氧化还原电位为1.5V，在H202存在时，LiP能氧化分解芳香环多聚体,通过催化木质素侧链的Cα一Cβ链使其断裂从而降解木质素，被认为是木质素降解的关键酶之一。LiP的产生菌在自然界分布相当广泛，许多腐朽木材的白腐菌、褐腐菌都可以产生。LiP能催化木质素中富含电子的酚型或非酚型芳香化合物发生氧化，产生活性基团，然后发生一系列的非酶促裂解反应，实现对底物的部分氧化或彻底的氧化[40]，具体反应机制如下[41]:RRHFe4+Fe4+OOLiPLiPLiPRRHHOHO222ⅡⅠFe3++图2LiP的催化循环Fig.2CatalyticcycleofLiPLiP化合物I携带H202的两个氧化当量，一个为Fe4+-O中心，另一个形成卟啉的阳离子自由基。基质R被化合物I氧化成芳基阳离子自由基，然后通过一系列的非酶反应生成最终的产物。2.3漆酶（Lac）1883年，日本学者Yoshi首次从日本紫胶漆树(Rhusvemieittua)漆液中发现一种可催化漆固化过程的蛋白质，1895年，Bertrand将这种蛋白质命名为漆酶(Laccase)，随后人们研究发现它广泛存在于植物、昆虫和高等真菌中，甚至一些动物肾脏（如猪肾）和血清中也发现了漆酶。漆酶按其来源主要分为漆树漆酶（RhusLaccase）和真菌漆酶（FungalLaccase）两大类。在真菌中，漆酶广泛存在于担子菌（Baidimycetes）、多孔菌（Polyporus）、子囊菌（Asomycetes）、脉孢菌（Neurospora）和柄孢壳菌（Podospora）等中。