木質素降解微生物的研究進展

孫聰聰，寧維光，蘇忠亮*

(1.青島科技大學化工學院，山東 青島 266000；2.青島市農業科技服務中心，山東 青島 266071)

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木質素降解微生物的研究進展

孫聰聰1，寧維光2，蘇忠亮1*

(1.青島科技大學化工學院，山東 青島 266000；2.青島市農業科技服務中心，山東 青島 266071)

利用微生物降解木質素生產有價值化學品的方法因優越的經濟性和環保性逐漸受到人們重視。綜述了木質素降解微生物(包括真菌和細菌)的研究進展，并對微生物降解木質素生產有價值化學品的現狀進行了簡單介紹。

木質素；微生物；降解；化學品

過去15年里全球對能源的需求量增加了50%[1]。隨著化石燃料的日益匱乏，開發可再生能源意義重大。木質素是由相互關聯的苯丙烷基團組成的酚醛雜聚復合物，能夠提供部分性能優于傳統化學品的氧化物，而且取材豐富(從非實用性植物到農業生產的下腳料)，能夠滿足生產力和生態標準的要求[2]，是打造生態經濟的合適資源。

要想使木質素降解為單糖，必須先破壞植物原料的細胞壁，這是目前降解木質素的關鍵所在[3]。近年來，研究人員已經發現了多種可以降解木質素的微生物和方法[4]，使木質素通過微生物降解為葡萄糖確實可行。目前，能夠降解木質素的微生物主要有真菌和細菌。其中真菌起主要作用，如木材腐朽菌(如代表子囊菌門的褐腐菌和代表擔子菌門的白腐菌[5])具有分泌大量木質素降解酶的能力，是最受關注的降解木質素的微生物。一些細菌(如變形菌、放線菌、厚壁菌、少量藍藻菌、擬桿菌及螺旋菌等[6])也具有降解木質素的能力。作者在此綜述了木質素降解微生物的研究進展，并對微生物降解木質素生產有價值化學品的現狀進行了介紹。

1 木質素降解的生物過程

考慮到木質素的芳香性，其完全降解的關鍵是克服它的穩定環結構的共振能量。Ryazanova等[7]對棘孢木霉MG-97/6降解木質素進行了研究，總結出木質素降解的生物過程如下：(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)芳基環的斷裂。木質素的降解主要由有氧真菌和細菌實現，許多古細菌也可通過有氧代謝的方式來降解木質素[8]。

2 木質素降解真菌的研究進展

真菌在木質素降解過程中的最終作用已得到闡明，包括從木質纖維素生物質生產乙醇的過程(確保有足夠的發酵糖)、農副產品的生物轉化過程和造紙過程中的生物漂白工序[9]。真菌在降解木質素的過程中能夠將復雜多糖轉化成單糖，提高反芻動物原料的營養品質[10]。

3 木質素降解細菌的研究進展

最近，有關木質素降解細菌的分離已有報道。Chen等[16]在竹腐蝕滑塊的流體中培養叢毛單胞菌B-9，發現它們能夠在木質素類衍生物中生長并且在7 d后降解高達0.9 g·L-1硫酸鹽木質素；該菌可以將硫酸鹽木質素作為唯一碳源，將它降解成小分子化合物，同時還能降低廢水中的COD含量。這一發現對紙漿和造紙工業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內造紙黑液中的木質素含量減少0.8 g·L-1。這得益于共固化技術的發展，使得更多木質素降解酶產生，從而提高了它們對造紙黑液的脫色能力。Mathews等[18]對比了2種從紙漿廢液中分離出來的類芽孢桿菌，發現它們只有在無氧條件下才能降解木質素聚合物，而在空氣中只有合適的類芽孢桿菌才能降解木質素聚合物。這表明一些細菌在降解木質素方面對氧氣條件要求比較苛刻。

森林和農業土壤由于其高生物量衰變而經常含有大量的木質素降解菌。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氧化物酶，當把它們和白腐菌——糙皮側耳菌共培養時，會在12 d內降解1.1 g·L-1木質素，并且能夠獲得一系列木質素分解產物，如苯酚和一系列破碎的酚類化合物。Taylor等[20]發現了12種能夠降解硫酸鹽木質素的細菌，主要屬于放線菌和α-變形菌；在富含小麥秸稈木質素的林地土壤中培養時，能夠形成包含硝化木質素的菌落；其中微桿菌A1.1和鞘脂桿菌T2在小麥秸稈木質素中培養時，能夠將木質素降解成草酸和原兒茶酸等有價值的化學品。一些細菌對所降解的木質素種類有特殊的選擇性，表明這些細菌細胞中可能存在能夠識別木質素結構的某種分子[5]。

在過去幾年里，對來自木質纖維素喂養生物的胃腸道菌落的研究已經取得了很大的突破。Fang等[21]對大熊貓糞便中的微生物菌群進行了系統進化分析，發現它們隸屬于變形菌(53%)和厚壁菌(47%)；這些腸道微生物能夠對木質素基團進行氧化降解，這為大熊貓在缺少木質素降解酶基因的情況下依然能夠降解木質素做出了很好的解釋。這一研究對提高大熊貓對竹子的消化能力和保護瀕危物種具有重大意義。最近，Suman等[22]用愈創木基甘油-β-木醚作為木質素模型底物來篩選白蟻腸道中的木質素降解菌，14 d后，特布爾西氏菌對木質素的降解量高達0.1 g·L-1，而且還檢測到幾種木質素降解有機物。

4 微生物降解木質素生產有價值化學品的研究進展

生物煉制的概念在經濟上是可行的。最近，Beckham等[23]總結了微生物降解木質素得到的幾種有價值化學品(β-芳基乙醚、聯苯、二芳基丙烷、松脂醇、苯基香豆素、阿魏酸和原兒茶酸等)的降解菌種類和降解策略。Kosa等[24]建立了利用油性細菌從木質素模型化合物中生產中性油脂的方法，發現混濁紅球菌DSM1069能夠在限氮源的條件下將木質素模型化合物轉化成三酰基甘油。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；并進一步研究了混濁紅球菌DSM1069對溶于乙醇的木質素的分解代謝，發現和木質素模型化合物相比，它們是性能較差的底物[25]。

盡管微生物具有強大的芳香低聚物和單體降解能力，但其木質素降解活性較差。針對這一問題，研究者采用預處理木質素、混合降解等策略來提高微生物對木質素的降解能力。Wei等[26]研究了混濁紅球菌DSM1069對堿氧化預處理過的硫酸鹽木質素的降解，發現36 h內產生了高達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，發現6 d內它們協同作用以硫酸鹽木質素為底物，產生了0.14 g·L-1的油脂。和Fenton反應相比，漆酶的添加對木質素降解更為有效。通過普魯士藍實驗對木質素進行量化和分子量分析發現，漆酶發酵產生的油脂是Fenton反應的17倍。

5 展望

目前，已經有多種可供選擇的木質素降解微生物和降解方法，但在工業化實施前，必須評估并保證其經濟可行性。因此，需要利用分子生物學和代謝工程設計出具有良好經濟效益的技術路線和生產工藝。隨著環境宏基因組[28]和下一代測序技術[29]的發展，必將促進目前尚未被發現的木質素降解微生物資源的挖掘和已發現的木質素降解微生物降解機理的研究。下一代測序技術和質譜分析法[30](結合高效液相色譜法及氣相色譜法)的廣泛應用對深入理解木質素降解微生物的蛋白質組學和代謝學具有重大意義。相信在不久的將來，隨著生物技術的迅猛發展，木質素將帶給人們更多有實用價值的化學品和日用品。

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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

國家自然科學基金資助項目(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.木質素降解微生物的研究進展[J].化學與生物工程，2017，34(4)：6-9.