木材腐朽检测及防治的研究进展

王立海,孙天用

(黑龙江省森林可持续经营与环境微生物工程重点实验室,哈尔滨 150040)

木材腐朽每年造成大量的木材资源流失,降低了木材的质量,严重影响木材的使用。为保护木材资源和合理地使用木材,人们对木材腐朽作了广泛而深入的研究。其中木材腐朽的检测和防治具有重要的现实意义,这方面的许多研究成果已经应用到实际,解决了木材生产、使用中的诸多问题。因此,本文选取了这两方面的内容,阐述了它们在近几十年的研究进展。

1 木材腐朽的成因

1.1 木材腐朽和木材腐朽菌

木材腐朽就是木材细胞壁被真菌分解时所引起的木材糟烂和解体的现象。能分解木材细胞壁的真菌为木材腐朽菌。木材细胞壁由纤维素、半纤维素、木质素和一小部分低分子物质组成,有的木材腐朽菌(以下简称木腐菌)只能分解纤维素、半纤维素,留下木质素,朽材显示红褐色,叫做褐腐(brown-rot);有的木材腐朽菌能同时分解木质素和纤维素,留下部分纤维素,朽材呈白色,叫做白腐 (white-rot)。褐腐后的朽材易粉碎解体,白腐后的朽材富于弹性,不易粉碎解体。木腐菌广泛分布于林区和使用木材的场所,造成大量木材损失。为便于木材腐朽的研究,国内外的研究人员对木腐菌的分类和分布做了大量的调查、统计工作。Lloyd是美国早期的多孔菌分类学家,在他的著作Index of the Mycological Writings(1912～1922)中记载了大量的多孔菌;Ryvarden是挪威当代著名的多孔菌分类学家,他与Gilbertson两人所著的North American Polypores(1986～1987)一书中详细记录了北美100多种多孔菌,并对每种做了简短评论,为多孔菌的分类研究提供了极其宝贵的参考资料[1]。我国的研究人员对国内大片林区的木腐菌的分布、分类作了总结。邓叔群、赵继鼎、戴玉成等人对中国木腐菌的系统分布和分类做出了重要的贡献。除了这些总结性的报道外,近些年还陆续有新的病原腐朽菌的报道[2-7]。这些报道丰富了人们对木材腐朽的认识,为活立木腐朽的防治提供了依据。而人们对病原腐朽菌的鉴定是以木腐菌的现代分类学观点为根据的,可见木腐菌的系统分类学的发展对于人们研究木材腐朽是至关重要的,因为木腐菌对木材细胞壁的分解是木材腐朽的本质。

1.2 木材腐朽的过程和方式

木材腐朽是一个较缓慢的过程,是多种微生物协同作用的结果。在早期会有一些非木腐菌类的先驱微生物侵染木材,然后是木腐菌的侵染并定居,木材腐朽就进入稳定发展的阶段。随着一些新的检测仪器、检测方法的使用,如电子显微镜、磁谐振成像技术等,人们对木腐菌分解木材的过程和方式进行了更深入的研究。

1.2.1 木材腐朽的微观解剖学特征

在光学和电子显微镜下可以观察到木腐菌分解木材时木细胞的变化过程,即木材腐朽的微观解剖学特征。Erwin et al.(2008)观察了从淡红色梅蒂树 (light red meranti)的活立木上取下的木材在腐朽过程中的微观解剖学特征,通过他的描述我们可以从细胞层面上感知木细胞被分解的过程。比如在腐朽的初期,可以看到木细胞纹孔 (pit apertures)的边缘被腐蚀而扩大,细胞壁上没有纹孔的部分因腐蚀而形成孔洞,还有一部分细胞壁只受到轻微腐蚀。担子菌的菌丝体在细胞腔内繁殖并通过孔洞、纹孔穿过细胞[8]。不过人们对木材腐朽的认识并没有停留在细胞层面上,而是将其深入到了分子水平。

1.2.2 木材细胞壁成分的降解

从分子水平上研究木材腐朽的过程,就是弄清木材细胞壁各成分在降解过程中的分子变化情况。在木材细胞壁的成分中,木质素的分子结构比纤维素要复杂得多,性状十分稳定,难以为一般的微生物所分解,某些白腐菌可以彻底的分解木质素,把复杂的木质素高分子一直降解成CO2和水[1]。白腐菌分解木质素的能力很强,此外一些生活在土壤中的 Deuteromycetes具有中等降解木质素的能力[9]。人们对纤维素、半纤维素的降解已经弄清楚了,而对木质素的降解还有很多疑问。有关木质素的研究吸引了全世界的人们,相关的文章时有发表。美国科学家Kirk、Blanchette等人在木质素的降解机制方面做了大量的研究工作,并对木质素降解过程中其分子结构的变化做出了一定的推测。我国池玉杰也对此进行了研究,并分析认为对木质素的降解主要是存在于侧链上[10-11]。这些研究得益于检测木质素降解产物的技术方法的发展。用于分析木质素降解产生的芳香族化合物的方法有气相色谱法(GC)、质谱分析法(MS)、高效液相色谱法(HPLC)和等速电泳法 (ITP)等[12]。毛细管电泳法(CE)被证明适合于对木质素代谢产物中的酚类化合物进行检测和描述[13]。随着研究的进行,越来越多的技术方法被用来分析木质素的代谢产物。王晓霞等(2003)将用于分析酚酸类化合物的方法分为光度法、毛细管电泳法、色谱分析法、电化学分析法、流动注射分析法和其他分析法。方法的多样化使人们掌握了探索未知的强有力工具,极大地推动了对木质素降解机制的认识[14]。

2 木材腐朽的检测

2.1 腐朽的发生和类型的检测

木材的腐朽分为白腐和褐腐两种类型,它们对木材造成的损害有所不同。在腐朽的中后期,白腐的朽材呈纤维状,褐腐的朽材呈碎粒状。快速、准确的检测出木材是否腐朽及腐朽的类型可以为木材的及时保护和合理利用提供参考,具有重要的现实意义。杨忠等 (2007)尝试利用近红外光谱和SIMCA方法来检测木材的生物腐朽。结果表明,该方法能有效的判别木材的生物腐朽类型。通过培训集样本建立的基于PCA分析的SIMCA判别模型对未知腐朽类型的样本(包括未腐朽、白腐和褐腐样本)进行判别,准确率分别为100%、85%和100%,对白腐错判的主要原因可能是样本包括的信息不够丰富以及腐朽初期白腐和褐腐试样的性质差异太小等。与上面的方法相比,近红外光谱结合PLS-DA法对木材生物腐朽样本的判别准确率更高,对未腐朽、白腐和褐腐3种类型样本的判别准确率均为100%[15-16]。张爱珍等 (2010)利用木材的应力波频谱和支持向量机自动判断木材是否有腐朽及腐朽发生的位置。实验结果表明,该方法速度快、准确率高,可以推广到实际应用[17]。还有一些化学检测法可以判明木材的初期腐朽,如指示剂法、染色荧光法等。

2.2 腐朽程度、缺陷形状和位置的检测

检测木材腐朽程度、缺陷形状和位置的方法可分为有损检测和无损检测两种。有损检测法相对于无损检测法较少,常用的是木材阻力仪。木材阻力仪是德国Rinntech公司开发的一种木材内部材质检测仪器,利用微型钻针在电动机驱动下以恒定速率钻入木材内部,产生的相对阻力的大小反映出密度的变化,通过微机系统采集钻针在木材中产生的阻力参数并计算后,显示出阻力曲线图像。在测定过程中,钻针在木材上只钻出孔径3 mm左右,属于微损检测技术。应用木材阻力仪结合木材学知识可以判断出木材内部腐朽、裂纹、虫蛀等具体状况。阻力仪的检测结果受多种因素的影响,如材种、含水率、密度、虫害等,并且密度与阻力值显著相关[18-19]。

木材无损检测技术是在20世纪60年代后逐步兴起的对木材性质进行非破坏性检测的技术。能够检测出木材内部腐朽状况的无损检测法主要有X射线法、应力波检测法和超声波检测法。

X射线检测原木内部缺陷的原理是:射线通过被检物体时,有缺陷部位与无缺陷部位对射线吸收能力不同,因此射线穿过后衰减程度存在差异,最终得到不同程度的射线[20]。我国在20世纪70年代末期开始应用X射线检测方法对木材缺陷检测进行试验性研究。青郁等(1983)研制了X光电视检测系统,检测结果良好,可以检查出漏节、空洞、裂纹、夹皮等缺陷[21]。目前已经产生了多种X射线检测法,美国、芬兰、日本等国的林业研究人员都相继报道了在木材检测上应用X射线检测技术。但是由于该设备成本较高,需要保护措施,所以基本上处于实验室研究阶段[22]。

应力波检测是利用应力波通过被测材料的速度与被测材料密度以及弹性模量的物理关系所建立的测试技术。1988年,Ross等研究得出木材的弹性模量E与应力波速度v和木质材料密度ρ之间存在关系E=v2ρ。他们认为通过测定应力波传播速度可以确定木质材料的弹性模量[23]。杨学春等(2005)研究红松木材结构缺陷对应力波传播参数的影响发现:应力波传播时间与孔径大小、数量呈正相关[24]。Arbotom应力波测试仪可对原木内部腐朽进行较准确的测量,有研究表明:使用12个传感器就可以对原木腐朽进行精确测量[25]。应力波检测仪不需使用耦合剂,携带方便,因此应用广泛,不足之处是容易把细小开裂指示为小面积腐朽,显示严重腐朽和空洞的颜色区别不大,还需要借助于其他方法来进一步确认。

超声波检测的基本原理是超声波产生声脉冲进入被检测材料中,经过穿透、反射、衰减后被另一端的传感器收集,通过提取不同信号参数并进行处理,进行材料性质预测。比如利用传播时间、能量峰值、频率等参数,检测板材的表面、结构缺陷,或者评价木制品的开裂和老化。超声波技术在20世纪70年代末得到发展,80年代中期应用于木材检测。Tiitta等采用贝叶斯(Bayes)理论,K-近邻方法(K-nearest Neighbor)和神经网络方法(Neural Network)研究了应用超声波检测木材腐朽,发现3种方法都能很好地检测腐朽情况,检测小面积腐朽的有效性分别为79%,79%和75%[26]。杨慧敏等(2005)对不同孔径空洞的木材试件的超声波功率谱进行了分析,发现谱峰位置和高度随木材空洞的大小而有所不同,利用该方法可实现木材空洞缺陷的无损检测[27]。进一步的研究表明,频谱分析能发现孔洞缺陷的大小和孔洞个数的变化规律,但对缺陷的位置区分不明显[28]。超声波检测技术易受外界的干扰,而且传感器与被测材料间一般需要耦合剂的介入以保证良好的接触。除此之外,由于超声波本身频率的局限性,其对木材各种缺陷的敏感度也不尽相同,这些缺点使该方法的使用受到限制[29]。

应力波检测、超声波检测和X射线检测等无损检测法能检测出木材内部腐朽的详细信息,并且不对木材造成损害,是木材腐朽检测的主流方法。但它们各有缺点,需要在多个方面加以改进。在检测设备上,应力求操作简单,小巧轻便,利于野外作业,提高工作效率;在数据的采集和处理上应提高数据采集时系统的抗干扰能力和数据处理时辨别隐含信息模拟实际状况的能力,提高检测的灵敏度的和准确性。

2.3 腐朽病原菌的鉴定

在研究木材腐朽时,常常需要鉴别出引起腐朽的病原菌。形态学鉴定方法是人们常使用的一种方法。近些年,出现了一种新的鉴别腐朽病原菌的方法——分子生物学法。这种方法首先提取侵染木材的真菌的rDNA ITS序列,然后用引物对其进行PCR扩增,这样可以得到一段DNA序列,然后登陆Genbank,对目的序列进行BLAST比对,这样进行比较分析后,再对序列进行编辑,构建系统发育树,最终可以鉴别出侵染木材的病原菌。Alba Zaremski et al.(2005)将从腐朽木中获得的木腐菌的DNA序列与从培养的纯净木腐菌中获得的DNA序列进行了比较,结果二者表现出100%的同一性,PCR扩增产物片段平均大小为412 bp,因此确定了这种方法用于不同木材和木腐菌的可行性。高国平等 (2010)用分子生物学法确定一种刺槐心材腐朽菌属于卧孔菌属 (Perenn iporia)真菌,并用形态学鉴定方法确定它是槐生多年卧孔菌(P.robinioph ila(Murr.)Ryv.)。这个例子证实了分子生物学法的可靠性。Erwin et al.(2008)在鉴定淡红色梅蒂树 (light red meranti)朽木上分离到的一种木腐菌时也用了这种方法,并确定菌种为裂褶菌 (Schizophyllum commune)[8,30-31]。运用分子生物学法在提取材料的DNA序列时过程较复杂,但后面的工作由软件完成,方便简单。这种方法无需观察就可得到结果,即使是形态相近的菌种也可辨别开来,因此具有很好的使用前景。

3 木材腐朽的防治

3.1 木材防腐技术

针对活立木的腐朽,人们早就提出一些切实可行的措施,如及时伐去发病严重的树木;用消毒的刀削除树干上的幼小子实体,烧毁或深埋;用150～200倍液的硫酸铜或砒化钠水溶液注入病部的心材或子实体的边材处等。对于砍伐下来的木材,可用干存法、湿存法或水存法保存,也可以给木材涂上化学试剂以防止腐朽。实际中使用的方法主要是化学防腐试剂。为了更有效、更持久的防治木材腐朽,人们对可抑制木材腐朽的试剂做了各种各样的研究。有人研制人工制造的化学试剂并进行实验评估,如Bostjan Lesar et al.(2010)比较了5种蜡乳浊液改善木材耐久性和吸着性的效果,发现聚乙烯(Polyethylene)和氧化聚乙烯蜡 (Oxidized Polyetylene Wax)是最有效的两种试剂。它们增强了木材的耐久性,减少了木材的吸水,从而减轻了木材的腐朽[32]。也有人从木材里发现了天然抑制腐朽的提取物。在核桃楸 (Juglans mandshurica,又名胡桃楸)的树皮中有一种叫做胡桃醌(Juglone)的物质,最初人们并没有发现它与木材防腐有什么关系,只是用核桃楸青皮治疗某些癌症。1987年张野平等用实验证明了胡桃醌具有抗肿瘤活性[33]。2009年Dongmei Yang et al.从核桃楸 (Juglans mandshurica)的树皮中提取出比以前多出许多的胡桃醌 (Juglone)物质,并让它与6种木腐菌混合,结果它很好的抑制了其中的4种木腐菌的生长。因此Dongmei Yang et al.认为它有望成为一种天然的木材保护试剂[34]。另外生物防腐法也已经兴起。生物防腐法就是利用腐朽木材的真菌、细菌间的抑制拮抗作用控制木材腐朽。早在20世纪60年代,人们就已经发现了这种拮抗作用[35-36]。随着时间的推移,人们对它的认识越来越清晰。K.R.Cease et al.(1989)用电子显微镜观察了Scytalidium和白腐菌间的相互作用,发现在相互作用的区域,有大量的白腐菌菌丝体把木质部细胞隔开,在横向切片上,那些聚集着菌丝体的区域呈圆形。结果是3种Scytalidium显著抑制了7种担子菌的生长[37]。早期腐朽木材的真菌和晚期腐朽木材的真菌之间也有相互促进或抑制的作用,如被Stereum hirsutum腐朽后的山毛榉木材会对大多数木材腐朽晚期的真菌产生拮抗作用,即降低它们的扩展速度、延迟它们的生长或完全抑制住它们的生长[38]。有人从芽孢杆菌 (Bacillus)中筛选能够控制木材软腐菌的菌种,在受到芽孢杆菌影响的软腐菌菌丝体上观察到原生质球 (Spheroplast)的形成[39]。筛选合适的木材保护性或防治性益菌以及相应的应用技术的开发是木材生物防腐法成功的重要因素,但最终决定于人们对木材内部生物间作用机制的认识和了解。生物防腐法不污染环境,对人体无害,因此受到世界的重视。美国、加拿大、新西兰以及欧洲的许多国家都相继开展了这方面的研究,在未来,它有可能会取代传统的化学防腐法或与之结合[40]。

3.2 环境对木材腐朽的影响

国内外关于环境对木材腐朽的影响方面的研究相对较少。弄清环境与木材腐朽的关系,将有助于利用环境因素控制木材尤其是活立木的腐朽。鞠国柱等 (1979)在研究红松根朽病时,通过调查统计发现,病害的发生阳坡重于阴坡,山中、下腹重于上腹,低凹潮湿的林地病重。分析认为阴坡温度较低,限制了病菌的生长发育,致使阴坡发病率较低;山上腹一般干燥,土壤水分少,不利于病菌活动,因此发病也较轻。所以根朽病的发生主要与林分地形、土壤水分有直接关系[41]。这是对活立木进行观察、统计得到的结果。国外的一些研究采用加工后的木块、木屑等作为实验材料,对环境与木材腐朽的关系进行了更为细致的研究。在木材腐朽期间影响木腐菌活性的因素有木材含水率、氧气浓度、酸度、温度和营养物浓度,尤其是N元素的浓度。因此木材腐朽的发展也受制于这些因素。不过对这些因素的研究大部分是在腐朽的中后期进行的。Van der Wal et al.(2007)研究了木材腐朽前期的情况。他用小木块、木屑做实验,发现预先给它们补充N会使初期腐朽中的木腐菌的生物量和活性提高,小木块和木屑的腐朽加剧。但是前人的研究与这一结果并不都是一致的,N元素对木材腐朽初期影响的机制还没有弄清楚[42]。Grizelle Gonzalez et al.(2008)研究了欧洲山杨木材在北方地区、温带和热带地区的腐朽情况,得出结论,林区湿度是影响木材腐朽的一个很重要的因素。在北方林区和温带林区,潮湿的林分内的木材腐朽量比干燥林分内的多很多。而在热带林区,情况刚好相反,这可能是热带林区的其他因素造成的。另外,热带林区的木材腐朽明显比北方和温带林区的严重。Grizelle Gonzalez et al.认为木腐菌所受外界影响的不同、热带林区生活在木材上的昆虫和白蚁造成了这种不同[43]。目前人们对木材腐朽与环境的关系的认识还很不全面,对实验中发现的现象也不能做出确定的解释,因此需要人们展开更多、更细致的研究,从多个角度探索环境影响木材腐朽的机制。

4 结 论

木材腐朽是由真菌分解木材细胞壁造成的,目前对细胞壁成分之一——木质素的降解机制还不是很清楚。木材腐朽检测技术和木材防腐技术在近几十年得到了快速发展。检测技术的快速发展是其他领域技术引入的直接结果。近红外光谱结合PLS -DA法能准确判断出木材样本的腐朽类型;采用应力波频谱和支持向量机的检测方法可以实现对木材是否腐朽及腐朽发生的位置的快速准确的判断。这两种方法有望在实际中推广使用,它们能及早地发现木材的腐朽,为木材的合理利用和防腐提供参考。应力波检测、超声波检测和X射线检测等无损检测法能检测出木材内部腐朽的详细信息,并且不对木材造成损害,是木材腐朽检测的主流方法。但它们各有缺点,需要在多个方面加以改进。在检测设备上,应力求操作简单,小巧轻便,利于野外作业,提高工作效率;在数据的采集和处理上应提高数据采集时系统的抗干扰能力和数据处理时辨别隐含信息模拟实际状况的能力,提高检测的灵敏度和准确性。分子生物学法用于鉴别腐朽病原菌具有很好的发展前景。在木材防腐领域,生物防腐法因环保无污染而越来越受到重视,未来可能会取代化学防腐法或与之结合。筛选合适的木材保护性或防治性益菌以及相应的应用技术的开发是木材生物防腐法成功的重要因素,但最终决定于人们对木材内部生物间作用机制的认识和了解。为提高木材尤其是活立木腐朽的防治水平,有必要研究环境与木材腐朽的关系,这方面还需做大量工作。

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