木质纤维素种类对白腐菌降解选择性的影响

刘 波, 黄慧艳, 余洪波，张晓昱

木质纤维素种类对白腐菌降解选择性的影响

刘 波1, 黄慧艳2, 余洪波3，张晓昱3

（1. 武汉市粮油食品中心检验站，湖北 武汉 430021；2. 华中科技大学 武昌分校，湖北 武汉 430064；3. 华中科技大学，湖北 武汉 430074）

以杉木、垂柳和毛竹木质纤维素为对象，研究了木质纤维素种类对白腐菌Echinodontium sp.木质素降解选择性的影响。结果发现：在降解前期，Echinodontium sp.选择性降解三种基质木质素，纤维素降解率极低，但在培养后期，杉木纤维素降解率仍保持较低水平，但垂柳和毛竹基质纤维素降解显著增强，三种基质的木质素降解选择性出现很大差异。因此，不同基质上纤维素降解速度的差异是导致白腐菌木质素降解选择性差异的主要原因。

木质纤维素；白腐菌；降解选择性

白腐菌是一类可高效降解和转化木质纤维素的微生物。其中有一类白腐菌可以优先降解木质素，而保留纤维素等多糖物质，这种选择性的木质素降解模式为木质纤维素的生物处理提供了一个新的选择，近年来在生物制浆、生物炼制等领域受到广泛重视[1-2]。木质纤维素是由木质素、纤维素和半纤维素所组成的高分子聚合复合物，随来源不同其化学组成和结构具有很大差异。这种差异性往往对白腐菌的降解选择性产生影响，从而影响生物处理的效果，但对其产生的原因尚不清楚[3-4]。

杉木Cunninghamia lanceolata、垂柳Salix babylonica和毛竹Phyllostachys pubescence分别属于裸子植物、双子叶植物和单子叶植物，是我国特有的经济树种，广泛应用于当前木质纤维素工业[5-8]。从分类学角度来看，三者的木质纤维素组成和结构差异明显[7]。为明晰木质纤维素种类对白腐菌降解选择性的影响，本研究以这3种植物基质为对象，研究了选择性降解白腐菌Echinodontium sp.对不同木质纤维素的降解模式及差异，同时对于我国特有林木资源的生物处理也具有重要的指导意义。

1 材料与方法

1.1 菌株

白腐菌Echinodontium sp.，具有典型的木质纤维素选择性降解特征。

1.2 药品及仪器

（1）主要药品

常规药品均为国产分析纯：乙二胺四乙酸二钠、四硼酸钠、磷酸氢二钠、十二烷基硫酸钠、乙二醇乙醚、98%浓硫酸、十六烷基三甲基溴化铵。

（2）主要仪器分析天平(电子)：奥豪斯OHAUS-AR2130。G3砂芯漏斗、马福炉，常规微生物培养、生化分析及测试的仪器与设备。

1.3 菌种培养和基质降解

种子培养基：85%（m/V）玉米秸秆粉、2%（m/V）蔗糖、10%（m/V）麸皮粉、3%（m/V）棉籽壳、300%（V/V）蒸馏水。混匀，分装至90 mm平板中，每个平板分装4 g，121℃灭菌20 min。接种白腐菌Echinodontium sp.，于25℃条件下培养约10 d。

分别将已烘干的毛竹、垂柳和杉木茎秆木粉5.0 g放于125 mL三角瓶中，各加入蒸馏水10 mL、12.5 mL和15 mL，于121℃下灭菌20 min。每瓶接入直径为1 cm的Echinodontium sp.种子菌块2块，塑料膜封口且当菌丝长满三角瓶后将其倒置，以防止水分流失。未接种菌块的三角瓶作为空白。三角瓶置于25℃培养，分别于不同的培养时间 10、20、30、40、50、60、90、120 d 时取样，小心剥去木质纤维素基质表面的接种块，将降解物置60℃下烘干72 h至恒重，测取基质随培养时间的重量损失率（Weight Loss）。

1.4 木质素及纤维素降解率的测定

将降解样本粉碎为粒度40～60目。采用美国AOAC标准方法（1984），测定样本的ADF（酸性洗涤纤维）、NDF（中性洗涤纤维）、纤维素和Klason木质素的含量[9]。为评价木质素降解的选择性，定义木质素降解选择性指数为木质素降解率与纤维素降解率之比值。

2 结果与分析

2.1 Echinodontium sp.对不同木质纤维素的降解选择性

图1～3显示了Echinodontium sp.在不同时间对垂柳、杉木和毛竹木质纤维素的降解特征。

图1 Echinodontium sp.不同时间致毛竹、垂柳和杉木的重量损失率Fig. 1 Weight loss rates of moso-bamboo, weeping willow and China-fir caused by Echinodontium sp.

图2 Echinodontium sp.不同时间致毛竹、垂柳和杉木的纤维素降解率Fig. 2 Cellulose degradation rates of moso-bamboo,weeping willow and China-fir caused by Echinodontium sp.

图3 Echinodontium sp.不同时间致毛竹、垂柳和杉木的木质素降解率Fig.3 Lignin degradation rates of moso-bamboo, weeping willow and China-fir caused by Echinodontium sp.

降解前期，Echinodontium sp.在3种木质纤维素基质上均造成极低的纤维素降解率和较高的木质素降解率（降解30 d时Echinodontium sp.在毛竹、垂柳和杉木上引起的纤维素损失率分别为6.42%、0.89%和3.25%，木质素的损失率分别为18.98%、25.66%和24.04%），木质素降解的选择性指数分别为：28.8、7.4、3.0，对3种木质纤维素都表现为典型的选择性降解木质素模式，木质纤维素种类对白腐菌的选择性降解影响不大。

至降解中后期，Echinodontium sp.对3种木质纤维素基质的降解模式发生变化——对木质素的降解速率趋缓，而纤维素降解速率趋于增大。但三种基质上纤维素降解速率增大的程度彼此间差异很大：垂柳和毛竹基质上纤维素之降解速率增快显著，而杉木基质上纤维素的降解速率则未有明显增快。具体而言：至培养30 d后毛竹基质上的纤维素降解速率首先加快，至降解120 d Echinodontium sp.引起毛竹基质纤维素和木质素的损失率分别为31.43%和56.24%，即毛竹的纤维素损失率增加25.01%、木质素损失率增加37.26%（纤维素降解速率仍低于木质素降解速率）；降解40 d时垂柳基质上的纤维素降解速率也随后显著上升，至降解120 d引起垂柳基质纤维素和木质素的损失率分别为26.74%和47.22%，即垂柳基质上纤维素损失率和木质素损失率的增加分别为24.08%和18.73%（纤维素降解速率已高于木质素降解速率）。前述两种基质上纤维素与木质素的降解率均处于同一水平，故在降解中后期Echinodontium sp.对毛竹和垂柳基质的降解表现为“纤维素-木质素”同步降解模式。白腐菌于杉木基质上的纤维素降解速率在120 d的处理过程中一直未有显著变化，至降解120 d后，Echinodontium sp. 仅导致12.6%的纤维素损失率，而导致的木质素损失则为40.50%，可见木质素的降解率接近4倍于纤维素的降解率，降解过程依然表现为木质素选择性降解的模式。于是，降解前期选择性降解所有木质纤维素基质的Echinodontium sp.，在降解中后期对毛竹、垂柳和杉木的不同木质纤维素基质表现了选择性降解程度的明显差异。

可见，随培养时间延长，白腐菌选择性降解木质纤维素基质的模式可能发生改变。一些具有基质降解选择性的白腐菌种也表现有这一特征，即：经过较长时间的生物降解后，基质中纤维素的降解速率会突然增快，其结果为降解模式转变呈木质素和纤维素同步降解。例如典型的具有选择性降解特性的白腐菌种Ceriporiopsis subvermispora，其在降解Pinus radiata基质木质纤维素的前90 d内，基本未导致纤维素损失，而表现出明显的木质素降解选择性；随后Glucan降解呈突然增加，于是降解转变成同步模式[10]。

2.2 木质素和纤维素降解差异对降解选择性的影响

虽然在不同的基质上，木质素降解的速率有所差异，但图1 ～ 3显示：菌株Echinodontium sp.对毛竹、垂柳和杉木基质的木质素降解率均保持了较高水平，相较之下菌株引起的3类基质上的纤维素降解率彼此间差异则更为明显。特别是降解初期，对木质素的降解率均相似；在全降解过程中，3种基质的木质素降解速率也呈现大致相似的变化程度且均渐趋降低。故，白腐菌在不同木质纤维素基质上的木质素降解差异对其降解选择性影响甚小。

图1～3显示，白腐菌对不同基质的纤维素降解都呈现相似的现象：降解初始为低降解速率阶段，降解纤维素的速率远小于降解木质素的速率；之后，随培养时间的增加，进入高降解速率阶段，即纤维素降解速率可能增快至和木质素降解近似的水平甚而更高。但对不同白腐菌株和不同基质而言，纤维素起始高降解速率阶段的时间并不相同。对于Echinodontium sp.降解毛竹和垂柳基质而言，其纤维素直至生物处理的第30和40 d后才分别转变成高速率降解；杉木基质中纤维素的降解则一直保持低速率直至降解末期。因此，白腐菌在不同木质纤维素基质上的纤维素降解速率之差异，是影响其降解选择性的主要原因。

3 结 论

白腐菌Echinodontium sp.的降解选择性受到木质纤维素种类和降解时间的影响，在降解初期，在杉木、垂柳和毛竹基质上均表现出显著的选择性降解模式，但在降解后期，由于垂柳和毛竹基质中纤维素的降解率显著增强，选择性降解能力减弱，而杉木的纤维素降解率仍保持较低水平，从而产生了不同的降解模式。因此，不同基质上纤维素降解速度的差异是导致白腐菌降解选择性差异的主要原因。

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Effects of lignocellulose species on selective lignin-degrading ability of white rot fungus

LIU bo1, HUANG hui-yan2, YU hong-bo3, ZHANG Xiao-yu3
(1. Wuhan Central Inspection of Grain and Food, Wuhan 430021, Hubei, China;2. Wuchang Branch School, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430064, Hubei, China;3. Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei, China)

The effects of lignocellulose species on lignin-degrading selectivity during the biodegradation were investigated by taking the lignocellulose of Cunninghamia lanceolata, Phyllostachys pubescens and Salix babylonica as studying objects. The results show that at the prophase of degradation, the selective degradation rates of lignin and cellulose in China-fir, moso-bamboo and weeping-willow woods led by Echinodontium sp. were very low; however, the rates of cellulose degradation in weeping-willow and moso-bamboo increased rapidly after the 30th day, but the cellulose degradation rate in China-fir was still very low; the selective liginn-degrading ability of white rot fungus showed a difference in the three lignocellulose. Thus, the speed differences of lignin-degradation selectivity were proved to be related closely with the different increase of cellulose-degradation rate during the biodegradation.

lignocellulose; white rot fungus; degradation selectivity

S781.4; S781.52

A

1673-923X(2012)08-0108-04

2012-01-15

刘 波（1979—），男，湖北黄石人，硕士，工程师，主要从事生物化学分析及利用的工作与研究；

E-mail：huanyueyuji@sina.com

黄慧艳（1977—），女，湖南溆浦人，博士，讲师，主要从事木质纤维素生物降解研究；E-mail：hyhuang@mail.hust.edu.cn

[本文编校:邱德勇]