白腐菌选择性降解秸秆木质纤维素研究

第!"卷!第!期 #$$%年!!月! 华!中!科!技!大!学!学!报 !自然科学版" &’()*+,-./0.12’-3451’6785,’!9*:);84518.58<=1:1-." >-?’!"9-’! !@*;’!#$$% 收稿日期!#$$"BC#B#D’ 作者简介!王宏勋!CDEEB"#男#讲师$武汉#华中科技大学生命科学与技术学院 !"!$$E""’ !"#$%&%Q*./,-./F).!H*1?’,)N:’8=)’5. 基金项目!国家高技术研究发展计划资助项目 !#$$CMM#C"C%C"’ 白腐菌选择性降解秸秆木质纤维素研究 王宏勋!杜甫佑!张晓昱 !华中科技大学 生命科学与技术学院"湖北 武汉"!$$E"# 摘要!通过傅里叶变换红外光谱!Z7YK"分析和>*.4-8N:法测定木质纤维素含量#研究了三株不同种属白腐 菌WJ##LTC 和Me! 在A$=培养期中降解玉米秸秆木质纤维素的能力及规律’试验结果表明%三株白腐菌对 玉米秸秆木质纤维素的降解均具有一定的先后顺序和选择性#先降解半纤维素和木质素#再同时降解半纤维 素&纤维素和木质素$从降解比例来看#白腐菌对半纤维素和木质素具有很好的降解优势和降解选择性#A$= 时相对于纤维素的缓慢降解!降解率C!’!n"CD’Cn之间"#三株菌对半纤维素!降解率!#’Cn"""’Dn之 间"和木质素!降解率!!’Dn"AA’"n之间"降解更快#半纤维素的降解选择性可达$’"C"$’"D’ 关!键!词!白腐菌$傅里叶变换红外光谱$木质纤维素 中图分类号!\ICA!!文献标识码!M!!文章编号!C%ECB"AC#!#$$%"$!B$$DEB$" E(&(*)%?(2(;1$2$)%+,+0*+1,/)1$8&%;,+*(&&4&+/(378.%)("1+)04,;% W#&’B$&’O)&!;)F)($)!@,#&’!"#$() 53/)1$*)%W1-=8/;*=*:1-.-35-;.N:;*Q?1/.-58??)?-N8PG:,;88Q,1:8B;-:3)./1WJ##LTC*.=Me!Q*N N:)=18==);1./A$=*GN1.5)P*:1-.#*.=:,85-.:8.:*.=N:;)5:);85,*./8N-358??)?-N8#,8H158??)?-N8 *.=?1/.1.1.N)PN:*.58Q8;8=8:8;H1.8=:,;-)/,>*.4-8N:*.=Z-);18;:;*.N3-;H1.3;*;8=!Z7YK" NO85:;-N5-O15*.*?GN1N’7,8;8N)?:NN,-Q8=:,*:?1/.-58??)?-N8Q*N=8/;*=8=N8a)8.:1*??G*.=N8?85:128B ?GPG*??:,;88N:;*1.N’(8H158??)?-N8*.=?1/.1.Q8;8=85*G8=*.=N1H)?:*.8-)NP1-=8/;*=*:1-.-3 ,8H158??)?-N8#58??)?-N8*.=?1/.1.-55);8=’U,1:8B;-:3)./15-)?==8/;*=8,8H158??)?-N8*.=?1/.1.3*B 2-;*P?G*.=N8?85:128?G’K8?*:128:-=8/;*=*:1-.;*:8-358??)?-N8!C!’!n"CD’Cn"#:,-N8-3,8H158?B ?)?-N8!!#’Cn"""’Dn"*.=?1/.1.!!!’Dn"AA’"n"Q8;8,1/,8;#*.=:,8N8?85:1-.;*:1--3,8H158?B ?)?-N85-)?=;8*5,8=$’"C"$’"D’ 6(78+12/%Q,1:8B;-:3)./1$3-);18;:;*.N3-;H1.3;*;8=!Z7YK"$?1/.-58??)?-N8 >$,;L+,;M4,![85:’$L-??8/8-3[138451’6 785,’#()*+,-./0.12’-3451’6 785,’#U),*. "!$$E"#L,1.*’ !!木质纤维素的利用关键是去除其中的木质 素#如能选择性地去除木质素#对纤维素制备&生 物制浆&秸秆综合利用等方面均具有重要意义’白 腐菌对木质素及其衍生物具有独特的降解能力和 机制#其降解木质纤维素的过程比较复杂’近年 来#研究者们通过不同实验方法和手段#对白腐菌 的生物属性&降解特性及降解机制进行了深入研 究’C""(’本文通过 >*.4-8N:法测定三株白腐菌 对玉米秸秆降解不同时期的木质纤维素含量变 化#通过Z7YK分析样品中木质素&纤维素和半纤 维素三者特征谱带强度的相对变化#研究了三株 白腐菌对玉米秸秆的降解规律’ !!材料与方法 !’!!材料 白腐菌株由实验室筛选&保存#编号分别为 万方数据 WJ#!LTC 和Me!"其中WJ# 为侧耳属#7A-)C$E)+1 +I$!LTC 为多孔菌属#7$A(I$C)+1+I$!Me! 为香 菇属#*-&E"&)+1+I$’玉米秸秆来自武汉市郊’ !’"!方法 培养基’文献%A&的[@# 合成培养液略改动 为低氮高无机盐培养液#编号 [@$’酒石酸铵 CH[(微量元素CAH[(大量元素CAH[(>WC! H[!加水至培养液体积为A$H[!其中!酒石酸铵 ###’$/)[$为氮源!大量元素每 [ 含 #$/ ^(#JR"!C!’I/@/4R"*E(#R!C’$/L*L?# 和 $’%/9*L?!微量元素每[含$’!A/@.4R"* (#R!%$H/Z84R"*E(#R!CC$H/L-L?#* %(#R!%$H/d.4R"*E(#R!DAH/L)4R"* A(#R!%H/M?^ #4R"$#*C#(#R!%H/(!WR! 和%H/9*#@-R"*#(#R!>WC的质量浓度为 C$$H/)[’ 固体培养’每#A$H[瓶中准确称取玉米秸 秆粉I’A/!加入#CH[合成培养液!即得固体培 养基’灭菌!$H1.!每瓶按体积分数为C$n的接 种量接入菌种!#Al下静置培养’ 样品制备’每隔A=取经白腐菌降解的固体 发酵基质!C$Al烘干至恒重!即得样品’ 木质纤维素含量测定采用>*.4-8N:法%%&’ 降解木质纤维素的相对速率和选择性为 相对降解率 L #J)>$C$$n" 降解选择性 L#)6! 式中’J为纤维素#或半纤维素(木质素$的降解总 量"> 为原样品中纤维素#或半纤维素(木质素$的 总量"#为纤维素#半纤维素或木质素$的降解量" 6为木质纤维素的降解总量’ Z7YK分析测试’采用德国产 <\0Y9ReAA 型Z7YK红外吸收光谱仪进行测试’ "!结果与分析 "’!!木质纤维素含量变化 菌株WJ#!LTC 和Me! 均能降解玉米秸秆的 纤维素(半纤维素和木质素!但降解速率有所不 同’综合实验结果#图C$!A$=内WJ# 和 Me! 具 有相似的降解规律!而LTC 的降解情况略有不 同!且前A=内Me! 降解半纤维素比WJ# 和LTC 显著!A$=内!降解半纤维素和纤维素的量不多’ 前A=!WJ# 和Me! 降解玉米秸秆中半纤维素(木 质素较慢!对纤维素基本不降解"LTC 对基质中半 纤维素(木质素的降解较快!纤维素的含量因半纤 维素和木质素的快速降解而略有上升’第A""$= 的培养期间!WJ# 和 Me! 较快降解半纤维素(木 质素!纤维素有一定的降解但降解速度仍缓慢!之 后!木质素降解速率基本不变!而纤维素降解加 快!半纤维素降解速率明显降低"LTC 从第A=开 始!快速降解基质中半纤维素和木质素!在前"$= 中对纤维素降解很慢!之后开始快速降解纤维素’ 图C!综合实验结果 参数 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 总结如表C所示’可知!在整个培养 期间!相对于纤维素的缓慢降解#相对降解速率在 C!’!n"CD’Cn之间$!三株菌对半纤维素#相对 降解率在!#’Cn"""’Dn之间$和木质素#相对 降解率在!!’Dn"AA’"n之间$具有很好的降 解优势!对半纤维素的降解具有很好的选择性 #$’"C"$’"D$’ 秸秆基质中灰分的含量在降解过程中略有升 高’因为相对木质纤维素的降解!硅酸盐等出现积 累!使得灰分含量增加’ 表!!白腐菌降解玉米秸秆中木质纤 维素的评价#A$=$ 菌株 评价参数 纤维素 半纤维素 木质素 降解量)n E’$ I’% !’I WJ# 相对降解率)n CD’C !#’C !!’D 选择性 $’!% $’"" $’#$ 降解量)n "’I C$’% %’# LTC 相对降解率)n C!’! !D’# AA’" 选择性 $’## $’"D $’#D 降解量)n A’$ %’# !’D Me! 相对降解率)n CI’$ ""’D !"’I 选择性 $’!! $’"C $’#% "’"!降解过程Z7YK分析 "’"’!!玉米秸秆基质Z7YK分析%E& 未经白腐菌处理的玉米秸秆样品在"$$" "$$$5HcC波数段进行Z7YK红外扫描!结果如 图#所示’ *ID* !! 华!中!科!技!大!学!学!报#自然科学版$ ! 第!"卷 万方数据 图#!未经白腐菌降解玉米秸秆样品Z7YK图 "’"’"!菌株WJ# 降解样品Z7YK分析 图!显示了WJ# 降解玉米秸秆不同时期的 样品的 Z7YK 谱图’!"#$"!"!$5HcC!#D#C 5HcC!C%!A"C%A!5HcC!CAC"5HcC和C!#! 5HcC处谱峰相对强度的增强并向低波数移动!表 图!!WJ# 降解玉米秸秆不同时间的Z7YK图 明样品中碳水化合物"纤维素和半纤维素#$有机 羧酸和木质素在逐步分解!大分子的长键烃切断 成小分子的短键烃!木质纤维素中的环状结构逐 渐被裂解而成为链状化合物!从而使羟基$亚甲基 基团及羧基数量不断增加%CE#$5HcC谱峰相对 强度的增大!C%!A5HcC谱峰的出现及增强!以及 C%A!5HcC处谱峰的减弱!对比其他与碳水化合 物相关谱峰"C"%$5HcC!CC%$5HcC!C$AI5HcC 和IDI5HcC#的微小变化!说明玉米秸秆中木质 纤维素被部分分解!样品发生了明显的氧化降解 反应!其中LBR( 被氧化成羧酸和酮!基质中羧 酸和酮类物质增加%CAC"5HcC处谱峰相对强度 减弱!木质素中芳香环被裂解%C"$$5HcC谱峰在 前C$=较明显减弱!C$AI5HcC处尖峰减弱!C$A! 5HcC处尖峰变宽!说明纤维素和半纤维素被降解 和转化!但降解和转化得不多’ "’"’#!菌株LTC 降解样品Z7YK分析 LTC 降解玉米秸秆不同时期样品的Z7YK谱 图如图"所示’与纤维素和半纤维素相关的谱带 在C"%$5HcC!C"$$5HcC!CC%C5HcC!C$AI 5HcC和IDI5HcC处的相对强度前C$=变化不明 显!之后略有降低!C%!A5HcC处减弱的同时C%A! 5HcC处明显增强%C$=后C$AA5HcC处宽峰被分 成C$AE5HcC处和C$"I5HcC处两个峰%跟木质 素相关的CAC"5HcC!C!#!5HcC和C#"%5HcC处 特征谱峰在前C$=略有增强及C%!A5HcC处特征 谱峰的明显减弱!之后这些相关谱峰变化不明显% 其他的一些谱峰"如#D#C5HcC!CE#$5HcC! CA""5HcC和CC$%5HcC处等#变化不明显!其原 因可能在于!玉米秸秆是一种复杂天然基质!一些 特征谱峰被掩盖或者谱峰重叠!因此没有反应出 来!或反应不明显’ 图"!LTC 降解玉米秸秆不同时间Z7YK图 "’"’$!菌株Me! 降解样品Z7YK分析 Me! 降解玉米秸秆不同时期样品的Z7YK谱 图如图A所示!其结果与WJ# 降解的结果很相 似’C"$$5HcC处谱峰强度最先且较明显的减弱! CAC"5HcC处谱峰的减弱!C"%$5HcC!CC%$ 5HcC!C$AI5HcC和IDI5HcC处变化较少!说明菌 株Me! 最先利用易降解的小分子碳源"如可溶性 糖类#提供自身生长及降解活动的能量%纤维素和 半纤维素被降解和转化!但其降解和转化绝对量 不大!这与表C结果是一致的%与木质素相关谱峰 "C%!A5HcC!CAC"5HcC!C!#!5HcC和C#"% 5HcC处#强度的变化!说明木质素首先被 Me! 裂 解成小分子木素"或木素单体#!再被氧化降解!且 降解程度较大’ 图A!Me! 降解玉米秸秆不同时间Z7YK图 对比而言!菌株LTC 对木质素降解程度比菌 株WJ# 和Me! 略强"CAC"5HcC处谱峰强度的变 化#!这与试验中木质纤维素降解量测定的结果 "表C#也是一样的’ &DD&第!期 ! ! 王宏勋等’白腐菌选择性降解秸秆木质纤维素研究 !! 万方数据 #!讨论 本文结果显示!利用Z7YK分析和失重法可 较好地研究白腐菌降解木质纤维素的规律’从与 木质素相关谱峰"C%!A5HcC!CAC"5HcC!C!#! 5HcC和C#"%5HcC处等#的强度变化可见!三株试 验白腐菌都能较快降解木质素!先裂解木质素与 芳香环相连L$R键!将其裂解成小分子木素或 木素单体!再对单体进行氧化降解!且降解程度比 纤维素和半纤维素深!对木质素具有一定的选择 性"$’##"$’!%#和很好的降解优势"!!’Dn" AA’"n#’ 碳水化合物"纤维素和半纤维素#相关谱峰 "C"$$5HcC!CC%C5HcC!C$AE5HcC和IDI5HcC 处#及谱图指纹区"波数小于CA$$5HcC的区域# 的强度变化!结合木质素相关谱峰变化!以及纤维 素%半纤维素和木质素的含量变化规律!可初步推 知!白腐菌首先降解玉米秸秆中小分子碳源和半 纤维素!以提供菌丝生长及降解木质素的碳源和 能源!再降解半纤维素和木质素!然后同时降解纤 维素%半纤维素和木质素’在降解过程中!木质纤 维素大分子的长键烃被切断成小分子的短键烃! 环状结构逐渐被裂解而成链状化合物!羟基%亚甲 基基团及羧基数量不断增加!半纤维素和纤维素 被降解成小分子酸类"如葡萄糖酸类%乳酸等#或 脂类"葡萄糖酯类等#而被白腐菌直接利用’三株 不同种属白腐菌降解木质纤维素的化学机制一 致!即先将木质纤维素大分子氧化%裂解!再将所 得短链或单体"如小分子木素单体%愈创木基单体 等#氧化成小分子酸类%脂类等!整个降解是一个 氧化还原%非专一的过程’ 本研究仅对白腐菌在天然基质上降解的选择 性和次序进行了初步的研究!相关问题尚需进一 步深入研究’ 参 考 文 献 &C’J*.=8G*^ ^!J1:H*.PM&’Z7YKN:)=18N-3:,8 5,*./8N1. Q--= 5,8H1N:;G 3-??-Q1./ =85*G PG P;-Q.B;-:*.=Q,1:8B;-:3)./1&&’’Y.:8;.*:1-.*?W1-B =8:8;1-;*:1-.6W1-=8/;*=*:1-.!#$$!!A#(CACBC%$’ &#’_1?*;=1_!MP1N[!M.:,-.G<_L*NN’L*;P-.BC! LJ)@M4N-?1=BN:*:89@K*.=Z7BYKNO85:;-N5-OG -3Q--=58??Q*??P1-=8/;*=*:1-.&&’’<.+GH8 @1B 5;-P’785,.-?-/G!CDDA!CE(#%IB#EA’ &!’>*.8L (’7,8H-?85)?*;5-HO-N1:1-.-3?1/.1.1. NO;)58=85*G8=PG Q,1:8B;-:3)./1"J,*.8;-5,*8:8 5,;GN-NO-;1)H*.=7;*H8:8N28;N15-?-;#)N1./OG;-?B GN1NB_LB@4*.=:,8;H-5,8H-?GN1NQ1:,:8:;*H8:,G?B *HH-.1)H,G=;-F1=8&&’’Y.:8;.*:1-.*?W1-=8:8;1-;*B :1-.6W1-=8/;*=*:1-.!#$$#!AC(%EBEA’ &"’M.*/.-N:4<’[1/,:H15;-N5-O15=1*/.-N1N-3Q--= =85*G&&’’YMUM&-);.*?!CDDI!CD(C"CBC%E’ &A’谢!君!孙!迅!任!路!等’侧耳菌与粗毛栓菌在麦 草培养基中产生木质纤维素降解酶的研究&&’’生物 工程学报!#$$C!CE"A#(AEABAEI’ &%’_-8;1./( ^!>*.4-8N:J4’Z-;*/831P8;*.*?GN1N 04TMBMK4*/;15&@’’U*N,1./:-.(_-2 J;1.:! CDEC(!IEBADI’ &E’吴景贵!曾广赋!汪冬梅’玉米叶片残体腐解过程的 傅里叶变换红外光谱研究&&’’分析化学!CDDE! C#"#A#(C!DABC"$$’ *$$C* !! 华!中!科!技!大!学!学!报"自然科学版# ! 第!"卷 万方数据 白腐菌选择性降解秸秆木质纤维素研究 作者： 王宏勋， 杜甫佑， 张晓昱， Wang Hongxun， Du Fuyou， Zhang Xiaoyu 作者单位： 华中科技大学,生命科学与技术学院,湖北,武汉,430074 刊名： 华中科技大学学报（自然科学版） 英文刊名： JOURNAL OF HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY(NATURE SCIENCE) 年，卷(期)： 2006,34(3) 被引用次数： 16次 参考文献(7条) 1.吴景贵;曾广赋;汪冬梅 玉米叶片残体腐解过程的傅里叶变换红外光谱研究 1997(25) 2.Goering H K;Van Soest P S Forage fiber analysis USDA-ARS agric 1971 3.谢君;孙迅;任路 侧耳菌与粗毛栓菌在麦草培养基中产生木质纤维素降解酶的研究[期刊论文]-生物工程学报 2001(05) 4.Anagnost S E Light microscopic diagnosis of wood decay 1998 5.Vane C H The molecular composition of lignin in spruce decayed by white-rot fungi (Phanerochaete chrysosporium and Trametes versicolor) using pyrolysis-GC-MS and thermochemolysis with tetramethylammonium hydroxide[外文期刊] 2002(1) 6.Gilardi G;Abis L;Anthony E G Cass Carbon-13 CP/MAS solid-state NMR and FT-IR spectroscopy of wood cell wall biodegradation 1995 7.Pandeya K K;Pitmanb A J FTIR studies of the changes in wood chemistry following decay by brown-rot and white-rot fungi[外文期刊] 2003 引证文献(16条) 1.张祺玲.谢丙炎.谭周进.申可佳 微生物对植物化学成分的影响研究进展[期刊论文]-中国药业 2010(2) 2.范寰.梁军锋.赵润.张金凤.张洪生 不同碳氮源对复合木质素降解菌木质素降解酶系活力的影响[期刊论文]- 天津农业科学 2010(2) 3.范寰.梁军锋.赵润.张金凤.张洪生 碳氮比对复合木质素降解菌产酶活力和木质素降解能力的影响[期刊论文 ]-中国饲料 2010(14) 4.范寰.梁军锋.赵润.张金凤.张洪生 不同碳氮源对复合木质素降解菌木质素降解能力的影响[期刊论文]-天津 农业科学 2010(3) 5.范寰.梁军锋.赵润.张金凤.张洪生 复合木质素降解菌对麦秸降解及相关酶活的研究[期刊论文]-饲料研究 2010(6) 6.范寰.梁军锋.赵润.张金凤.张洪生 碳氮源对复合木质素降解茵木质素降解能力及相关酶活的影响[期刊论文 ]-农业环境科学学报 2010(7) 7.吴晴 白腐真菌及其漆酶的应用研究[期刊论文]-安徽科技 2010(3) 8.任克宁.牛岚.张福元 糙皮侧耳降解玉米秸秆木质素的研究[期刊论文]-饲料博览 2009(12) 9.吕世翔.王秋玉 白腐菌在木质纤维素降解中的应用进展[期刊论文]-森林工程 2009(4) 10.段亚冰.陈洋洋.康业斌 F1菌株对玉米秸秆木质素和纤维素降解能力的研究[期刊论文]-河南农业科学 2009(4) 11.张利萍.高慧 培养条件对白腐菌分泌漆酶的影响[期刊论文]-安徽农业大学学报 2009(2) 12.荆义.李杰.刘坦.刘敏 不同养分配比对侧耳菌降解玉米秸秆的研究及营养价值评定[期刊论文]-饲料工业 2008(9) 13.戴永鑫.王海宽.刘逸寒.路福平 白腐菌对秸秆中木质素生物降解的研究[期刊论文]-天津科技大学学报 2007(4) 14.李为.薛红蕾.王江丽.黄鹏羽.余龙江 湖南汝城模式分析及中国南方沼气能源产业发展对策[期刊论文]-中 国沼气 2007(4) 15.董文 秸秆的微生物降解研究现状[期刊论文]-科技信息（科学·教研） 2007(5) 16.朱洪龙.王力生.蔡海莹.解宜林.邹松阳.杨海 两种白腐菌降解油菜秸秆效果的研究[期刊论文]-安徽农学通 报 2007(8) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_hzlgdxxb200603029.aspx