木质素降解微生物的研究进展

孙聪聪，宁维光，苏忠亮*

(1.青岛科技大学化工学院，山东 青岛 266000；2.青岛市农业科技服务中心，山东 青岛 266071)



木质素降解微生物的研究进展

孙聪聪1，宁维光2，苏忠亮1*

(1.青岛科技大学化工学院，山东 青岛 266000；2.青岛市农业科技服务中心，山东 青岛 266071)

利用微生物降解木质素生产有价值化学品的方法因优越的经济性和环保性逐渐受到人们重视。综述了木质素降解微生物(包括真菌和细菌)的研究进展，并对微生物降解木质素生产有价值化学品的现状进行了简单介绍。

木质素；微生物；降解；化学品

过去15年里全球对能源的需求量增加了50%[1]。随着化石燃料的日益匮乏，开发可再生能源意义重大。木质素是由相互关联的苯丙烷基团组成的酚醛杂聚复合物，能够提供部分性能优于传统化学品的氧化物，而且取材丰富(从非实用性植物到农业生产的下脚料)，能够满足生产力和生态标准的要求[2]，是打造生态经济的合适资源。

要想使木质素降解为单糖，必须先破坏植物原料的细胞壁，这是目前降解木质素的关键所在[3]。近年来，研究人员已经发现了多种可以降解木质素的微生物和方法[4]，使木质素通过微生物降解为葡萄糖确实可行。目前，能够降解木质素的微生物主要有真菌和细菌。其中真菌起主要作用，如木材腐朽菌(如代表子囊菌门的褐腐菌和代表担子菌门的白腐菌[5])具有分泌大量木质素降解酶的能力，是最受关注的降解木质素的微生物。一些细菌(如变形菌、放线菌、厚壁菌、少量蓝藻菌、拟杆菌及螺旋菌等[6])也具有降解木质素的能力。作者在此综述了木质素降解微生物的研究进展，并对微生物降解木质素生产有价值化学品的现状进行了介绍。

1 木质素降解的生物过程

考虑到木质素的芳香性，其完全降解的关键是克服它的稳定环结构的共振能量。Ryazanova等[7]对棘孢木霉MG-97/6降解木质素进行了研究，总结出木质素降解的生物过程如下：(1)脱甲氧基化和羟基化；(2)Cα-Cβ键的断裂和伯羟基氧化成羧基；(3)芳基环的断裂。木质素的降解主要由有氧真菌和细菌实现，许多古细菌也可通过有氧代谢的方式来降解木质素[8]。

2 木质素降解真菌的研究进展

真菌在木质素降解过程中的最终作用已得到阐明，包括从木质纤维素生物质生产乙醇的过程(确保有足够的发酵糖)、农副产品的生物转化过程和造纸过程中的生物漂白工序[9]。真菌在降解木质素的过程中能够将复杂多糖转化成单糖，提高反刍动物原料的营养品质[10]。

3 木质素降解细菌的研究进展

最近，有关木质素降解细菌的分离已有报道。Chen等[16]在竹腐蚀滑块的流体中培养丛毛单胞菌B-9，发现它们能够在木质素类衍生物中生长并且在7 d后降解高达0.9 g·L-1硫酸盐木质素；该菌可以将硫酸盐木质素作为唯一碳源，将它降解成小分子化合物，同时还能降低废水中的COD含量。这一发现对纸浆和造纸工业废水处理具有重大意义。Paliwal等[17]从造纸废水污染的土壤中分离出2种原始菌：巨大芽孢杆菌ETLB-1和假单胞菌ETLB-3，将它们固化在玉米芯中，7 d内造纸黑液中的木质素含量减少0.8 g·L-1。这得益于共固化技术的发展，使得更多木质素降解酶产生，从而提高了它们对造纸黑液的脱色能力。Mathews等[18]对比了2种从纸浆废液中分离出来的类芽孢杆菌，发现它们只有在无氧条件下才能降解木质素聚合物，而在空气中只有合适的类芽孢杆菌才能降解木质素聚合物。这表明一些细菌在降解木质素方面对氧气条件要求比较苛刻。

森林和农业土壤由于其高生物量衰变而经常含有大量的木质素降解菌。Yang等[19]从森林土壤中分离了2种链霉菌，它们都能够分泌漆酶和锰过氧化物酶，当把它们和白腐菌——糙皮侧耳菌共培养时，会在12 d内降解1.1 g·L-1木质素，并且能够获得一系列木质素分解产物，如苯酚和一系列破碎的酚类化合物。Taylor等[20]发现了12种能够降解硫酸盐木质素的细菌，主要属于放线菌和α-变形菌；在富含小麦秸秆木质素的林地土壤中培养时，能够形成包含硝化木质素的菌落；其中微杆菌A1.1和鞘脂杆菌T2在小麦秸秆木质素中培养时，能够将木质素降解成草酸和原儿茶酸等有价值的化学品。一些细菌对所降解的木质素种类有特殊的选择性，表明这些细菌细胞中可能存在能够识别木质素结构的某种分子[5]。

在过去几年里，对来自木质纤维素喂养生物的胃肠道菌落的研究已经取得了很大的突破。Fang等[21]对大熊猫粪便中的微生物菌群进行了系统进化分析，发现它们隶属于变形菌(53%)和厚壁菌(47%)；这些肠道微生物能够对木质素基团进行氧化降解，这为大熊猫在缺少木质素降解酶基因的情况下依然能够降解木质素做出了很好的解释。这一研究对提高大熊猫对竹子的消化能力和保护濒危物种具有重大意义。最近，Suman等[22]用愈创木基甘油-β-木醚作为木质素模型底物来筛选白蚁肠道中的木质素降解菌，14 d后，特布尔西氏菌对木质素的降解量高达0.1 g·L-1，而且还检测到几种木质素降解有机物。

4 微生物降解木质素生产有价值化学品的研究进展

生物炼制的概念在经济上是可行的。最近，Beckham等[23]总结了微生物降解木质素得到的几种有价值化学品(β-芳基乙醚、联苯、二芳基丙烷、松脂醇、苯基香豆素、阿魏酸和原儿茶酸等)的降解菌种类和降解策略。Kosa等[24]建立了利用油性细菌从木质素模型化合物中生产中性油脂的方法，发现混浊红球菌DSM1069能够在限氮源的条件下将木质素模型化合物转化成三酰基甘油。不但成功利用混浊红球菌DSM1069中的β-酮己二酸途径合成了对羟基苯甲酸酯和香草酸，而且还制备了它们的甲基酯并确定它们适于生物柴油的生产；并进一步研究了混浊红球菌DSM1069对溶于乙醇的木质素的分解代谢，发现和木质素模型化合物相比，它们是性能较差的底物[25]。

尽管微生物具有强大的芳香低聚物和单体降解能力，但其木质素降解活性较差。针对这一问题，研究者采用预处理木质素、混合降解等策略来提高微生物对木质素的降解能力。Wei等[26]研究了混浊红球菌DSM1069对碱氧化预处理过的硫酸盐木质素的降解，发现36 h内产生了高达0.07 g·L-1的油脂，这些油脂主要成分是棕榈酸(46.9%)和硬脂酸(42.7%)。有趣的是，Zhao等[27]最近研究了一种氧化生物代替方法，他们将混浊红球菌DSM44193和云芝中的漆酶成批混合培养，发现6 d内它们协同作用以硫酸盐木质素为底物，产生了0.14 g·L-1的油脂。和Fenton反应相比，漆酶的添加对木质素降解更为有效。通过普鲁士蓝实验对木质素进行量化和分子量分析发现，漆酶发酵产生的油脂是Fenton反应的17倍。

5 展望

目前，已经有多种可供选择的木质素降解微生物和降解方法，但在工业化实施前，必须评估并保证其经济可行性。因此，需要利用分子生物学和代谢工程设计出具有良好经济效益的技术路线和生产工艺。随着环境宏基因组[28]和下一代测序技术[29]的发展，必将促进目前尚未被发现的木质素降解微生物资源的挖掘和已发现的木质素降解微生物降解机理的研究。下一代测序技术和质谱分析法[30](结合高效液相色谱法及气相色谱法)的广泛应用对深入理解木质素降解微生物的蛋白质组学和代谢学具有重大意义。相信在不久的将来，随着生物技术的迅猛发展，木质素将带给人们更多有实用价值的化学品和日用品。

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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

国家自然科学基金资助项目(41471279)

2016-12-07

孙聪聪(1991-)，男，山东胶州人，硕士研究生，研究方向：生物制药，E-mail:771760365@qq.com；通讯作者：苏忠亮，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

孙聪聪，宁维光，苏忠亮.木质素降解微生物的研究进展[J].化学与生物工程，2017，34(4)：6-9.