真菌与木质素降解：白腐菌的生物化学奇迹及其在环境污染治理中的应用

引言

自然界中，真菌作为一类独特的生物体，不仅在生态系统中扮演着至关重要的角色，也在人类社会的多个领域展现出不可小觑的价值与潜力。它们以其独特的生活方式和强大的酶系统，对有机物质进行降解，这一过程不仅促进了自然界的物质循环，也为人类提供了一种处理环境污染的绿色途径。特别是在木质素的生物降解方面，白腐菌的木质素降解能力尤为突出，成为了科学研究的焦点。本文旨在深入探讨真菌尤其是白腐菌的降解机制，阐述其在环境治理中的应用，展现真菌作为生物催化剂的独特魅力。

真菌的双重角色与特殊代谢

真菌的代谢机制与众不同，它们通过胞外酶的分泌来预先分解复杂的有机物质，再将其吸收利用。这种特殊的降解方式使得真菌既能够成为破坏木材、纤维和食品的“破坏者”，也能在发酵工业和酿造业中担当重要角色，体现出其在经济活动中的实用价值。真菌还具备积累重金属的特性，这在处理环境中的重金属污染方面展现出潜在的应用潜力。

木质素及其降解菌

1、木质素的结构与生物降解特点

木质素是一种杂聚物，以类苯丙烷基（phenylpropanoid）为结构单元，靠多种共价键方式连接，形成一种不溶于水、异质、高度分支的三维网状大分子。由于木质素的结构非常特殊，所以可以抵抗大多数微生物的攻击，只有少数丝状真菌特别是白腐菌可以将木质素氧化。从木质素的结构上看，生物降解的酶系应当有以下特点：

①非特异性木质素结构组分和连接键类型的多样性，意味着破坏它们的降解反应的机制不可能是特异性的。

②非水解性木质素的骨架中并不存在可以水解的键，稳定的C-C键和醚键结构不能产生水解反应，只能以其他特殊方式发生降解。

③胞外性木质素分子量大，不溶于水，不会进入细胞内进行降解。

2、木质素降解菌

可以降解木质素的微生物种类不少，在这些微生物中有许多是腐烂木材的真菌，已经知道腐烂木材的真菌达1600多种。通常把这些真菌分成3大类，即软腐菌、褐腐菌和白腐菌。软腐菌（soft-rot fungi）由子囊菌和半知菌起作用，它们因能使木材表面软化而得名，主要代谢木材中的碳水化合物，能对木质素进行不同程度的改变或使其缓慢的代谢。软腐菌分解的特点是侵袭木材的次生细胞壁，发生柱状空洞，也有些菌是从细胞腔开始。

褐腐菌（brown rot）大部分属于担子菌，主要降解木材中的多糖，不能完全降解木质素，且留下褐色残留物，故称为褐腐菌。在分解过程中，褐腐菌先从次生细胞壁物质开始降解，初生细胞壁中间层因其木质素含量高特别抗褐腐菌分解。褐腐菌分解时，木质素中的甲氧基明显减少，进一步分解时大部分多糖被消耗，细胞壁塌陷，造成木材体积减少。

白腐菌（ white-rot fungi）属担子菌，分解木质素能力最强。白腐菌产生胞外酶，分解木质素；在降解木质素的同时降解多糖，因为降解木质素需要能量。白腐菌使植物细胞壁逐步变薄，它们分泌的酶紧靠近菌丝的细胞壁层，依次降解植物细胞壁物质，解聚的产物同时被利用掉。

由于白腐菌降解木质素的能力最强，下面重点介绍白腐菌。

白腐菌的种类很多，例如革盖菌、卧孔菌、多孔菌和原毛平革菌等。在20世纪80年代末期，对白腐菌的研究取得了较大的进展，Kiric 和Eriksson 概括了白腐菌对木质素生物降解研究的进展：

①描述了白腐菌生物降解化学的关键特征，并开发了高效木质素降解真菌黄孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）的实验系统。

②在黄孢原毛平革菌中发现了第一个木质素降解酶--过氧化物酶。

③表明黄孢原毛平革菌的酶可以氧化木质素中的苯环，转变为阳离子自由基，并经历自由基和离子性质的非酶降解反应，这些反应包括芳香环裂解和解聚木质素的其他形式的裂解。

④开发和改进了供基础和应用研究用的木质素过氧化物酶的生产方法。

⑤发现了黄孢原毛平革菌的第二个过氧化物酶，可将Mn2+氧化为Mn3+并氧化木质素中的酚单元致使木质素部分降解。

⑥描述了黄孢原毛平革菌系统中产生的胞外过氧化氢（为过氧化物酶所需）酶系，包括一种新的胞外铜氧化酶，它能氧化乙二醛和相关化合物。

白腐菌的木质素降解酶

1、黄孢原毛平革菌和其他真菌的木质素降解酶

（1）黄孢原毛平革菌木质素降解过氧化物酶

黄孢原毛平革菌木质素降解酶系有两种主要的过氧化物酶：木质素过氧化物酶（ligninperoxidases，LiP）和锰过氧化物酶（manganese peroxidases，MnP）。黄孢原毛平革菌除产生木质素酶、葡萄糖氧化酶以外，还产生其他的酶，如纤维素酶，半纤维素酶和蛋白酶。但更受重视的还是 LiP 和 MnP，因为它们能生物降解异生素、木质素模式化合物（lignin model compound）和木材中的木质素。

（2）其他真菌木质素降解过氧化物酶

其他白腐菌也产生木质素降解过氧化物酶。已经开发出一种有效的方法，即通过结合载体菌丝生产射脉菌木质素酶并达到反应器生产规模。

（3）漆酶

漆酶是一种含铜的氧化酶，也是非特异型氧化酶，能够氧化多元酚、甲氧基酚和二胺等多种有机化合物，与木质素过氧化物酶和锰过氧化物酶需要过氧化氢不同，漆酶催化的氧化酚类化合物反应只需要氧气作为电子受体，氧气在反应中被还原为水。

2、过氧化物酶的反应机制

（1）木质素过氧化物酶

根据对这类酶的动力学和光谱学分析，它们的催化机制和其他过氧化物酶的催化机制十分类似。首先酶（含Fe3+）被H2O2氧化失去2个电子，形成化合物I（LiP1）：化合物I与1个底物分子反应得到1个电子，并形成化合物Ⅱ（LiP2）和1个芳香族自由基产物；化合物Ⅱ又与另一个芳香族底物分子反应得到第二个电子，底物形成另一个自由基产物，并且酶恢复到原来的状态。

（2）锰过氧化物酶

除 MnP以Mn2+作为中介体以外，MnP反应机制与LiP很相似。一旦 Mn2+被酶氧化为Mn3+就可以氧化有机底物分子。Mn3+和有机酸螯合，有高而稳定的氧化还原电位，螯合的Mn3+作为分散的氧化还原中介体可以氧化酚类，某些甲氧基芳香化合物、硝基芳烃、氯代芳烃和有机酸等。

（3）LiP和MnP催化机制的相似性

由于LiP和 MnP高的氧化还原电位，它们可以氧化其他过氧化物酶不容易氧化的底物。

3、过氧化物酶产生的调节

许多研究涉及LiP表达的最佳条件，其研究核心是如何使用该菌菌体对污染地点进行修复。总的来说，过氧化物酶在营养受到限制的次生代谢过程中产生。限制氮、碳和硫会诱导酶的活性。添加L-谷氨酸、谷酰胺、组氨酸到培养基中会抑制木质素酶的活性。另外，过量的营养和环已酰亚胺（放线酮）也会抑制酶的活性，而用木质素、木质素模式化合物和过氧化氢将增加酶的活性。

白腐菌对有毒化学品的降解

木材中的木质素有些结构和许多环境持久性有机化合物的化学结构相比有很大的相似性。这种结构上的明显相似性，预示白腐菌可以降解难降解的有机污染物。

白腐菌的木质素降解系统可以裂解木质素分子中的C-C和C-H键。在木质素分解过程中，不管木质素手性碳的构象如何，这些键均可裂解。因此，这种菌的木质素降解酶系是非立体选择性和非特异性的。这种特性至少部分是由白腐菌的自由基降解机制造成的。

1、多环芳烃

黄孢原毛平革菌能够降解多种结构不同的多环芳烃，在缺氮的情况下才能表现出来。从黄孢原毛平革菌中提纯的木质素过氧化物酶可以氧化PAH，在这方面它们不同于其他典型的过氧化物酶，即它们有较高的正电性或者是较好的氧化剂。这种差别显示黄孢原毛平革菌降解多种结构各异的化学物质的能力，来源于它们能够催化这些化合物最初的氧化反应。

2、氯酚

农业上使用大量的氯酚，许多工厂（如制浆漂白厂）废水中也有氯酚存在。白腐菌黄孢原毛平革菌木质素降解系统可以降解五氯酚（pentachlorophenol，PCP），缺氮的培养物可以加速PCP的矿化，氮素充足的培养基会抑制PCP的矿化。

3、农药

（1）多氯脂肪烃类

在30天内，黄孢原毛平革菌在加有玉米穗轴的粉沙壤土中，14C-氯丹和林丹分别矿化14.9%和 22.8%：在液体培养基中，则分别矿化9.4%和23.4%：14C标记的艾氏剂、狄氏剂和灭蚁灵的降解则更困难，主要是由于艾氏剂和狄氏剂有六氯环戊二烯环状结构。

（2）氯代芳香烃类

氯代芳香化合物有2，4，5-T、DDT等一些农药，以及一些溶剂、熏蒸剂、染料的中间体（如氯代苯类）。尽管许多报道说它们可以生物降解，但实际上在土壤和水中微生物降解得很慢。

白腐菌在污染治理中的应用

1、水处理

使用黄孢原毛平革菌处理污水，可将250mg/L五氯酚在8小时内降解到5mg/L。与炸药生产有关的粉红色废水可被充分处理，废水中含有的2，4，6-三硝基甲苯和2，4-二硝基甲苯，在24小时内降解了150mg/L。在上述例子中，最初污染物的浓度不同，但处理后可达到相同的程度。这表明基质不仅可以吸附到菌丝体上而且发生代谢作用。

2、土壤处理

Laznar 等研究评价了土壤种类，温度、pH值和水势对在灭菌土壤中和在非灭菌土壤中的白腐菌生长的影响。这项研究选择3种具有良好特征的土壤（表土和底土）。黄孢原毛平革菌的生长习性以及生物量的积累很大程度上受土壤种类的影响。

增加土壤水势（water potential）可大大增加黄孢原毛平革菌的生长。水势是另一个易于控制的土壤因素。

早期的研究表明，黄孢原毛平革菌在未灭菌土壤中生长得不好，这可能是因为该菌竞争不过土著的微生物区系，因为土壤不是黄孢原毛平革菌的正常生境。但后来又发现使用大量接种体时可以在土壤内生长。

总结

白腐菌及其木质素降解酶系的研究不仅深化了我们对生物降解机制的理解，更为环境污染治理提供了创新的生物技术解决方案。通过对白腐菌的深入探索，人们发现其在处理复杂有机污染物方面的高效性和环保性，为解决当前面临的环境危机提供了生物学路径。未来，随着基因工程和生物技术的进步，对白腐菌的定向改造和酶系的优化将成为研究热点，进一步拓宽其在环境保护和资源回收领域的应用前景。在这个过程中，如何更好地模拟和利用白腐菌的自然降解机制，将是科学家们不断探索的重要方向。

图1、白腐菌镜下图片

通过综合分析，我们可以看出，白腐菌及其木质素降解酶不仅是自然界的分解大师，更是人类应对环境污染挑战的宝贵生物资源。它们的生物化学特性与环境应用潜力，为我们打开了生态修复和可持续发展的一扇新窗。随着研究的深入和技术的进步，白腐菌的应用将会更加广泛，为构建更加清洁、健康的地球环境贡献力量。

参考文献：应用微生物学原理与技术

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更新日期：2024-05-21

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