白腐真菌降解木質(zhì)素的特性 白腐菌制漿造紙行業(yè)未來之星

白腐真菌降解木質(zhì)素的特性

白腐真菌是生物界中一類奇特的絲狀真菌，它們對(duì)各種異生物質(zhì)具有獨(dú)特降解能力和降解機(jī)制[4]。白腐真菌對(duì)木質(zhì)纖維素的降解很大程度上可以認(rèn)為是一個(gè)復(fù)雜的酶學(xué)過程，需要多種酶的協(xié)同作用來完成。首先，白腐真菌用其分泌的超纖維氧化酶來溶解秸稈表面的蠟質(zhì)并吸附在木質(zhì)纖維素的端部，然后，菌絲由端部向內(nèi)延伸，并產(chǎn)生纖維素酶、半纖維素酶、內(nèi)切聚糖酶和外切聚糖酶將秸稈降解為小分子碳源和半纖維素，為菌絲的生長(zhǎng)和木質(zhì)素的降解提供碳源和能量。最后，菌絲分泌木質(zhì)纖維素降解酶，由內(nèi)向外降解木質(zhì)纖維素。目前已知，木質(zhì)纖維素降解酶(木質(zhì)素過氧化酶、錳過氧化酶和漆酶)依賴于H2O2。在H2O2存在的條件下，木質(zhì)素過氧化酶、錳過氧化酶和漆酶協(xié)同作用破壞木質(zhì)素中的酯鍵或醚鍵，將木質(zhì)素降解為單個(gè)結(jié)構(gòu)單。隨后，苯丙烯醇之間的Cα-Cβ鍵斷裂，生成兩分子苯丙烯醇。同時(shí)，由于木質(zhì)素酶含有一個(gè)血紅卟啉，經(jīng)H2O2氧化后轉(zhuǎn)化成強(qiáng)氧化劑，能夠從木質(zhì)素的酚環(huán)中奪取電子，從而使單個(gè)苯丙烯醇斷鍵后降解為小分子化合物，這樣木質(zhì)素就被徹底降解。

白腐菌是屬于擔(dān)子菌亞門的真菌,因腐朽木材呈白色而得名，是能夠降解木材主要成分(纖維素、木質(zhì)素和半纖維素)的微生物之一。木材在白腐過程中大部分纖維仍保持完整，且纖維素結(jié)晶度變化不大。由此設(shè)想利用對(duì)降解木質(zhì)素選擇性好的白腐菌進(jìn)行生物制漿，能開辟制漿方法的新途徑。白腐菌除了能降解木質(zhì)素用于預(yù)理、生物漂白、生物制漿外，對(duì)其它有機(jī)異生物質(zhì)也有很強(qiáng)的分解能力，因而在廢水處理中也有廣泛的應(yīng)用前景。

1 白腐菌在制漿造紙預(yù)處理階段的應(yīng)用

為降低制漿能源消耗，可在制漿之前依靠白腐菌對(duì)木質(zhì)素進(jìn)行分解和改性，用選擇過的微生物培養(yǎng)基對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理。通過白腐菌對(duì)原料的預(yù)處理，可降低后階段制漿能耗的50%，并且纖維強(qiáng)度性能(耐破指數(shù))也得到改進(jìn)。

白腐菌預(yù)處理制漿不僅在木質(zhì)材料制漿當(dāng)中應(yīng)用研究較多，在非木質(zhì)制漿原料(如蘆葦、蔗渣、劍麻、黃麻等)預(yù)處理制漿中的應(yīng)用研究同樣廣泛。

可以看出，白腐菌預(yù)處理在硫酸鹽法、堿法、機(jī)械法和燒堿-蒽醌法等制漿方法中都可以不同程度地降低制漿成本、提高紙張質(zhì)量。但是菌種篩選困難和預(yù)處理周期較長(zhǎng)是制約白腐菌應(yīng)用的最大障礙，大規(guī)模應(yīng)用于制漿預(yù)處理還需要相關(guān)方面技術(shù)的突破。

2 白腐菌制漿

利用白腐菌可以降解木質(zhì)素、半纖維素和纖維素的特性，白腐菌在制漿造紙各個(gè)環(huán)節(jié)的應(yīng)用都得到了很廣泛的研究，但是利用白腐菌直接制漿卻鮮見報(bào)道。篩選對(duì)纖維素沒有影響或影響較小的選擇性極高的白腐菌種直接處理原料制漿是一個(gè)新的研究方向。20世紀(jì)90年代末，日本神戶制鋼所應(yīng)用白腐菌在常溫常壓下分解木材成功制出優(yōu)質(zhì)紙漿。選定適宜溫度，可以分解出80%的木質(zhì)素，比一般化學(xué)制漿法成本降低了50%。這種白腐菌對(duì)木質(zhì)素的脫除分解率極高，而對(duì)紙漿纖維中的纖維素分解極少，這樣可使紙漿得率高達(dá)60%，超過化學(xué)法得漿率的50%。據(jù)此計(jì)算，木材的消耗量可節(jié)約1/9。此種制漿方法將是傳統(tǒng)制漿方法的巨大挑戰(zhàn)。同樣，制漿周期長(zhǎng)、白腐菌篩選困難是大規(guī)模生產(chǎn)的最大障礙。

3 白腐菌在漂白階段的應(yīng)用

在造紙工業(yè)中，為了使最終產(chǎn)品的白度既高又穩(wěn)定，必須把漿中殘余木質(zhì)素所造成的棕黑色通過漂白來除去。用生物方法脫除漿中的殘余木質(zhì)素是現(xiàn)階段人們研究最多的一種方法，普遍認(rèn)為白腐菌是最有效的菌種。白腐菌可以直接攻擊木質(zhì)素，很有效地除去漿中殘余木質(zhì)素，并且能使漂白廢水中的很多有毒物質(zhì)最終降解成二氧化碳和水，降低漂白廢水的COD、BOD及有毒物質(zhì)含量，從而降低廢液的污染負(fù)荷。很多國(guó)家的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了這方面的研究，尤其是日本。

在利用白腐菌進(jìn)行漂白紙漿時(shí)，不免有纖維素被降解。因此，篩選出選擇性高的白腐菌種是當(dāng)前存在的最突出的問題。

4 白腐菌在廢水處理方面的應(yīng)用

制漿造紙工業(yè)的廢液由于含有毒、致突變、難降解的有機(jī)氯化物而日益受到高度的重視。白腐菌具有能降解木質(zhì)素和變性木質(zhì)素的活酶系統(tǒng)，能將漂白廢水中的有機(jī)氯化物轉(zhuǎn)變成無機(jī)氯和二氧化碳，并破壞發(fā)色基團(tuán)組織和結(jié)構(gòu)，降低漂白廢水中的總有機(jī)氯化物、BOD、COD和色度。

白腐菌除了可以降解廢水中的木質(zhì)素，還可以降解廢水中異生物質(zhì)，減輕造紙廢水對(duì)環(huán)境的污染，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。但是如何縮短處理周期，提高處理效率仍然是一個(gè)亟需解決的問題。

由于白腐菌特有的降解木質(zhì)素的功能，在原料預(yù)處理、生物漂白、廢水處理和生物制漿等各個(gè)環(huán)節(jié)的應(yīng)用都得到了重視，并且實(shí)驗(yàn)室階段研究已取得了顯著成效。但是，白腐菌在大規(guī)模生產(chǎn)中應(yīng)用還存在很多問題：處理效率低、周期長(zhǎng)、連續(xù)化培養(yǎng)生產(chǎn)各種白腐菌的生物反應(yīng)器尚待進(jìn)一步研究和完善、菌種篩選困難、白腐菌的作用機(jī)制還不完全清楚。因此，研究如何培養(yǎng)處理效率高、選擇性強(qiáng)、生長(zhǎng)迅速、可以連續(xù)使用的菌種，必將引起污染嚴(yán)重的傳統(tǒng)制漿工藝的較大改革。