白腐真菌在秸稈作物資源開發中的研究
世界桔稈的年產量為20億±30億噸,我國年產各類農作物秸稈達5.7億噸,其數量相當於北方草原打草量的50多倍,占全世界秸稈總產量的20%~30%。農作物秸稈是農業生產的副產品,也是一項重要的生物資源。但是,要充分有效地利用這類資源卻相當困難,這是由於秸稈產量隨季節變化,且量大、低值、體積大、不便運輸,大多數動物都不能消化其木質纖維素,自然降解過程又極其緩慢,導致大部分秸稈以堆積、荒燒等形式直接侵入環境,造成極大的環境汙染和浪費。因此,科學合理地利用農作物秸稈已引起全社會的普遍關注。目前,農作物秸稈的主要利用渠道有:①是秸稈還田,包括直接還田和堆漚還田;②是秸稈養畜,過腹還田;③是利用秸稈生產能源,包括氣化,發展活氣,直接燃燒等;④是工業原料和建築材料;五是秸稈養菌。
1秸稈資源開發的研究現狀
近幾十年來,國內外一直在尋找利用物理、化學和生物處理手段降解農作物秸稈的最佳途徑,常見有物理方法和化學方法,物理方法又叫機械法,如用機器將秸稈切碎磨粉;化學方法,如用堿處理,使不易溶解的木質素變成較易溶的羥基木質素,或加硫酸鍍、尿素等,發酵後製成氨化飼料,或者加酶(如澱粉酶、纖維素酶、半纖維素酶、果膠酶等)直接催化水解反應,使秸稈大分子有機物降解。以上方法雖然應用時間較早,但有許多缺點,秸稈的營養價值不高,主要還是大分子有機化合物,隻適合於牛、羊等反芻動物消化,卻不易於給雞、豬等單胃動物飼喂,並且處理時間均較長;另外,使用酶的成本高,效果受動物的生長期和體內環境(如pH值、溫度)影響,又不能再生。
存在於秸稈中的非水溶性水質纖維素很難被酸和酶水解,主要是因纖維素的結晶度、聚合度以及環繞著纖維素與半纖維素締合的木質素鞘所致。木質素與半纖維素以共價鍵形式結合,將纖維素分子包埋在其中,形成一種天然屏障,使酶不易與纖維素分子接觸,而木質素的非水溶性、化學結構的複雜性,導致了秸稈的難降解性。要徹底降解纖維素,必須首先解決水質素的降解問題。因此,秸稈利用的研究從過去的降解纖維素的研究轉向了木質素的降解研究。研究表明,利用微生物可轉化秸稈,因為微生物有廣泛的適應性,能利用和分解多種畜禽不能利用的複雜有機化合物,合成含有豐富蛋白質、脂肪的菌體細胞,這些分解產物和菌體可用於飼料,還可用於其它許多領域。微生物在秸稈轉化中有用途多、營養價值高、周期短、可再生等優點,越來越受到國內外科學研究者重視。
2木質素降解菌的分類
降解木質素的真菌根據腐朽類型分為:白腐菌——使木材呈白色腐朽的真菌,褐腐菌——使木材呈褐色腐朽的真菌以及軟腐菌。前兩者屬擔子菌綱,軟腐菌屬半知菌類。白腐菌降解水質素的能力優於其降解纖維素的能力,這類菌首先使木材中的木質素發生降解已不產生色素;而後兩者降解木質素的能力弱於其降解纖維素的能力,它們首先開始纖維素的降解並分泌黃褐色的色素使木材發生黃褐變,而後才部分緩慢地降解木質素。白腐菌能夠分泌胞外氧化酶降解木質素,因此被認為是最主要的木質素降解微生物。
白腐真菌(whiterotfungi)是一類絲狀真菌,因附生在樹木或木材上,引起木質白色腐爛而得此名。分類學上,白腐真菌屬於真菌門,絕大多數為擔子菌綱,少數為手囊菌綱。目前研究最多的有:黃孢厚毛平革菌(Phanerochetechrysosporium)、彩絨草蓋菌(Coridusversicolor)、變色栓菌(Thametesversicolor)、射脈菌(Phlebiaradiata)、鳳尾菇(Pleurotuspulmononanus)、朱紅密孔菌(Pycnoporuscinnabarinus)等。
3白腐真菌降解秸稈作物的作用機理
白腐真菌的降解活動隻發生在次生代謝階段,與降解過程有關的酶隻有當一些主要營養物質,如氮、碳、硫限製時才形成。白腐真菌在對營養限製應答反應時形成一套酶係統,包括以下幾種:①產生H2O2的氧化酶:一是細胞內的葡萄糖氧化酶,二是細胞外的乙二醛氧化酶。它們在分子氧的參與下各自氧化相應底物——葡萄糖或乙二醛,形成H2O2,從而激活過氧化物酶,啟動酶的催化循環。②需要H2O2的過氧化物酶:白腐真菌主要合成2類過氧化物酶—木質素過氧化物酶(LiP)和錳過氧化物酶(MnP)。LIP是一係列含有Fe(Ⅱ)—卟琳環(Ⅸ)血紅素輔基的同工酶,能通過單電子氧化並引起一係列自由基反應,氧化富含電子的非酚類芳香化合物,能使木質素大分子降解。MnP也是一係列含有血紅素的同工酶,在Mn(Ⅱ)和H2O2存在時,氧化大量酷類底物。這兩類酶均在細胞內合成,分泌到細胞外,以H2O2為最初氧化底物。③漆酶、還原酶、甲基化酶、蛋白酶及其它酶。這些酶共同組成白腐真菌降解係統主體。