白蚁肠道微生物降解木质素研究进展

白蚁肠道微生物降解木质素研究进展
摘要：降解木质素是制造纤维乙醇的最大障碍，而白蚁是自然界中最重要的食木昆虫，研究白蚁降解木质素的机制意义重大。

系统概述白蚁的内部结构及其肠道微生物在木质素降解中所起的作用。

关键词：白蚁；肠道微生物；木质素降解
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔｉｓｏｆｇｒｅａｔｓｉｇｉｆｉｃａｎｃｅｔｏｓｔｕｄｙthe ｌｉｇｎｉｎｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｅｒｍｉｔｅ，ｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｗｏｏｄ－ｅａｔｉｎｇｉｎｓｅｃｔｉｎｎａｔｕｒｅ，ａｓｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｏｆｌｉｇｎｉｎｉｓｔｈｅｂｉｇｇｅｓｔｏｂｓｔａｃｌｅｉｎｆｉｂｅｒｅｔｈａｎｏｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｅｒｍｉｔｅｓａｎｄｔｈｅｐｌａｃｅｔｈｅｉｎｔｅｓｔｉｎａｌｍｉｃｒｏｆｌｏｒa ｐｌａｙｓｉｎｌｉｇｎｉｎｄｅｇｒａｄaｔｉｏｎｗｅｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｅｒｍｉｔｅｓ；ｉｎｔｅｓｔｉｎａｌｍｉｃｒｏｆｌｏｒａ；ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｏｆｌｉｇｎｉｎ
目前，化石能源仍是世界上最主要的能源，但它是不可再生资源，能源形势日趋严峻。

发展新能源特别是可再生能源迫在眉睫。

世界各国政府对生物燃料的前景十分看好，最初采用的技术是用玉米等粮食作物生产乙醇作为燃料，即第一代生物能源技术。

如美国计划在２０３０年使得燃料乙醇的使用量达到２００４年生物燃料的３０％［１］；欧洲谋求在２０２０年之前使得生物燃料占运输燃料的１０％［２］。

然而，以粮食为原料的生物燃料开发会引起粮食价格上涨，导致气候变化加剧，水资源缺乏，对世界贫困人群造成负面影响。

出于国情和对粮食安全的重视，我国已明确提出限制用粮食生产生物燃料。

以燃料乙醇为原料的第一代生物能源的研究，已转向以木薯、甜高粱和纤维素为原料发展纤维素乙醇的第二代生物能源以及开展木质素降解利用的第三代生物能源的研究上，以防止危害粮食安全。

第二代和第三代生物燃料原料多来自植物秸秆等废料，不会产生与人争粮的情况；利用降解材料作能源，还有利于发展循环经济。

木质纤维是地球上数量最大的一种可再生资源。

据估算，如果发展能源林业与回收利用废弃木质纤维并举，则每年可保障替代１／３以上运输燃料的酒精产量。

为此，发展经济有效而环境友好的木质纤维生物转化乙醇技术，已成为世界生物能源科技发展的战略制高点。

木质纤维材料中的可糖化纤维素和半纤维素在木质素包裹下形成稳定的结构，很难被直接水解或酶解。

纤维素由糖分子的极性基团（－ＯＨｇｒｏｕｐｓ）通过氢键相连成长链，在木质素的包裹下形成坚
固而稳定的晶体结构，在普通条件下不易被水解或稀酸（稀碱）糖化。

木质素在植物体中起结构强化和支撑作用，也是植物抵御病菌侵袭的物理障碍，不容易被微生物降解，特别是在缺氧条件下。

富氧条件下木质素的生物降解也相当缓慢（需要许多天），目前还难以达到工业规模生产的要求。

木质纤维原料通常需要适当的预处理来破除木质纤维的晶体结构及木质素对纤维素和半纤维素的包裹，增加供酶接触的有效表面积［３］，并消除对微生物有危害的毒性物质，以利生物降解［４］。

因此，降解木质素是制造纤维乙醇的最大障碍。

木质素分解较纤维素慢，其完全降解是真菌、细菌及相应微生物群落共同作用的结果。

最近研究发现白蚁的消化道是个微生物菌群的“金矿”。

白蚁极度变长的肠道说明它吃的是难消化的食物。

在白蚁的整个肠道中，有大量的共生微生物定居，大多数微生物定居于后肠中，工蚁的消化道内含物达其干重的７１％之多。

后肠微生物对白蚁的生命活动具有重要作用，白蚁所需的营养物质大多来自微生物的发酵产物，后肠中的微生物发酵纤维素类物质生成乙酸、丙酸以及其他有机酸，是白蚁重要的能源和自身物质合成的碳架重要来源，而且有些肠道细菌对白蚁氮素利用也具有重要的作用，通过固氮作用或参与排泄氮素（尿酸）的循环，使白蚁能以含氮量较低的纤维素食物为生［５］。

膨大的后肠一直被人们假设为一种厌氧反应器，但是现有的研究结果显示从白蚁后肠中分离到的细菌大多数是耐氧或兼性厌氧菌，有的甚至是严格好氧菌。

因此，从白蚁肠道中提取出的降解木质素的基因，有望成为改进木质或废弃物生物质转化为生物燃料过程所需酶的来源。

１木质素降解的机制
与纤维素相比，木质素分解特别慢，木质素的完全降解是真菌、细菌及相应微生物群落共同作用的结果，白蚁的肠道内就含有丰富的降解木质素的微生物。

２０世纪８０年代人们发现了微生物降解木质素的酶系，主要包括漆酶（Ｌａｃｃａｓｅ）、木质素过氧化物酶（Ｌｉｇｎｉｎｐｅｒｏｘｉｄａｓｅ，简称Ｌｉｐ）和锰过氧化物酶（Ｍａｇａｎｅｓｅｐｅｒｏｘｉｄａｓｅ，简称Ｍｎｐ）。

根据木质素降解产物分析，认为木质素降解可分以下几步：①脱甲基和羟基化以形成多酚结构；②加氧裂解多酚环，产生烃链；③水解使脂肪烃缩短。

为此设想酶系是在胞外或束缚于细胞壁上，包括：①过氧化氢（Ｈ２Ｏ２）产生酶系；
②利用Ｏ２、Ｈ２Ｏ２的木质素氧化酶系，以产生木素自由基和醌；③木素活性中间体还原形成稳定单体的醌还原酶系；④木素小分子片段在胞内发生环开裂反应，分解产物经ＴＣＡ循环生成ＣＯ２［６］。

２白蚁的分类地位及特征
白蚁属于昆虫纲（Ｉｎｓｅｃｔａ）等翅目（Ｉｓｏｐｔｅｒａ），其主要特征是行群体生活，在同一个群体中，有严格的社会性组织和分工，存在形态明显不同的发育等级和品级分化。

目前已发现有６科２０００多个种，它们在生物学和行为学上各不相同。

从解剖学和社会组织性特征可以把白蚁分为两大类
群，即低等白蚁和高等白蚁，低等白蚁包括澳白蚁科（Ｍａｓｔｏｔｅｒｍｉｔｉｄａｅ）、木白蚁科（Ｋａｌｏｔｅｒｍｉｔｉｄａｅ）、草白蚁科（Ｈｏｄｏｔｅｒｍｉｆｉｄａｅ）、鼻白蚁科（Ｒｈｉｎｏｔｅｒｍｉｔｉｄａｅ）和齿白蚁科（Ｓｅｒｒｉｔｅｒｍｉｔｉｄａｅ）５个科；高等白蚁仅有白蚁科（Ｔｅｒｍｉｔｉｄａｅ）１个科。

高等白蚁较低等白蚁具有更细致的解剖学特征和更强的社会组织性［７］。

白蚁另一个明显特征就是其食木性，食物范围极广，包括木材（完好的或已腐解的）、植物叶片、腐殖质、杂物碎屑以及食草动物粪便等，而有些白蚁进化程度较高，能够自己培养真菌，作为其营养来源。

因此，按白蚁食性，可以把白蚁分为食木白蚁、食真菌白蚁、食土白蚁和食草白蚁。

白蚁的食物都富含纤维素、半纤维素和木质素，但含氮量不高，即白蚁属于典型的寡氮营养型生物［８］。

３白蚁肠道内环境
白蚁消化道呈螺旋状，主要由３部分组成，即前肠、中肠和后肠（图１）。

与一般昆虫相比，白蚁后肠相当发达，约占全部肠道总容积的４／５。

膨大的后肠一直被人们认为是一种厌氧“消化器”，与羊和牛的瘤胃相似，其中有大量的共生微生物，共生微生物降解纤维素和半纤维素，发酵形成短链脂肪酸，脂肪酸被白蚁吸收氧化。

几乎所有的实验证据都表明，白蚁后肠中共生微生物（包括原生动物）是木质素、纤维素和半纤维素消化的驱动力［９，１０］。

４白蚁肠道共生微生物
４．１白蚁后肠原生动物
低等白蚁后肠中有大量的原生动物定居，目前在低等白蚁的肠内已经发现了４３４种属于毛滴虫、锐滴虫和超鞭鞭毛虫的原生动物［５，１１］。

高等白蚁中很少发现原生动物，其肠道的解剖学特征较低等白蚁更加细致，分隔也更多，有些区域具有表皮突起，解剖学上的特殊性足以延长木质纤维素食物和水解酶的接触时间，原生动物的存在已毫无必要。

４．２白蚁肠道中的细菌
现代显微研究表明，低等白蚁和高等白蚁消化道中都有大量形态和密度不同的细菌定居，后肠和混合节内的细菌数达１０５～１０１１个／ｍＬ，后肠内的细菌分布在袋肠、结肠和直肠内。

前、中肠内也有少量细菌，但没有在唾腺中发现细菌。

细菌游离在白蚁的肠液中，或者粘附于肠道上皮层的杯状结构［１２］。

从低等白蚁和高等白蚁肠道分离到多种异养型细菌，大多数的菌株是兼性厌氧菌，甚至是严格好氧的，包括链球菌属（Ｓｔｒｅｐｔｏｃｏｃｃｕｓｓｐ．）、拟杆菌属（Ｂａｃｔｅｒｏｉｄｓｓｐ．）、肠杆菌科（Ｅｎｔｅｒｏｂａｃｔｅｒｉａｃｅａｅ）、葡萄球菌属（Ｓｔａｐｈｙｌｏｃｏｃｃｕｓｓｐ．）和芽孢杆菌属（Ｂａｃｉｌｌｕｓｓｐ．）等菌株。

木质食物中木质素经过白蚁肠道后，在很大程度上得以消化。

高等白蚁和低等白蚁肠道细菌的消除，可使白蚁在较短的时间内死亡，这反映了肠道细菌对白蚁的生命必然有着重要作用。

４．３白蚁肠道中的共生真菌
食木白蚁一般都偏爱取食真菌腐解过的木块，而某些白蚁则在它们自己精巧的“菌圃”中培养真菌［１３］。

显然，真菌对食木白蚁的营养起着重要的作用，在白蚁的进化过程中，白蚁与真菌已建立起很有趣的共生关系。

大白蚁亚科白蚁的蚁巢中存在一种称之为“真菌圃”的结构，其结构类似海绵状，主要由嚼碎但未消化的植物材料构成，上面布满共生鸡纵菌的菌丝和菌丝瘤。

白蚁就以长满菌丝和菌丝瘤的旧圃为食，同时又不断新建真菌圃。

Ｈｙｏｄｏ等利用核磁共振（ＮＭＲ）技术，证实了“木质素降解假说”，其研究结果表明真菌能够帮助降解木质素［１４］。

５白蚁降解木质素证据
白蚁能够降解木质素这一理论经过了很长一段时间的研究和反复才被确定下来。

起初，研究者认为白蚁不能消化木质素［１５］；Ｓｅｉｆｅｒｔ等研究木质素内含物时，发现白蚁能够对木质素脱碱基，推翻了Ｃｏｈｅｎ的论断［１６］；逐渐地，更多的研究结果对木质素降解提供了更广泛的评估［１７］。

１９７９年Ｂｕｔｌｅｒ等分别以天然的和人工的木质素及相关化合物喂养白蚁，收集其呼吸释放的１４ＣＯ，证明木质素在白蚁体内被消化［１８］。

白蚁肠道内含有多种细菌和原生生物，而降解木质素的正是这些细菌和原生生物，这一理论被普遍认同，但是未有直接证据证明。

１９７５年法国科学家从白蚁肠道内分离出降解的儿茶酚和单宁酸，明确地证明了白蚁降解木质素离不开其肠道内的微生物。

降解木质素的微生物主要是白腐真菌和褐腐真菌，其中以白腐菌系统为主［１９］。

虽然白蚁体内的可以协助降解木质素的真菌和细菌被分离出［２０，２１］，但仍普遍认为昆虫肠道系统没有降解木质素的能力［２２］。

２００８年Ｇｅｉｂ等的实验研究了木质素在蜜蜂和白蚁体内肠道环境中结构的变化，从而证实了白蚁肠道这个复杂的生态系统可以降解木质素［２３］。

近年来，越来越多的工作研究了白蚁木质素酶的基因，为进一步全面综合地了解白蚁相关木质素酶基因的多样性，阐明白蚁降解木质素的机制奠定了理论基础。

宏基因组文库建立的技术被巧妙地运用到分析白蚁后肠中，并利用分子手段证实其为降解木质素的场所［２４］。

研究过程中，发现大量的糖苷水解酶，证明白蚁可以降解多糖。

但没有在白蚁体内发现木质素降解酶，可能由于木质素降解是在白蚁肠道不同部位分工作用的结果。

木质素降解不是某一种酶单独作用的结果，而是大量高分子复合物引导和协调的［２５］。

为了找出木质素、纤维素、木聚糖等高分子化合物降解酶的编码基因，科研工作者们将测定的基因进行家族及直系同源群的分类，并把每个基因家族与其在其他环境，例如土壤［２６］、海水［２７］、或者人体肠道［２８］中的作用情况进行比较。

６白蚁肠道木质素酶基因序列测定
日本理化研究所的科学家于２００８年３月完全破译白蚁肠道内一种共生细菌的基因组，研究对象为“Ｒｓ－Ｄ１７”细菌，其存在于和白蚁共生的肠道原
生生物披发虫体内，后者可帮助白蚁分解木质纤维素。

科学家采用ＤＮＡ合成酶直接使“Ｒｓ－Ｄ１７”的基因组倍增到原先的１０００万倍，最终测定该细菌的基因组序列。

白蚁肠道内大多共生微生物目前仍不能人工培养，各种微生物作用及相互关系很少为人所知。

利用上述破译“Ｒｓ－Ｄ１７”基因组方法，将来可能陆续破译出白蚁肠道内其他多种微生物的基因组。

以此为基础，进一步揭开白蚁高效分解木材机制，对开发以木材为原料的生物燃料将有重要价值。

美国能源部联合基因组研究所等联合测定白蚁肠道基因序列［２４］。

随着测序工作的展开，白蚁肠道内与消化木材有关的微生物群落共生关系逐渐揭开神秘面纱。

研究结果还表明，白蚁有多个胃，每个胃都形成一个特定的环境，从而“孕育”了不同的微生物群落。

这些微生物在木材聚合物转化为糖类的过程中均承担一步或几步生物转化的任务。

然而，虽然对白蚁的研究已经有一个多世纪的历史，但对于其消化道内的微生物的特征与作用，及其具体的白蚁的木质素降解机制还知之甚少。

白蚁肠道已成为微生物多样性研究对象之一，因为地球上有２０００多种白蚁，它们的食性和肠道结构各有不同，肠道共生微生物多样性也必定极为丰富。

然而，至今仅有为数不多的微生物从白蚁肠道中得以分离并作了鉴定，这一方面是由于大部分肠道微生物不能用常规方法培养；另一方面则是由于相关的微生物学研究不多。

虽然１６ＳｒＲＮＡ分析可以弄清白蚁肠道中未培养的微生物系统发育学特征，但系统发育以及形态学研究都不能提供未培养微生物的生理生化信息，它们的代谢机制及其功能也无法弄清楚。

准确理解共生微生物在后肠系统中的作用机制，发现其在木质纤维素降解过程中具有特定代谢类型的微生物新种，不仅有助于更好地开辟木质纤维素资源生物转化新途径，也对理解宿主和微生物之间相互作用的机制有着重要意义。

７结语与展望
作为世界上重要的资源性昆虫，白蚁体内的木质素酶异常丰富。

今后，应深入了解不同栖息特性白蚁体内木质素酶的组成特点，全面获取白蚁木质素酶的基础信息，进一步加强白蚁木质素酶基因结构的研究，结合生物信息学技术预测相关基因的功能，阐明白蚁利用木质素的理化途径以及纤维素酶在白蚁体内的分泌机制。

利用木质素酶分解自然界中的木质素类物质，发展第三代生物能源，为人类经济的进一步繁荣和发展开辟新的能源途径。

此外，在全面掌握各类型白蚁木质素酶特性的基础上，筛选出具有较高活性木质素酶的白蚁种类，为开发高活性的木质素酶基因工程菌株创造条件。

同时通过研制木质素酶抑制剂，为重要农林业害虫的防治提供新的手段。

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