真菌在染料脱色中的应用及其酶学研究进展

第32卷第4期2009年12月 辽宁师范大学学报(自然科学版)Jour nal of L iao ning N ormal U niver sity (N atural Science Edit ion)

Vo l.32 No.4Dec. 2009

文章编号:1000 1735(2009)04 0480 04真菌在染料脱色中的应用及其酶学研究进展

靳奇峰1, 时胜男1, 焦庆祝1, 曲媛媛2, 周集体2, 苟 敏2

(1.辽宁师范大学化学化工学院,辽宁大连 116029;2.大连理工大学环境与生命学院,辽宁大连 116024)

收稿日期:2009 07 03

基金项目:国家自然科学基金项目(50608011)

作者简介:靳奇峰(1976 ),男,吉林省吉林市人,辽宁师范大学讲师,博士.

摘 要:染料已成为世界严重污染问题的主要原因.尤其是排放到环境中的有色污水,不仅因为其有色度污染,还在

于废水中的染料及其分解产物不但有毒还会使机体产生变异,对人类的生存环境造成巨大的威胁.真菌被誉为是降解

染料最有效的微生物资源.近年来,许多学者对真菌及其酶系(主要是木质素降解酶系)脱色染料废水进行了广泛的研

究.对真菌在染料脱色中的应用及其酶学的最新研究进展如生物反应器进行归纳,并总结各种影响因素如pH 值、温

度、重金属等对脱色效率的影响.

关键词:真菌;木质素降解酶系;染料;脱色

中图分类号:Q933 文献标识码:A

随着印染工业的迅速发展,染料废水已成为当前最主要的水体污染源之一[1 2].废水中含有多种具有生物毒性的有机物,而废水中残存的染料组分,即使浓度较低,排入水体也会降低水体透光率,破坏水体生态系统.染料废水处理技术多种多样,主要有物理法、化学法、物理化学法以及生物法等.生物法是目前应用最广泛的废水处理技术,具有运行费用低、安全、无二次污染、对环境友好型等优点.迄今,发现多种脱色染料的微生物资源,主要有真菌、细菌和藻类3种.经研究发现,真菌(主要是白腐真菌)能在好氧条件下降解多种难降解有机物,特别是对近年来日益增加的人工合成染料,具有独特的脱色能力,因此,在环境保护领域显示出了卓越的应用前景.

1 染料脱色真菌资源

近年来,真菌在染料脱色中的应用受到极大关注,目前已报道的脱色真菌多达几十种.白腐真菌是目前研究最多、染料脱色过程中最有效的真菌资源.1980年,Eaton 等首次报道白腐真菌(P haner o chaett chr y sosp or ium )对含木质素的纸浆和造纸废水的生物脱色[3],从此展开了真菌对染料生物脱色的研究.各种白腐真菌如黄孢原毛平革菌(P haner ochaete chr y sosp or ium )、特罗格粗毛盖菌(Funaliatr o gii )、采绒革盖菌(Tr ametes ver sicolor )、烟管菌(Bj er kander a sp.)、杂色云芝(Cor iolus ver sicolor )、朱红密孔菌(Py cnop oror us cinnabar inus )等均被报道具有脱色能力

[3].白腐真菌对染料的高效脱色特性,

使其成为环境工程研究的热点之一.2 脱色酶资源及其分子生物学研究进展

近年来,许多研究表明,真菌降解染料主要是由于其具有非特异性和非选择性的胞外酶系.白腐真菌产生的木质素降解酶系为非底物专一性酶,分泌到细胞外对多种有机物和染料具有广谱的氧化降解作用.木质素降解酶系主要由漆酶(Laccase)、锰过氧化物酶(M ang anese dependent Perox idase,M np)、木素过氧化物酶(Lignin Perox idase,Lip)组成.

2.1 漆酶

漆酶是广泛分布于自然界的1种含铜的多酚氧化酶.漆酶可催化大量酚类化合物和芳香胺等难降解物质,而且在还原介质的存在下,可进一步的扩大漆酶的底物范围.漆酶催化底物机制表现在底物自由基的形成和漆酶分子中4个铜离子的相互协同作用,漆酶活性位点催化氧化机制如图1所示.

第4期靳奇峰等: 真菌在染料脱色中的应用及其酶学研究进展481

图1 漆酶活性位点催化氧化机制

2.2 锰过氧化物酶

1985年首次从黄孢原毛平革菌(P.chr y sosp rium)中发现MnP.大多数白腐真菌中存在M nP,其是一种糖蛋白,由1个红血素基和1个Mn2+构成它的活性中心.M nP的活性部位是由近侧的组氨酸配位基(H is)(通过氢键与1个AsP结合)与远侧的过氧化物酶结合小区(包括催化性H is和Arg)组成,其结构由5个二硫键和2个M n2+维持.M nP的催化就依赖其活性中心的Mn2+,M n2+在催化氧化中作为必需的电子供给者,使缺1个电子的酶中间体恢复到原来状态,产生M n3+.图2所示为MnP的催化循环反应.

2.3 木素过氧化物酶

1983年,首次发现P.chry sosp orium de可以产生木质素过氧化物酶(LiP).木质素过氧化物酶是以血红素为辅基(含铁原叶琳Ix)的糖蛋白,催化反应需要H2O2参与.不但可以氧化木素和木素模型物,还可以氧化酚类或非酚类的芳香族化合物,具有较广底物应用范围.其催化过程如图3所示.

附表 染料脱色的真菌种类及相应酶资源汇总表

真 菌 染 料 酶 参考文献

F.tr ogii A T CC200800A cid black52L ac、M nP[1]

P.chry s os p or ium K CCM60256Reactiv e blue49L ac、M nP[1]

A.ochr aceus Reactiv e blue25L ac[4]

B j er kander a adus ta Reactiv e O rang e96M nP[5]

Dichomitus s qualens Congo Red L ac、M nP[6]

P haner ochaete sor d ida Reactiv e Blue38M nP[7]

P leur otus ery ngii Reactiv e Violet5L ip、M nP[8]

Stereum hir sutum Po ly R 478L ac、M nP[7]

A sp er gil lus ochr aceus N CIM 1146Reactiv e blue 25L ac、L iP[8]

P oly p or us ciliatus Po ly R 478L ac、M nP[7]

2.4 酶资源分子生物学研究进展

随着分子生物学技术的发展,已经从一些真菌中克隆编码木质素降解酶系基因并进行了性质分析.研究木质素降解酶系编码基因及木质素降解酶系基因的表达调控机制,有助于阐明在发育过程中所起的作用,尤其是木质素降解酶系具有潜在的应用价值.有研究人员报道担子菌T.versicolor含有3个漆酶基因lcc3、lcc4和lcc5,其内含子数和每个内含子的大小范围分别为12个和52bp 61bp、10个和5l bp 60bp、11个和52bp 77bp.目前,有20种漆酶的基因得到克隆,一些基因在不同受体菌中得到表达.目前,已基本明确木素过氧化物酶的基因组成,其家族由至少10个结构紧密关联的基因编码,它们分别被命名为lipA lipJ,定位于4个连锁群,每个基因还有不同形式的等位基因.锰过氧化物酶存在