白腐菌降解木质素酶系的特征及其应用

CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2007年第26卷第2期

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化 工 进 展

白腐菌降解木质素酶系的特征及其应用

江 凌1，吴海珍1，韦朝海2，梁世中1

(1华南理工大学生物科学与工程学院，广东 广州 510640；2

华南理工大学环境科学与工程学院，广东 广州 510640)

摘 要：介绍了木质素降解白腐菌的菌属来源及其酶系特征,重点解析木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶3种酶的催化作用机理；归纳了不同种属白腐菌在生物制浆过程、生物漂白过程及在造纸、印染等产业废水处理过程中的研究应用成果，针对白腐菌应用上的问题提出了未来的研究重点和方向。 关键词：白腐菌；木质素降解；酶系；废水处理

中图分类号：X 703 文献标识码：A 文章编号：1000–6613（2007）02–0198–06

Research progress of characterization of white-rot fungus enzyme system

for lignin degradation and its application

JIANG Ling 1，WU Haizhen 1，WEI Chaohai 2，LIANG Shizhong 1

(1 School of Bioscience and Bioengineering ，South China University of Technology ，Guangzhou 510640，

Guangdong ，China ；2 College of Enviroment Science and Engineering ，South China University

of Technology ，Guangzhou 510640，Guangdong ，China)

Abstract: The group resources of white-rot fungus and the enzyme system’s characteristics for lignin degradation are introduced, and the catalytic mechanisms of the three enzymes including lignin peroxidase, manganese peroxidase, laccase are analyzed in detail. Moreover, the applications of different kinds of white-rot fungus, including biopulping, biobleaching and the treatment of effluent from paper-making, dyes, and so on are summarized. Based on the above discussion, some ideas about the further development of white-rot fungus are presented.

Key words: white-rot fungus ；lignin degradation ；enzyme system ；effluent treatment

木质素是一类由苯酚和非苯酚结构单元通过醚

键和碳碳键等连接而成的具有芳香族特性的天然聚

合物[1]，

其在组分种类和连接键类型方面的多样性，意味了结构的异质性与不规则性，也决定了对其进行生物降解的复杂性和特殊性。白腐菌(white-rot fungus )是属于担子菌亚门的真菌，因腐朽木材呈白色而得名，是自然界中木质素的最有效降解物[2]，在长期的生物进化过程中形成了一套独特的降解系

统，为应对木质素的结构特点而发展起来的降解特

征也必然是非专一性的。研究木质素生物降解的突

破始于20世纪80年代初Kirk 和Gold 领导的两个

小组，他们分别从白腐菌模式菌种——黄孢原毛平革菌(P . chrysosporium )中发现木质素过氧化物酶(lignin peroxidase ，简称LiP)、锰过氧化物酶

(mangnase peroxidase ，简称MnP)，加上后来发现

的漆酶(laccase ，简称Lac)，共同构成了白腐菌的木质素降解酶系[3－

4]。白腐菌所具有的特殊的生理生化机制及强大的降解代谢能力，使之作为生命科学理论研究的模式系统，成为环境工程和生物化学工程应用开发的宝贵资源，并广泛应用于生物制浆、生物漂白以及造纸废水、印染废水、纤维废水及橄榄油废水处理等过程中。 1 木质素降解白腐菌的酶系特征 1.1 木质素过氧化物酶的催化作用 LiP 是一种含Fe 3+、卟啉环(Ⅸ)和血红素(Heme)收稿日期 2006–08–09；修改稿日期 2006–08–29。 基金项目 国家自然科学基金资助项目（No.20277010）。

第一作者简介 江凌（1982—），男，硕士研究生。联系人 韦朝海，教授，博士生导师。电话 020–87112874；E –mail

cechwei@ 。

第2期江凌等：白腐菌降解木质素酶系的特征及其应用·199·

辅基的过氧化物酶，经X射线吸收光谱分析，确定Heme包埋在酶蛋白的内部。光谱学研究表明LiP 有多种氧化状态，自然状态的LiP含有高自旋Fe3+，被H2O2氧化两个电子后形成LiPⅠ(氧带铁卟啉环自由基含Fe4+)，LiPⅠ经单电子还原形成LiPⅡ(氧带铁卟啉环含Fe4+)，再经一次单电子还原回到自然状态，形成一次催化循环。LiP的活性中心的结合位点是一段有序的糖残基，位于接近活性中心通道表面的裂缝中。His82在活性中心通道表面的裂缝的开口处，Trp170在酶蛋白表面，上述的电子传递可能经历两个不同的途径：底物-His82-Ala83-Asn84- His47-Heme或底物-Trp170-Leu171- Heme[5]。由于催化循环中形成的LiPⅠ的氧化还原电位非常高，能催化木质素中富含电子的酚型或非酚型芳香化合物的芳环发生单电子氧化，从而使木质素形成阳离子活性基团，然后发生一系列的非酶促裂解反应，产生各类终产物。因此，LiP的催化过程可看作由白腐菌细胞产生的H2O2启动的一系列自由基链反应，实现对底物的部分或彻底的氧化。这种催化机理被描述为“乒乓”机理(“Ping-Pong”mechanism)[6－7]。日本科学家最近在白腐菌种Phanerochaete sordida 中发现了一种新的木质素过氧化物酶YK-LiP基于双电子氧化机制降解木质素，进一步丰富和发展了LiP的催化机理的理论研究[8]。

1.2 锰过氧化物酶的催化作用

与LiP一样，MnP也是一种带有糖基的胞外过氧化物酶，不同的是，MnP表现出对过渡金属Mn 的绝对需要。MnP的活性部位是由1个近侧的组氨酸配位基（His）（它通过氢键与1个Asp结合）和1个远侧的过氧化物酶结合小区（它包括催化性His 和Arg）组成，其结构由5个二硫键和2个Mn2+维持。MnP的催化就依赖其活性中心的Mn2+：H2O2触发MnP将Mn2+氧化成Mn3+，Mn3+被有机酸螯合剂(如草酸盐、乙醇酸盐)固定，促使其从酶的活性位点中释放出来，转而充当一种低分子量的、可扩散的氧化还原调节剂，或直接将酚类物质催化氧化成对应的自由基，或在共氧化剂（co-oxidant）的协助下，将非酚类芳香族物质催化氧化成相应的自由基，接着发生一系列的自由基链反应，实施对木质素的降解[1,5－6]。然而，在若干研究中发现，在Pleurotus eryngii、Bjerkandere adusta、Bjerkandere sp.BO055、Irpex lacteus、Pleurotus ostreatus 等白腐菌中存在一种不依赖Mn2+的MnP，能直接催化氧化酚类及非酚类芳香族化合物，被视为一种处于MnP和LiP的混合过渡状态，表明这两种过氧化物酶之间彼此关联[6,9－10]。

1.3漆酶的催化作用

Lac是一种含有4个铜原子的胞外糖蛋白，根据光谱和电子顺磁共振（EPR）特征可分为3类：Ⅰ型Cu和Ⅱ型Cu各1个，是单电受体，呈顺磁性，可用顺磁共振(ESR)测定；Ⅲ型Cu有2个，是双电子受体，呈反磁性，ESR 检测不出来。由磁性圆二色散（MCD）和X射线吸收光谱分析表明：Ⅱ型Cu和Ⅲ型Cu相结合起到了3核Cu簇的功能，与包括和O2反应在内的外源配位体的相互作用有关。Ⅱ型Cu的中心具有以2个His和1个H2O配位体的3配位数性质，而Ⅲ型Cu中的每个Cu都是4配位数性质的，具有3个His配位体和1个桥式氢氧化物，Ⅱ型Cu和Ⅲ型Cu之间的桥式结构能稳定过氧化物中间物，所以氧的还原需要Ⅱ型Cu的参与[5－6]。在氧的参与下，Lac主要攻击木质素中的苯酚结构单元：苯酚的核失去1个电子而被氧化成含苯氧基的自由活性基团，结合酶活性中心——Ⅰ型铜原子位点，通过Cys-His途径将电子传递给三核铜簇位点，该位点又把电子传递给氧，氧作为电子受体，发生4电子还原，生成2分子的H2O，同时伴随着Cα氧化、Cα-Cβ裂解和烷基-芳香基裂解等一系列反应。由于Lac的氧化还原电位较低，不能直接氧化降解木质素结构中占大多数的非酚型结构单元，因此需添加一些低氧化还原位的化合物作为氧化还原调节剂。这些调节剂在酶的作用下形成高活性的稳定中间体，再从氧分子中获得电子传递给木质素分子从而降解木质素[11－12]。

1.4 3种木质素降解酶的协同作用

确定单一酶在木质素降解中的功能非常困难，因为每一种白腐菌产生不止一种木质素降解酶，如Lac 和MnP单独存在都不能很好地降解木质素，而两种酶同时存在时，木质素却能得到很好降解，表明两种酶具有协同作用。但当体系中一些条件发生变化时，这几种木质素降解酶会发生相互抑制现象，如液体培养条件下，Mn2+浓度增加会导致LiP活力大大降低，而MnP和Lac的活力却相应增加，说明这种协同作用可能存在正负两种机制。不同白腐菌木质素降解酶系的组成大不相同，而且不同降解酶系成分之间的比例将直接影响木质素降解效果[13]。各种酶系具体如何分工协作降解木质素仍是一个未解。

早期对白腐菌模式菌种P. chrysosporium的研究结果表明，木质素降解酶产生于白腐菌的次生代