木质纤维素生物降解机理
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2 5 （ 增 刊 ） ： 3 1 3 -3 1 7 华 北 农 学 报 ·2 0 1 0 ，
木质纤维素生物降解机理及其降解菌 筛选方法研究进展
1 1 2 王士强 ， 顾春梅 ， 赵海红 （ 1． 黑龙江省农垦科学院 水稻研究所， 黑龙江 佳木斯 154007 ； 2． 黑龙江省农科院 佳木斯分院， 黑龙江 佳木斯 154007 ）
［1 ］
部分能被反刍动物低效率利用外 ， 大多数就地烧毁， 造成环境污染和资源浪费。 因此长期以来， 国内外 一直在寻找降解植物秸秆木质纤维素的最佳途径 ， 研究一般都集中于下面几个方面： 将秸秆进行理化 处理， 蒸气爆破、 热水处理、 稀酸处理、 碱处理、 低温 氨爆处理、 湿 氧 法、 有 机 溶 剂 处 理、 超临界水处理 等
［2 ］
， 酶解、 生物发酵， 理化处理一般可以去掉 50%
， 很难作为工业原料及饲料， 除
的木质素并使纤维素成为非结晶态， 但用于工业化
收稿日期： 2010 － 05 － 02 作者简介： 王士强（ 1979 － ） ， 男， 黑龙江海林人， 助理研究员， 硕士， 主要从事微生物、 土壤肥料、 水稻栽培方面的研究。 通讯作者： 赵海红（ 1981 － ） ， 女， 黑龙江五常人， 研究实习员， 硕士， 主要从事植物病理等方面的研究。
［16 ］
， 纤维
素酶活性研究， 也有一些关于真菌纤维素降解机理 ［5 ］ 随着细菌中多纤维素酶体 的报道 。 关 于 细 菌， （ Cellulosome） 的发现， 多纤维素酶体的结构、 功能、 合成机理及纤维素分解方面的作用受到了人们的关 ［6 ， 7 ］ 。本研究对近几年来国内外在木质纤维素酶 注 降解菌筛选方法方面所取得进展和生物降解机理进 行综述和评价。
1
木质纤维素生物降解机理
自然界中， 木质纤维素能够被千百种微生物所 降解。微生物降解木质纤维素时主要有两种进攻方 一是由外部到内部； 二是由内部向外部。细菌在 式， 降解木质纤维素时首先吸附在纤维素表面 ， 不断地 细菌吸附的纤维素部位 由纤维的表面向内部生长， 被细菌所破坏， 纤维易于膨胀， 较为容易分解。真菌 在降解木质纤维素的过程中， 首先吸附在木质纤维 菌丝由端部向内延伸， 分泌木质纤维素降 素的端部， 解酶， 然后由内向外降解木质纤维素。 微生物降解 木质纤维素时无论采用何种方式来破坏木质纤维素 结构， 在木质纤维素生物降解过程中起主要作用的 还是微生物所产生的木质纤维素降解酶 。由于木质 其生物降解过程则是一个复 纤维素天然结构复杂， 杂的酶学过程， 需要多种酶的协同作用来完成的 。 1． 1 纤维素降解酶 关于纤维素酶的水解机理， 被广泛接受的是纤 维素酶是所有参与降解纤维素的各种酶的总称 ， 主 要由外切酶（ CBH） 、 内切酶 （ EG ） 和 β 糖苷酶 （ BG ） ［8 ］ 3 种酶协同 / 竞争降解纤维素 。 由于纤维素的多 形性， 纤维素的水解需要多种酶协同作用才能完成 ， 在纤维素降解过程中， 纤维素酶间的协同效应已经
增刊
王士强等： 木质纤维素生物降解机理及其降解菌筛选方法研究进展
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谢能力共同决定的。与木质素降解有关的降解酶以 木质素过氧化物酶 （ LiP ） 、 锰过氧化物酶 （ MnP ） 和 漆酶为主（ Laccase） ， 另外还有其他一些辅助酶的作 ［17 ， 18 ］ 。 木质素是苯丙烷类聚合物难于被降 用 解
（ 1． Rice Research Institute of Land Reclamation Academy in Heilongjiang Province， Jiamusi 154007 ， China； 2． Jiamusi Branch of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences， Jiamusi 154007 ， China） Abstract： The biological degrading lignocellulose mechanism＇s research receives the attention day by day， and however， lignocellulose natural the degeneration enzyme mechanism carries on the function the report to be many， structure is complex， its biodegradation process is a complex zymology process， needs many kinds of enzymes the coordination to do uses for to complete． After many year research， various countries research worker proposed that the screening method on the lignocellulose degrading bacteria， the domestic and foreign scientific research workers explored the Screening Method on many kinds of lignocellulose degrading bacteria and the screening culture medium， has provided the shortcut for the Screening on the lignocellulose degrading bacteria， sped up the Screening work step on the degrading bacteria． The research progress in the lignocellulose biological degrading was reviewed from the aspects such as the mechanisms of biological degrading and the screening method on the degrading bacteria． The research issues to be widened and deepened in the lignocellulose biological degrading were also put forward． Key words： Lignocellulose； Biological degrading； Degrading bacteria 随着全球能源危机、 粮食危机和环境危机的到 — —地球上最 人们将目光转向木质纤维素资源— 来， 最廉价的可再生资源。据估计， 木质纤维素占 丰富、 据地球上光合产物的 60% 以上， 并且全球每年通过 光合作用产生的植物约 10 000 亿吨， 利用丰富而廉 价的纤维素生物质将是人类解决未来粮食和能源问 意义深远。然而， 天然木质纤维素结 题的途径之一， 构复杂， 难于分解
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生产时则成本太高， 且容易造成再次污染。 实践表 明， 秸秆的生物法利用是最佳途径， 此法具有降解率 高， 安全环保， 成本低， 可再生等优点。目前， 采用微 ， 生物降解秸秆是最为有效的方法 即利用木质纤维 素分解菌或其产生的酶来降解秸秆。 同时， 自然界 包括细 中存在大量可以分解木质纤维素的微生物 ， 菌、 真菌和放线菌， 主要是由来自土壤和动物消化道 ［3 ］ 的微生物菌群来组成 。 近年来， 我国该领域的研Βιβλιοθήκη Baidu究十分活跃， 侧重于纤维素分解菌的筛选
摘要： 生物降解木质纤维素机理的研究日益受到关注， 并且降解酶机制进行作用的报道很多， 然而， 木质纤维素 天然结构复杂， 其生物降解过程则是一个复杂的酶学过程， 需要多种酶的协同作用来完成 。 经过多年的研究， 各国研 国内外的科研工作者们探索出了多种木质纤维素降解菌的筛选方法和 究工作者提出木质纤维素降解菌的筛选方法， 筛选培养基， 为木质纤维素降解菌的筛选提供了捷径， 加快了木质纤维素降解菌筛选工作的步伐 。 从生物降解机理 综述了木质纤维素生物降解研究进展， 提出了有待拓宽和深化研究的内容 。 和降解菌筛选方法等方面， 关键词： 木质纤维素； 生物降解； 降解菌 中图分类号： X172 文献标识码： A 文章编号： 1000 － 7091 （ 2010 ） 增刊 － 0313 － 05
The Research Progress on the Mechanisms of Lignocellulose Biological Degrading and the Screening Method on the Degrading Bacteria
WANG Shiqiang1 ， GU Chunmei1 ， ZHAO Haihong2
［9 ］ 得到了广泛的研究 。 水解分 2 个部分， 初级水解 通 和次级水解。初级水解发生在固体底物的表面，
过内切酶和外切酶的作用释放出聚合度在 6 以下的 ［10 ］ 可溶性糖到液相中 ， 其中， 内切酶可作用于纤维 1， 4 糖苷键， 素分子内的无定形区， 随机水解 β 将长 链纤维素分子截短， 产生大量的小分子纤维素， 即纤
［4 ］
维素末端。内切型纤维素酶可为外切酶提供大量的 反应末端， 同时它也能水解小分子的纤维素寡糖 ； 外 切酶作用于纤维素分子的末端， 依次从纤维素分子 ， 中切下纤维二糖 它可以作用于纤维素分子内的结 晶区、 无定形区和羧甲基纤维素； 纤维二糖酶作用是 将纤维二糖水解为葡萄糖。而细菌纤维素酶往往以 纤维素酶小体的形式附着在细菌细胞壁的表面 ， 为 了有利于纤维素的降解， 具有纤维降解能力的细菌 往往通过纤维素酶小体上的纤维素结合域 （ CBD ） ［11 ］ 附着到纤维素的表面 。 好氧细菌和真菌产生的纤维素酶组分较为单 一， 而厌氧细菌和真菌则可产生一个独特的多酶复 ［12 ］ 合体结构， 被称为多纤维素酶体 。 所谓的多酶体 是指纤维素酶和一些多聚糖酶通过一个没有活性的 而这骨架蛋白通常被称为 骨架蛋白 绑 定 在 一 起， CbpA、 CipA 或 CipC［13］。在骨架蛋白中包含有许多 的黏结蛋白区和纤维素绑定区。由于多纤维素酶体 使得其在纤维素降解过程中具有很多 的特殊结构， 优点： ①它们与纤维素紧密地结合， 将减少由于动态 的环境条件造成的分解中间产物的损失 。在好氧系 统中主动地搅拌和通气是必须的， 分泌的酶和这个 中间产 物 的 损 失 证 明 对 提 高 整 个 工 艺 的 效 率 不 ［14 ］ 增加了 成 对 酶 的 活 利 。②由于具有支架蛋白， 从而复 性。③在同一个复合体内的酶具有相似性， 合纤维素酶系统的各个不同水解酶之间具有更大的 ［15 ］ 酶之间的协同作用增强了 。 协同作用， 1． 2 半纤维素降解酶 半纤维素酶是木聚糖酶、 甘露聚糖酶、 阿拉伯聚 糖酶、 阿拉伯半乳糖酶和木葡聚糖酶等多组酶的总 称。纤维素酶和半纤维素酶通常同时出现在某些微 生物的发酵产物中， 而且它们在应用、 分子结构及作 用机理等方面都有相似性和相关性 。木聚糖是半纤 维素内主要的碳水化合物， 它的完全水解也是需要 1， 4多种水解酶的协同作用来完成。 胞内β 木聚 1 ， 4糖酶和木聚糖 β 木糖酶是半纤维素水中的主要 的两种酶。前者通过劈开木聚糖而产生低聚糖， 后 者作用于木聚糖低聚物而产生木糖 。在木聚糖水解 过程中， 还需要一些附属酶如阿魏酸酯酶 、 香豆酸酯 酶等的协同作用。纤维素酶和半纤维素酶具有很好 在木聚糖酶和纤维素酶中均存在 的协同 性 ， CBD， 而且两者的功能和氨基酸组成上相似 。 1． 3 木质素降解酶 由于微生物对木质素的降解依靠的是其分泌的 酶系， 不同的菌种可能具有不同的降解酶系统 ， 一个 菌株的木质素降解能力是由它的生理特性和总体代
木质纤维素生物降解机理及其降解菌 筛选方法研究进展
1 1 2 王士强 ， 顾春梅 ， 赵海红 （ 1． 黑龙江省农垦科学院 水稻研究所， 黑龙江 佳木斯 154007 ； 2． 黑龙江省农科院 佳木斯分院， 黑龙江 佳木斯 154007 ）
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部分能被反刍动物低效率利用外 ， 大多数就地烧毁， 造成环境污染和资源浪费。 因此长期以来， 国内外 一直在寻找降解植物秸秆木质纤维素的最佳途径 ， 研究一般都集中于下面几个方面： 将秸秆进行理化 处理， 蒸气爆破、 热水处理、 稀酸处理、 碱处理、 低温 氨爆处理、 湿 氧 法、 有 机 溶 剂 处 理、 超临界水处理 等
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， 酶解、 生物发酵， 理化处理一般可以去掉 50%
， 很难作为工业原料及饲料， 除
的木质素并使纤维素成为非结晶态， 但用于工业化
收稿日期： 2010 － 05 － 02 作者简介： 王士强（ 1979 － ） ， 男， 黑龙江海林人， 助理研究员， 硕士， 主要从事微生物、 土壤肥料、 水稻栽培方面的研究。 通讯作者： 赵海红（ 1981 － ） ， 女， 黑龙江五常人， 研究实习员， 硕士， 主要从事植物病理等方面的研究。
［16 ］
， 纤维
素酶活性研究， 也有一些关于真菌纤维素降解机理 ［5 ］ 随着细菌中多纤维素酶体 的报道 。 关 于 细 菌， （ Cellulosome） 的发现， 多纤维素酶体的结构、 功能、 合成机理及纤维素分解方面的作用受到了人们的关 ［6 ， 7 ］ 。本研究对近几年来国内外在木质纤维素酶 注 降解菌筛选方法方面所取得进展和生物降解机理进 行综述和评价。
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木质纤维素生物降解机理
自然界中， 木质纤维素能够被千百种微生物所 降解。微生物降解木质纤维素时主要有两种进攻方 一是由外部到内部； 二是由内部向外部。细菌在 式， 降解木质纤维素时首先吸附在纤维素表面 ， 不断地 细菌吸附的纤维素部位 由纤维的表面向内部生长， 被细菌所破坏， 纤维易于膨胀， 较为容易分解。真菌 在降解木质纤维素的过程中， 首先吸附在木质纤维 菌丝由端部向内延伸， 分泌木质纤维素降 素的端部， 解酶， 然后由内向外降解木质纤维素。 微生物降解 木质纤维素时无论采用何种方式来破坏木质纤维素 结构， 在木质纤维素生物降解过程中起主要作用的 还是微生物所产生的木质纤维素降解酶 。由于木质 其生物降解过程则是一个复 纤维素天然结构复杂， 杂的酶学过程， 需要多种酶的协同作用来完成的 。 1． 1 纤维素降解酶 关于纤维素酶的水解机理， 被广泛接受的是纤 维素酶是所有参与降解纤维素的各种酶的总称 ， 主 要由外切酶（ CBH） 、 内切酶 （ EG ） 和 β 糖苷酶 （ BG ） ［8 ］ 3 种酶协同 / 竞争降解纤维素 。 由于纤维素的多 形性， 纤维素的水解需要多种酶协同作用才能完成 ， 在纤维素降解过程中， 纤维素酶间的协同效应已经
增刊
王士强等： 木质纤维素生物降解机理及其降解菌筛选方法研究进展
315
谢能力共同决定的。与木质素降解有关的降解酶以 木质素过氧化物酶 （ LiP ） 、 锰过氧化物酶 （ MnP ） 和 漆酶为主（ Laccase） ， 另外还有其他一些辅助酶的作 ［17 ， 18 ］ 。 木质素是苯丙烷类聚合物难于被降 用 解
（ 1． Rice Research Institute of Land Reclamation Academy in Heilongjiang Province， Jiamusi 154007 ， China； 2． Jiamusi Branch of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences， Jiamusi 154007 ， China） Abstract： The biological degrading lignocellulose mechanism＇s research receives the attention day by day， and however， lignocellulose natural the degeneration enzyme mechanism carries on the function the report to be many， structure is complex， its biodegradation process is a complex zymology process， needs many kinds of enzymes the coordination to do uses for to complete． After many year research， various countries research worker proposed that the screening method on the lignocellulose degrading bacteria， the domestic and foreign scientific research workers explored the Screening Method on many kinds of lignocellulose degrading bacteria and the screening culture medium， has provided the shortcut for the Screening on the lignocellulose degrading bacteria， sped up the Screening work step on the degrading bacteria． The research progress in the lignocellulose biological degrading was reviewed from the aspects such as the mechanisms of biological degrading and the screening method on the degrading bacteria． The research issues to be widened and deepened in the lignocellulose biological degrading were also put forward． Key words： Lignocellulose； Biological degrading； Degrading bacteria 随着全球能源危机、 粮食危机和环境危机的到 — —地球上最 人们将目光转向木质纤维素资源— 来， 最廉价的可再生资源。据估计， 木质纤维素占 丰富、 据地球上光合产物的 60% 以上， 并且全球每年通过 光合作用产生的植物约 10 000 亿吨， 利用丰富而廉 价的纤维素生物质将是人类解决未来粮食和能源问 意义深远。然而， 天然木质纤维素结 题的途径之一， 构复杂， 难于分解
314
华
北
农
学
报
25 卷
生产时则成本太高， 且容易造成再次污染。 实践表 明， 秸秆的生物法利用是最佳途径， 此法具有降解率 高， 安全环保， 成本低， 可再生等优点。目前， 采用微 ， 生物降解秸秆是最为有效的方法 即利用木质纤维 素分解菌或其产生的酶来降解秸秆。 同时， 自然界 包括细 中存在大量可以分解木质纤维素的微生物 ， 菌、 真菌和放线菌， 主要是由来自土壤和动物消化道 ［3 ］ 的微生物菌群来组成 。 近年来， 我国该领域的研Βιβλιοθήκη Baidu究十分活跃， 侧重于纤维素分解菌的筛选
摘要： 生物降解木质纤维素机理的研究日益受到关注， 并且降解酶机制进行作用的报道很多， 然而， 木质纤维素 天然结构复杂， 其生物降解过程则是一个复杂的酶学过程， 需要多种酶的协同作用来完成 。 经过多年的研究， 各国研 国内外的科研工作者们探索出了多种木质纤维素降解菌的筛选方法和 究工作者提出木质纤维素降解菌的筛选方法， 筛选培养基， 为木质纤维素降解菌的筛选提供了捷径， 加快了木质纤维素降解菌筛选工作的步伐 。 从生物降解机理 综述了木质纤维素生物降解研究进展， 提出了有待拓宽和深化研究的内容 。 和降解菌筛选方法等方面， 关键词： 木质纤维素； 生物降解； 降解菌 中图分类号： X172 文献标识码： A 文章编号： 1000 － 7091 （ 2010 ） 增刊 － 0313 － 05
The Research Progress on the Mechanisms of Lignocellulose Biological Degrading and the Screening Method on the Degrading Bacteria
WANG Shiqiang1 ， GU Chunmei1 ， ZHAO Haihong2
［9 ］ 得到了广泛的研究 。 水解分 2 个部分， 初级水解 通 和次级水解。初级水解发生在固体底物的表面，
过内切酶和外切酶的作用释放出聚合度在 6 以下的 ［10 ］ 可溶性糖到液相中 ， 其中， 内切酶可作用于纤维 1， 4 糖苷键， 素分子内的无定形区， 随机水解 β 将长 链纤维素分子截短， 产生大量的小分子纤维素， 即纤
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维素末端。内切型纤维素酶可为外切酶提供大量的 反应末端， 同时它也能水解小分子的纤维素寡糖 ； 外 切酶作用于纤维素分子的末端， 依次从纤维素分子 ， 中切下纤维二糖 它可以作用于纤维素分子内的结 晶区、 无定形区和羧甲基纤维素； 纤维二糖酶作用是 将纤维二糖水解为葡萄糖。而细菌纤维素酶往往以 纤维素酶小体的形式附着在细菌细胞壁的表面 ， 为 了有利于纤维素的降解， 具有纤维降解能力的细菌 往往通过纤维素酶小体上的纤维素结合域 （ CBD ） ［11 ］ 附着到纤维素的表面 。 好氧细菌和真菌产生的纤维素酶组分较为单 一， 而厌氧细菌和真菌则可产生一个独特的多酶复 ［12 ］ 合体结构， 被称为多纤维素酶体 。 所谓的多酶体 是指纤维素酶和一些多聚糖酶通过一个没有活性的 而这骨架蛋白通常被称为 骨架蛋白 绑 定 在 一 起， CbpA、 CipA 或 CipC［13］。在骨架蛋白中包含有许多 的黏结蛋白区和纤维素绑定区。由于多纤维素酶体 使得其在纤维素降解过程中具有很多 的特殊结构， 优点： ①它们与纤维素紧密地结合， 将减少由于动态 的环境条件造成的分解中间产物的损失 。在好氧系 统中主动地搅拌和通气是必须的， 分泌的酶和这个 中间产 物 的 损 失 证 明 对 提 高 整 个 工 艺 的 效 率 不 ［14 ］ 增加了 成 对 酶 的 活 利 。②由于具有支架蛋白， 从而复 性。③在同一个复合体内的酶具有相似性， 合纤维素酶系统的各个不同水解酶之间具有更大的 ［15 ］ 酶之间的协同作用增强了 。 协同作用， 1． 2 半纤维素降解酶 半纤维素酶是木聚糖酶、 甘露聚糖酶、 阿拉伯聚 糖酶、 阿拉伯半乳糖酶和木葡聚糖酶等多组酶的总 称。纤维素酶和半纤维素酶通常同时出现在某些微 生物的发酵产物中， 而且它们在应用、 分子结构及作 用机理等方面都有相似性和相关性 。木聚糖是半纤 维素内主要的碳水化合物， 它的完全水解也是需要 1， 4多种水解酶的协同作用来完成。 胞内β 木聚 1 ， 4糖酶和木聚糖 β 木糖酶是半纤维素水中的主要 的两种酶。前者通过劈开木聚糖而产生低聚糖， 后 者作用于木聚糖低聚物而产生木糖 。在木聚糖水解 过程中， 还需要一些附属酶如阿魏酸酯酶 、 香豆酸酯 酶等的协同作用。纤维素酶和半纤维素酶具有很好 在木聚糖酶和纤维素酶中均存在 的协同 性 ， CBD， 而且两者的功能和氨基酸组成上相似 。 1． 3 木质素降解酶 由于微生物对木质素的降解依靠的是其分泌的 酶系， 不同的菌种可能具有不同的降解酶系统 ， 一个 菌株的木质素降解能力是由它的生理特性和总体代