白腐真菌对木质素及类似有机污染物的生物降解

时间：2022-02-14 百科知识版权反馈

【摘要】：这些残基被微生物细胞吸收，并被进一步降解。它们不仅降解自然木质素，也降解其他许多种环境污染物。

白腐真菌对木质素及类似有机污染物的生物降解_环境微生物学（下

一、白腐真菌对木质素及类似有机污染物的生物降解

1.白腐真菌对木质素的生物降解

白腐真菌对种类繁多、结构复杂的环境污染物具有很强的降解能力，但人们认识这类真菌是从它们对木质素的降解开始的，正是众多污染物结构与木质素的相似性，符合逻辑的推理是它们对污染物的强大降解能力。

白腐真菌是基于功能而非系统分类学上的命名，白腐真菌是能使木材腐烂的真菌，它们能有选择性地降解木材中的木质素，并在腐烂木材上留下相当数量的外观白色的纤维素，这也是白腐概念的由来。白腐真菌类真菌属于子囊菌亚门(Ascomycotina)和担子菌亚门(Basidiomycotina)，但主要是后者;大部分被研究的为非褶菌目(Aphyllophorales)(如原毛平革菌)和伞菌目(Agaricales)(如糙皮侧耳pleurotus ostreatus)的真菌。

木质素在常见植物多聚物中居第三位，在结构上同所有以碳水化合物为基础重复连接在一起(糖苷键、酰胺键)的多聚物截然不同。木质素的基本结构是两种芳香族氨基酸——酪氨酸和苯丙氨酸。它们被转化成苯丙烯亚单位如香豆醇、松柏醇和芥子醇。500～600个苯丙烯亚单位随机聚合，结果形成无定形的芳香族多聚物木质素。同其他有机多聚物相比，木质素的生物降解较缓慢且不彻底，这是因为木质素这种多聚物的高度异质性，且含比碳水化合物残基更难降解的芳香族残基。分子的巨大异质性妨碍进化出可与纤维素降解相比的特异性降解酶。作为替代，木质素的生物降解就是一种非专一性降解，例如胞外酶依赖H₂O₂木质素过氧化物酶与一种能产生H₂O₂的胞外氧化酶结合，过氧化物酶和H₂O₂系统产生氧自由基，自由基与木质素多聚物反应释放出苯丙烯残基。这些残基被微生物细胞吸收，并被进一步降解。

白腐真菌降解木质素的酶系被称为木质素修饰酶(lignin-modifying enzymes，LME)。LME包括锰过氧化物酶(MnP)、木质素过氧化物酶(LiP)和漆酶(Lac)。它们不仅降解自然木质素，也降解其他许多种环境污染物。除这些酶外，在木质素降解中还需要其他酶的参与，包括几种过氧化氢产生酶和还原酶，前者如乙二醛氧化酶(glyoxl oxidase)和过氧化物歧化酶(superoxide dismutase)，它们在胞内产生H₂O₂，H₂O₂是LiP和MnP的辅底物。后者包括醌还原酶(quinone reductases)和甲基转移酶(methyl transferases)。LME是WRF在次级代谢时产生，因此木质素氧化不能为真菌提供生长所需的能量。酶的合成和分泌是在限制性营养条件下，最适条件是高氧压、低N源条件下，在浸没式液体培养中，LiP和MnP受到搅拌的抑制，而Lac产生则受到搅拌的加强。木质素(或有机污染物)和LME的相互作用不是直接和专一的，要通过与介体(mediator)作用产生高氧化电位(＞900mV)的活性基团，来攻击木质素(或有机污染物)。自然和合成的介体主要有有机酸、藜芦基醇(veratyl alcohol)等。

在存在内源产生的H₂O₂时，LiP催化内源产生的低分子量的氧化还原介体藜芦基醇的氧化，其反过来进行木质素中非酚芳香unclei的一个电子氧化产生芳基正离子残基。然后它们行非酶降解得到芳香族和脂肪族产物，且在胞内被矿化。产生的残基能进行各种反应，包括苄型醇(benzylic alcohol)的氧化，碳—碳键断裂，羟化、酚二聚化/多聚化和脱甲基。而对于MnP则是MnP催化Mn²⁺的H₂O₂依赖氧化成Mn³⁺(以Mn³⁺-氧化物或某些其他的二羧酸存在)，这种氧化物氧化木质素中的酚化合物。Lac也能从低分子量的氧化还原介体产生残基，但要在一个依赖H₂O₂反应中。在产生Lac白腐真菌原毛平革菌中这种介体(mediator)化合物已被鉴定为3-hydroxyanthranilate。此外几种人工合成的介体化合物(如1-hydroxybenztriazole(HBT)和2，2'-azino-bis-(3-ethylbenzothiazoline-6 sulfonic acid)(ABTS)可作为Lac的反应介体。

白腐真菌降解木质素的作用模式是通过活性基团(radicals)进行的，因此LiP、MnP和Lac降解木质素是高度非专一性的。环境中的许多污染物与木质素相似，因此白腐真菌的木质素降解酶降解木质素的作用模式，一种非专一性的转化作用也适用于对范围广泛的高度抗降解的有机污染物的降解(图10-10)。