木质素及其他芳香族化合物的分解

1.木质素的分解

木质素是植物体的重要组分，含量仅次于纤维素和半纤维素。一般占植物干重的15％ ～20％ ，木材的木质素含量可高达30％左右。在植物细胞壁中，木质素与纤维素紧密结合，其含量对纤维素的生物分解有很大影响。木质素含量达20％ ～30％时，纤维素的分解速度明显减慢，至40％时，由于木质素屏蔽了纤维素，使微生物不能直接与其接触，而难于被分解。

木质素的化学结构十分复杂，至今尚未完全清楚。紫外光谱分析证明，木质素是芳香族化合物的多聚体，其基本结构单元是苯丙烷（C6－C3）型的结构，以醚键（-C-O-C-）和（C-C）键结合成大分子聚合物，相对分子质量可达1万至几万Da。

木质素的分解速度相当缓慢。研究表明，将玉米秸秆施入土壤后，其中的可溶性有机质、纤维素和半纤维素可被逐渐分解，6个月后总干重下降2／3，但木质素仅下降1／3。木质素的分解过程中，在0～150天内，木质素不断减少，而150～300天期间，木质素减少有限，但其中的甲氧基（-OCH3）数量明显下降，羟基（-OH）数量直线上升。这表明在分解后期，虽然木质素在量上变化不大，但其分子结构仍在改变。在厌氧条件下，木质素的分解速度更慢，然而其甲氧基（-OCH3）的消失却更快。

担子菌是分解木质素能力最强的微生物类群，其中多孔菌Polyporus abietinus和Pol-yporus subacoda能以木质素作为唯一碳源。在森林的枯枝败叶中，担子菌是木质素的主要分解者（表10-1）。腐蚀木材时，担子菌不仅分解木质素，也同时分解纤维素和半纤维素等物质。木材腐蚀可分为褐腐和白腐两种类型。褐腐是指这类真菌主要降解木材中的纤维素和半纤维素组分，较少侵蚀木质素而使残留物呈褐色的腐烂。相反，白腐则是指担子菌主要侵蚀木材中的木质素，较少降解纤维素而使残留物呈白色的腐烂。

表10-1 真菌对胶皮糖香树木质素的分解

除担子菌外，某些其他真菌也能分解木质素，如乳酸镰刀菌（Fusarium lactis）、雪腐镰刀菌（Fusarium nirale）、木素木霉（Trichoderma ligorum），以及交链孢霉、曲霉、青霉中的一些种。

毫无疑问，木质素不仅能被真菌降解，也能被细菌降解。活跃的好氧性木质素分解细菌有假单胞菌属、节杆菌属（Arthrobacter）、小球菌属（Micrococcus）以及黄单胞菌属（Xan-thomonas）中的一些菌株。

木质素分解的生化途径尚不清楚。用纯木质素作基质时，培养液中可检出多种简单的芳香族化合物，常见的有香草酸、对羟基苯甲酸、对羟基肉桂酸、阿魏酸、4-羟基-3-甲氧基苯丙酮酸、香草醛、愈创木酚、甘油等。

2.其他芳香族化合物的降解

土壤中存在的芳香族化合物数量不大，但种类很多。如木质素分解中即可产生如香草酸、阿魏酸、香草醛等多种芳香族化合物。稻草腐解时可释放出ρ-羟基苯甲酸、香草酸、ρ-香豆酸、丁香酸等。植物组织中则含有黄酮类化合物、生物碱、萜烯、单宁等。此外，真菌和放线菌的黑素是以芳香环为单元的聚合物。许多农药、除草剂、石油污染物等中也含有此类化合物。

各类简单芳香族化合物均能在土壤中分解。涉及的微生物分布广泛，但专一性不强。细菌主要有假单胞菌属、分枝杆菌属（Mycobacterium）、不动杆菌属（Acinetobacter）、节杆菌属和芽孢杆菌属。放线菌有诺卡氏菌属和链霉菌属，其中前者可能起着重要作用。细菌中的苯杆菌（Bacterium bensoli）可氧化苯、甲苯和二甲苯。甲苯苯杆菌（Bacterium toluolicum）除了能分解苯、甲苯和二甲苯外，还能分解乙苯和异丙苯等。一些假单胞菌、鞘氨醇单胞菌（Sphin-gomonas）、鞘氨醇杆菌（Sphingobacterium）等则能分解萘、菲、蒽等多环芳香族化合物。真菌中的青霉、曲霉、链孢霉、杂色云芝（Coriolus versicolor）等都能分解芳香族化合物，其中包括单宁等物质。芳香族化合物的生物降解有一些共同步骤，起始阶段都是改变或去除苯环上的可置换基团，并导入羟基，常产生儿茶酚、原儿茶酚和龙胆酸等共同中间产物，这些中间产物被开环分解，最终彻底氧化为二氧化碳和水。