微生物对木质纤维素类物质的降解

细菌降解木质纤维素的研究进展戴芸芸;钟卫鸿【摘要】木质纤维素结构的复杂性导致其生物降解需要多种微生物协同完成。

细菌具有生长快、结构简单、适宜酸碱性条件生长等特点，在降解木质纤维素方面具有潜在应用前景。

介绍了近年来报道的降解木质纤维素的细菌种类，综述了细菌对木质纤维素的降解机理及木质纤维素含量的测定方法。

%The biodegradation of lignocellulose needs the participation of synergism of multi-microorganisms due to its complexed natural structure.Bacteria have potential application prospects in degradation of lignocellu-lose due to their characteristics,such as rapid growth,simple structure,suitable for acid and alkaline conditions. The types of bacteria for degrading lignocellulose in recent years are introduced,and the degradation mechanism and detection methods for content of lignocellulose are summarized.【期刊名称】《化学与生物工程》【年(卷),期】2016(033)006【总页数】6页(P11-16)【关键词】细菌;木质素;纤维素;生物降解【作者】戴芸芸;钟卫鸿【作者单位】浙江工业大学生物工程学院，浙江杭州 310032;浙江工业大学生物工程学院，浙江杭州 310032【正文语种】中文【中图分类】TQ352.78;X172生物质作为一种可再生资源，其开发利用是解决目前人类能源危机的重要途径之一，但是其主要成分天然纤维质原料的结晶性和木质化限制了其可利用性[1]。

微生物分解木质素的机制和应用当人们想到微生物，往往会联想到细菌和病毒。

然而，微生物还有另一个十分重要的作用，那就是分解木质素。

木质素是一种非常复杂的有机化合物，它是构成木材主要部分的聚合物。

木材中的木质素影响了木材的颜色、形状和硬度。

由于木质素的结构复杂，其降解也非常困难。

微生物的出现和进化，使得这一难题得到了一定程度的解决。

一、微生物分解木质素的机制1. 溶菌酶的作用溶菌酶是一种水解木质素的酶类，与细菌和真菌都有密切关系。

在存在溶菌酶的微生物中，木质素产生的底物可以通过微生物的代谢途径，转化为有机酸和气体等形式释放出来。

因此，溶菌酶的存在可以促进木质素的生物降解。

2. 氧化酶的作用氧化酶是一类氧化还原酶，可以用于将木质素中的芳香环酚类以及羟丙基、羟甲基等短链糖类转化为各类醛酮。

这些产物是微生物能够利用的底物，从而促进木质素的分解。

3. 木素脱甲基酶的作用木素脱甲基酶是一类针对木素分子中的甲基进行去除的酶。

这类酶主要存在于真菌和细菌中。

经过这种酶的处理，木质素中的芳香环甲基被去掉，从而使木质素更容易分解。

二、微生物分解木质素的应用1. 软木板软木板是以树皮为原料，经过加工处理得到的一种材料。

在制备过程中，木质素被微生物分解，从而使软木更加柔软、耐用。

2. 生物燃料生物燃料是以生物质为原料生产的一种燃料，它可以是来自植物、动物或者微生物的有机废弃物，如纤维素、木质素等。

通过微生物分解木质素，可以产生甲烷、CO2等气体，这些气体可以用于发电和供暖，从而成为一种清洁、可再生的能源。

3. 污染物降解一些化工废弃物和污染物，如苯、甲苯等芳香环化合物，由于分子结构复杂，难以通过传统的化学方法进行降解。

微生物通过分解木质素的作用，可以分解这些污染物，从而提供一种清洁的化学降解方法。

总的来说，微生物分解木质素机制的研究，不仅可以增加对微生物本身生态环境的理解，还可以为人们提供多种有益的工业应用，使得木质素等有机废弃物得到更加有效的利用。

木质纤维素木质纤维素是一种常见的天然聚合物，主要存在于植物细胞壁中，是植物体的主要结构成分之一。

它是由葡萄糖分子通过β-1,4-键连接而成的多糖。

木质纤维素在植物生长过程中起着重要的支持和保护作用，使细胞壁具有适当的刚度和形态，同时还可以促进植物的导水和传递养分。

木质纤维素的化学结构木质纤维素的基本化学结构由葡萄糖分子组成，它们通过特定的化学键连接在一起，形成长链状的结构。

在实际的植物细胞壁中，木质纤维素通常与其他的多糖以及一些辅助结构蛋白质相互作用，形成复杂的支架结构。

木质纤维素的性质及应用木质纤维素具有一定的耐水性和机械强度，在工业应用中有着广泛的用途。

木质纤维素可用于纸浆和造纸工业，作为包装材料、卫生纸、纸质衬板等的原料。

此外，木质纤维素还可以通过化学修饰，变成纤维素醋酸盐等高附加值的材料，用于制备纤维素纤维、纺织品、食品添加剂等。

木质纤维素的生物降解木质纤维素在自然界中是可以被微生物降解的，这是通过一系列的酶参与的生物降解过程。

微生物通过产生特定的纤维素酶来分解木质纤维素，最终将其分解成二糖和单糖等小分子，并释放出能量。

这种生物降解的过程对于环境的可持续性具有重要的意义。

木质纤维素的研究前景随着生物技术和材料科学的发展，对木质纤维素的研究也越来越受到关注。

人们致力于发展高效的生物工艺方法，提高木质纤维素的利用率和降解效率，以解决资源浪费和环境问题。

同时，基于木质纤维素的可再生特性，未来还有很大的发展空间，例如开发新型的生物基材料、生物燃料等。

综上所述，木质纤维素作为一种重要的天然聚合物，在植物生长和生态系统中发挥着重要的作用，同时具有广泛的应用潜力。

随着材料科学的进步和生物技术的发展，相信木质纤维素将在更多领域展现出其独特的价值和潜力。

木质素降解酶的产生和酶解机制研究木质素是植物细胞壁中的一种复杂有机化合物，其主要功能是提供植物机械支撑并保护植物免受外界环境的伤害。

然而，由于木质素的结构复杂且难以降解，使得其对于很多工业过程的效率与效果产生了负面影响。

因此，研究木质素降解酶的产生和酶解机制，成为解决这一问题的重要途径。

木质素降解酶的产生主要来源于微生物和真菌。

通过对这些生物的研究发现，它们能够分泌多种具有木质素降解能力的酶类。

这些酶类包括纤维素酶、木聚糖酶、木质素过氧化物酶等。

其中，纤维素酶和木质素过氧化物酶是木质素降解过程中最关键的酶类。

纤维素酶能够降解纤维素，使其转化为可溶性的木糖和葡萄糖。

而木质素过氧化物酶则能够氧化木质素结构中的苯环羟基，产生自由基反应，从而引发木质素的酶解。

这两类酶的协同作用，能够有效地将木质素分解为较小的分子，进一步促进降解过程。

然而，木质素的结构复杂性使得其降解过程十分困难。

除了上述的降解酶外，还需要一系列辅助酶的参与，包括木质素酶A、木质素酶B等。

这些辅助酶能够进一步打开木质素分子中的环状结构，增强其他酶类的作用效果。

此外，高温和酸碱度等环境条件也会对木质素降解酶的酶解效果产生一定影响。

近年来，随着基因工程和蛋白质工程的不断发展，研究人员通过改良和优化酶基因，成功构建了更高效的木质素降解酶。

这些改良酶不仅能够提高木质素的酶解效率，还能够在极端环境条件下保持稳定性。

这为工业上的木质素降解应用提供了重要的技术支撑。

木质素降解酶的产生和酶解机制研究为解决木质素降解过程中的难题提供了重要的思路和方法。

通过了解木质素降解酶的产生来源和酶解机制，我们可以利用这些信息来设计更高效的降解酶，提高木质素的利用率，减少资源浪费。

此外，对于生物质能的开发利用也具有重要意义。

最后，正是由于对木质素降解酶产生和酶解机制研究的深入探索，木质素作为一种重要的生物质能资源，目前已经得到了广泛的应用。

研究人员不断探索和改良降解酶的同事，也不断深入到具体应用领域中，以更好地适应工业生产的需求。

木质素的结构与生物降解性能木质素是一种存在于植物细胞壁中的复杂有机高分子化合物，它在植物界中广泛存在，尤其是在木质植物中的细胞壁中含量较高。

木质素的结构与生物降解性能是研究木质素功能和利用的重要内容。

首先，我们需要了解木质素的结构。

木质素具有多种不同结构的类似物，但最常见的木质素是由三个苯环通过间苯基和间甲基（3,4-二羟基苯基）连接在一起的共轭骨架构成。

这些苯环可以是单体或杂环，而共轭骨架可以使木质素具有很强的稳定性和抗降解性能。

除了共轭骨架，除去的羟基和甲基功能基团也对木质素的结构和性能发挥重要作用。

羟基基团在木质素中可承担自由基抗氧化作用，增加结构稳定性。

而甲基基团则与其他细胞壁聚合物（如纤维素和半纤维素）交互作用，增强细胞壁的机械强度。

然而，木质素的结构也限制了其生物降解性能。

由于共轭骨架和稳定的结构，纯净的木质素难以被微生物降解。

这使得木质素在环保工业和可再生能源领域的利用受到限制。

为了提高木质素的生物降解性能，研究人员通过多种途径进行了改性。

一种方法是使用化学手段改变其结构，如通过氧化、酚醛解聚等方法。

这些方法可以改变木质素的化学键和功能基团，使其更易于微生物降解。

然而，这些方法通常需要使用高温和强酸等条件，且效果不佳。

另一种方法是利用酶类来催化木质素的降解。

许多微生物，包括真菌和细菌，可以分泌特定的木质素酶来降解木质素。

这些酶可以打断木质素的结构，使其更易于微生物利用。

此外，还可以利用基因工程技术来改造微生物，使其能够高效降解木质素，并产生有经济价值的产物，如乙醇和生物柴油。

除了改变木质素本身的结构，还可以通过改变植物的基因来影响木质素的含量和结构。

一些研究发现，通过调控特定基因的表达，可以增加或减少木质素的积累。

此外，改变基因表达还可以调控木质素的组成，进一步提高其降解性能。

总的来说，木质素的结构与生物降解性能密切相关。

其共轭骨架和稳定的结构使得纯净的木质素难以被微生物降解，限制了其在环保工业和可再生能源领域的应用。

木质纤维素的微生物法降解及其饲料化研究进展
李鑫;李建勋;王雨萌;张文娟;武山开;宋文军
【期刊名称】《饲料工业》
【年(卷),期】2024(45)9
【摘要】农作物秸秆是农业生产过程中的副产物,是地球上第一大可再生资源,我国是农作物秸秆资源量较为丰富的国家。

木质纤维素是秸秆细胞壁的主要成分,是一
种可循环利用的物质资源,在饲料领域具有很大的利用价值。

木质纤维素的结构紧
密且复杂,利用难度大,采用生物法降解木质纤维素是一种绿色、安全、高效的方式。

文章概述了木质纤维素的组成成分及结构,重点叙述了自然界中降解木质纤维素的
微生物种类,及微生物降解木质纤维素各组分的降解机理,以期为研究生物降解木质
纤维素提供参考依据,进而促进秸秆饲料化的发展进程。

【总页数】8页(P137-144)
【作者】李鑫;李建勋;王雨萌;张文娟;武山开;宋文军
【作者单位】天津商业大学生物技术与食品科学学院;贵州国台酒业集团股份有限
公司;贵州国台酒业集团研究院
【正文语种】中文
【中图分类】S816.5
【相关文献】
1.培菌白蚁菌圃微生物降解木质纤维素的研究进展
2.瘤胃微生物对木质纤维素降解的研究进展
3.瘤胃微生物在木质纤维素价值化利用的研究进展
4.农作物秸秆木质
纤维素生物降解酶及降解菌的研究进展5.白蚁-共生微生物系统降解木质纤维素研究进展
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海藻糖是一种天然产物，其生产技术主要有以下几种：1. 微生物法：利用微生物（如接骨木耳菌、黑曲霉、放线菌等）对废木质素的降解作用生成海藻糖。

2. 酶解法：将木聚糖、纤维素等木质素类物质经过酶解过程，获取含有海藻糖的酶解液。

3. 化学合成法：利用化学方法将苯乙酮、山梨醇等原料，经过多步反应生成海藻糖。

4. 水解法：将木聚糖等木质素类物质经过酸、碱水解产生含有海藻糖的水解液，再经过纯化、结晶和干燥等处理工艺提取纯品海藻糖。

以上是海藻糖生产技术的主要方法，不同的方法具有各自的优缺点和适用范围，选择适合的生产技术可提高生产效率和产品质量。

细胞中的纤维素和木质素的生物降解机制纤维素和木质素是植物细胞壁中的主要组成部分，其对植物的结构和功能至关重要。

但是，由于其高度的复杂性和纤维素结晶的强度，造成它们的降解相当困难，需要各种酶类蛋白的协同作用。

在大多数情况下，纤维素和木质素的生物降解主要是由微生物完成的。

其中最重要的为真菌、细菌、古菌等在环境中存在的微生物。

而微生物中则包括了各种能够分解木质素和纤维素的菌种，这些菌种具有高度的特异性，根据不同的微生物分类、生长条件，木质素和纤维素的生物降解机制也会发生变化。

纤维素的生物降解纤维素是由许多β-葡聚糖链相互交织而成的复杂生物高分子物质，是植物细胞壁中最丰富的组分之一，其结晶区晶胞面阵列堆叠排布，大量的交联构造使其热稳定性和机械强度都非常高，极其难以被降解。

微生物中，具有降解纤维素能力的菌只有极小的一部分。

通常，能够降解纤维素的微生物可以产生细胞外酶来降解周围环境中的纤维素。

纤维素酶主要分为三种，即聚糖酶、催化酶和酯酶，其中聚糖酶和催化酶主要针对纤维素分子中的β-葡聚糖链进行效果显著，而酯酶则主要作用于纤维素和木质素中的脂肪酰基。

在细菌和古菌中，分解纤维素的主要酶包括细菌纤维素酶（Cellulases）、纤维素乙酰化酶（Acetylesteretse）、纤维素结合蛋白（Cellulose-binding protein）等。

真菌能够分泌Cellulases、Acetylesteretse、β-glucosidases、xylanases、hemicellulases等降解酶类。

由此可见，虽然纤维素作为植物细胞壁的主要成分，但是被真菌、细菌等微生物降解时，需要多种复杂酶从分子链中逐渐降解出单糖分子才能真正被分解，其过程相当复杂。

木质素的生物降解与纤维素相比，木质素是含氧的天然高分子化合物，具有独特的结构和环节，是植物细胞壁中不可分割的一部分。

不同于纤维素，由于木质素有一定的芳香环结构和立体构型，其降解极其复杂。

木质素的微生物降解木质素是三种苯丙烷单元通过醚键和碳碳键相互连接形成的具有三维网状结构的生物高分子，存在于木质组织中，主要作用是通过形成交织网来硬化细胞壁，为次生壁主要成分。

木质素主要位于纤维素纤维之间，起抗压作用。

在木本植物中，木质素占25%，是世界上第二位最丰富的有机物（纤维素是第一位）。

由于自然界中木质素与纤维素、半纤维素等往往相互连接，形成木质素-碳水化合物复合体（Lignin-Carbohydrate Complex），故目前没有办法分离得到结构完全不受破坏的原本木质素。

木质素是自然界中含量丰富的三大生物质之一，占陆生植物干重的15%−40%，其结构为由苯丙烷单元结构通过醚键和碳碳键组成的具有三维空间结构无定型芳香类化合物，与纤维素和半纤维素构成植物骨架的主要成分。

木质素与纤维素、半纤维素结合十分稳定，不易降解，是生物质能源利用的关键瓶颈之一，同时木质素也是木材水解工业和造纸工业的副产物以及城市生活垃圾中一种较难降解的物质，采用化学试剂处理这些废弃物会造成严重的环境污染。

尽管针对木质素的降解方法已经有了几十年的研究，但是仍然存在许多的问题，例如化学法不能够解决污染问题，而物理法又有高能耗的挑战，生物法对环境友好但是效率较低，因此仍然是生物能源领域研究的热点和难点。

木质素在自然界中的完全降解是真菌、细菌及相应微生物群落共同作用的结果，其中真菌降解木质素的研究最为广泛和深入，但是到目前为止仍未开发出具有商业价值的生物利用木质素工业途径，以真菌为主要模式菌株开展的木质素生物降解研究长期未能突破。

由于广泛的生长条件和良好的环境适应能力，细菌在木质素降解方面深受研究人员的关注，成为国际上的研究热点之一。

在降解机制、新种属筛选、调控机理以及工业化的可能性等方面进行了大量深入的研究，也取得了显著的成就。

要想知道什么是微生物降解请到来进行了解，我们每期都会为大家介绍更多的固体废弃物安全小知识。

平板培养过程中白腐菌对木质素模型物的作用许海朋黄峰*高培基山东大学微生物技术国家重点实验室，山东济南，250100[摘要] 将白腐菌置于含有愈创木酚的平板上培养，白腐菌会将愈创木酚氧化为褐色物质。

在特定条件下，这种褐色物质又会在特定区域发生褪色。

我们测定了不同区域的木质纤维素降解酶酶活，并用HPLC、GC 和GC－MS 对各个区域的作用产物进行了分析，揭示了白腐菌降解愈创木酚过程中漆酶和纤维二糖的协同作用。

[关键词] 白腐菌；褪色圈；纤维二糖脱氢酶；漆酶白腐菌对木质素的降解主要是通过分泌胞外降解酶和各种非酶因素来作用于木质素，而且这些酶和非酶因素主要是通过氧化作用来作用于木质素。

然而木质素是一种非常复杂而且稳定的聚合物，所以现有的技术手段很难快速而方便的表征白腐菌对木质素的作用。

在日常的实验中我们可以用木质素模型物来间接而粗略的表征白腐菌对木质素的降解作用，这对于进展缓慢的木质素的研究是不可忽视的。

所谓木质素模型物，一般是指木质素的单体化合物或者一些简单的多聚体，由于这些物质在被白腐菌作用后往往会放生变色等容易检测和识别的变化，所以可以很容易的表征出白腐菌作用的强弱。

这种方法的优点是快速直观的筛选出能够降解木质素的菌株，而且可以大致的考察菌的一些相关性质。

但是这种方法的缺点也是显而易见的，这种方法表征的并不一定是白腐菌真正的降解木质素的能力，所以这种方式得到的结果一般只能是作为木质素研究的一种参考，不能作为结论。

但是由于这种方法的易操作性，所以在筛选菌株的早期应用还是比较普遍的。

在含有木质素模型物愈创木酚的平板中培养白腐菌，白腐菌分泌的胞外酶会将愈创木酚氧化为褐色的物质，从而在平板上形成一个变色的圈，我们通过观察变色圈的大小可以判定白腐菌降解木质素的能力和对木质纤维素的降解选择性[1-2]。

然而，我们在实验过程中发现，随着菌体的生长一些平板中会出现显色物质的褪色现象，形成一个褪色的环圈。

对这一现象机理的揭示有利于我们认识白腐菌对木质纤维素的作用过程以及白腐菌分泌的胞外酶的协同作用。

项目名称：木质纤维素资源高效生物降解转化中的关键科学问题研究首席科学家：曲音波山东大学起止年限：2011.1至2015.8依托部门：教育部山东省科技厅二、预期目标总体目标：提出3-5套新的木质纤维素类生物质生物转化液体燃料和化学品的生物炼制技术方案，培养一支高水平的基础研究和技术开发队伍，最终为在我国建立大规模利用木质纤维素资源转化液体燃料和大宗化学品的新型工业体系，实现社会经济可持续发展提供理论与技术基础。

五年预期目标：1）通过阐述植物生物质抗生物降解的组成和结构特征，建立起改造纤维生物质组成和结构以提高降解效率的理论体系；解析预处理技术对提高纤维生物质降解性的结构基础，提出高效、经济和实用的预处理技术方案；2）研究微生物对天然或预处理后底物的降解机理，特别是纤维素解聚机理、去结晶化途径以及提高纤维素酶的持续化降解能力的途径等，探讨采用现代系统生物技术，从复杂纤维质降解多酶体系中，筛选和发现新的高效、耐逆、适合工业要求的纤维质降解酶类；为降解不同的木质纤维素资源研制出低成本且高效的复合酶系；3）选育适于转化纤维质糖分为平台化合物的微生物，研究其代谢调控机理与机制，指导构建高效代谢工程菌，研究定向转化平台化合物的过程及相关产品的利用途径；进而通过对预处理、产酶、酶解和发酵的反应动力学、工程学和方法论的研究，将预处理技术、生物反应与分离过程耦合起来，提出新的生物炼制技术方案。

4）从木质纤维素生物降解转化角度，构建纤维素降解和糖转化利用的数据库，其中包括木质纤维素原料组成与结构特征、纤维素降解微生物类群与特性、纤维素酶、半纤维素酶和木素酶及复合酶系，新型糖代谢的功能微生物等，建立专门的信息共享平台和网站，为实现大规模降解转化木质纤维素资源提供理论、技术和信息支撑。

五年的可考核指标:提出2-3种新的高效、低能耗、少抑制物的预处理方案；筛选到5-10种新的关键酶或非酶降解因子，构建出高效的纤维素降解酶系，使酶解转化率大于90%；使吨乙醇用酶成本从2000元以上降到800元以下；构建出能全糖共利用、表达纤维降解相关酶组分的统合生物加工工程菌株3-5株，发酵性能达到国际先进水平；综合前述进展，设计出多技术集成、全组分利用、多产品选择、经济上有竞争力的木质纤维素生物炼制技术路线3-5条；发表相关研究论文200篇以上，包括SCI影响因子超过5的论文5-10篇，总影响因子超过300；三、研究方案1）学术思路：以研究植物木质纤维素类生物质对生物降解的抗性屏障及其破解之道为核心，深入研究微生物的多种多样的降解天然纤维的策略，探索人类干预生物降解过程，认识降解产物的复杂性，提高其降解转化效率，实现全部降解糖类的代谢转化，使之转而为人类可持续发展服务的可能途径。

木质素改良途径
木质素改良是一项重要的研究领域，旨在提高木质素的可利用性和性能。

木质素是植物细胞壁的主要组成部分之一，具有坚韧性和耐腐蚀性，但同时也使得木材难以降解和加工。

以下是一些常见的木质素改良途径：
1. 生物降解：
利用微生物或真菌等生物途径，降解木质素，使木材更易于加工和处理。

这种方法可用于生产纤维素和木质素生物燃料。

2. 酶解技术：
使用酶类 如纤维素酶、木质素酶）来降解木质素，将木材转化为生物燃料、化学品或其他有用的产品。

酶解技术对木质素进行裂解，使得其中的碳源更容易被利用。

3. 化学改性：
利用化学方法改变木质素分子结构，以增强木材的性能。

比如，在木质素分子中引入功能基团，增强其耐水性、耐腐蚀性和力学性能。

4. 生物技术：
利用基因编辑和转化技术，改良植物的木质素合成途径，使其产生更易降解或特定性能更优的木质素。

5. 热处理：
采用高温、高压或特殊处理方式，例如热压、热处理等，来改变木质素分子结构，增强木材的稳定性、硬度和耐久性。

6. 降解产品利用：
将通过降解或改性得到的木质素降解产物，如木糖、纤维素、单糖等，用于生产生物能源、生物化学品、生物塑料等产品。

7. 循环利用：
通过高效的回收和再利用技术，将废弃的木质素产品重新加工利
用，减少资源浪费。

这些方法在提高木质素的可利用性、改善木材性能、促进木材资源的循环利用方面都起着重要作用。

木质素改良的发展有助于推动可持续发展和生物资源的高效利用。