全 文 ：·技术与方法·
生物技术通报
B IO TECHNOLOGY　BULL ETIN 2009年第 12期
生物法处理木质素的研究进展
程玲玲 1, 2 　何钢 , 2　陈介南 1　詹鹏 1 　张伟涛 1
(1中南林业科技大学生物环境科学与技术研究所 ,长沙 410004;
2中南林业科技大学生命科学与技术学院 ,长沙 410004)
　　摘 　要 : 　对生物法处理木质素进行了简要概述 ,包括微生物降解、生物法酸析提取木质素以及生物法纯化木质素的效
果及其研究进展。生物法处理木质素对资源的合理利用、经济的发展以及环境保护具有重要的意义。
关键词 : 　木质素 　微生物降解 　生物法 　纯化 　
Research Progress of Biolog ica l Treatment of L ign in
Cheng L ingling1, 2 　He Gang1, 2 　Chen J ienan1 　Zhan Peng1 　Zhang W eitao1
(1 Institute of B iological and Environm ental Science & Technology, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004;
2 College of L ife Sciences & Technology, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004)
　　Abs trac t: 　The biological treatment p rocess of lignin and the results were reviewed in this paper, including m icrobial degradation,
biological acid analysis and biological purifying method1 It is greatly significant for the rational use of resources, econom ic development
and environmental p rotection to deal with lignin with biological method1
Key wo rds: 　L ignin　M icrobial degradation　B iological method　Purification
收稿日期 : 2009209210
基金项目 :国家“十一五”科技支撑计划项目专题 (2006BAD18B0503)
作者简介 :程玲玲 (19862) ,女 ,贵州遵义人 ,硕士研究生 ,研究方向 :生物化学与分子生物学 ; E2mail: chenglingling223@1631com
通讯作者 :何钢 (19652) ,男 ,教授 ,从事生物技术教学和科研 ; E2mail: hegong262@yahoo1com1cn;陈介南 (19602) ,男 ,美籍华人 ,教授 ,博士 ,从事
生物环境方面的研究 ; E2mail: jnc001@ yahoo1com1cn
　　木质素是自然界中含量仅次于纤维素、结构复
杂的天然高分子化合物 ,广泛存在于高等植物细胞
壁中 ,全世界每年产量约有 600万亿 t。木质素是造
纸工业和木材水解工业的副产品 ,也是农作物废弃
秸杆中难降解的物质。制浆造纸工业每年要从植物
中分离出大约 114亿 t纤维素 ,同时得到 5 000万 t
左右的木质素副产品 [ 1 ] ,而全球每年农作物废弃秸
秆的产量约 20亿 t以上 ,我国占 5亿多 t[ 2 ]。木质
素在自然条件下不易降解 ,造成土壤、水等的严重污
染 ,使浮游动物和鱼类的大量死亡 ,同时也严重的影
响了陆地生态系统。主要介绍生物法处理木质素的
研究进展 ,包括微生物降解、生物法酸析提取木质素
以及生物法纯化木质素。
1　微生物降解木质素
111　降解木质素的微生物
降解木质素的微生物包括真菌、放线菌和细菌
中的多种微生物 ,如表 1所示。
在木质素的自然降解过程中 ,真菌起主要作用 ,
其中白腐菌降解木质素及其衍生物的能力最强 ,能
够彻底地分解木质素 ,能把复杂的木质素高分子一
直降解成 CO2和 H2 O [ 10 ] ,降解率可达 70% ～80% ;
而且分泌胞外氧化酶降解木质素时不产生色素 ,是
最主要的木质素降解真菌。褐腐菌只能改变木质素
的性质 ,如脱甲基反应等 ,并参与腐殖质的形成 ,而
不能分解木质素。软腐菌的木质素分解能力很低。
细菌中放线菌是降解能力较强 ,其中属于链霉菌
的丝状细菌降解木质素最高可达 20% [ 11 ]。虽然
细菌降解能力弱于真菌 ,但来源广泛 ,繁殖速度也
远高于真菌 ,所以在实际的应用中可用细菌与真
菌共同作用降解木质素。利用细菌在初级代谢阶
段降解木质素 ,使木质纤维物质发生改性 ,以利于
后续真菌的有效降解 ,也可在降解作用后期代谢
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生物技术通报 B iotechnology　B u lle tin 2009年第 12期
表 1　降解木质素的微生物种类
门 科 属名
真菌
白腐菌
黄孢原毛平革菌 ( Phanerochaete chrysosporium )、虫拟蜡菌 ( Ceriporiopsis subverm ispora) [3 ]、糙皮侧耳菌 ( P leurotus
ostreatus)、变色栓菌 ( Tham etes versicolor) [4 ]、射脉齿菌 ( Phlebia radia ta)、杂色云芝菌 ( Coriolus verd icolor)、多年层
孔菌 ( Fom es annosus)、木灵芝 ( Ganoderm a ostra le)、贝壳状革菌 ( Panusconchatus)等
褐腐菌 密粘褶菌 ( Gloeophyllum trabeum ) [5 ]、密褐褶孔菌 (Lenzites trabea)、茯苓 ( Poria cocos)等
软腐菌　 黑葡萄穗霉 ( S tachybotrys chartarum )、腐皮镰刀菌 ( Fusarium solani)、烟曲霉 (A sperg illus f um igatus)
其它真菌 酵母菌 ( Trihosporon pullulans) [6 ]
细菌
放线菌　 链霉菌 ( S treptom yces)、节杆菌 (A rthrobacter)、小单孢菌 (M icrom onospora)、诺卡氏菌 (N ocardia)等 [7 ]
其它细菌
厌氧梭菌 ( C lostrid ium )、假单胞菌属 ( Pseu dom onas)、不动杆菌属 (Acinetobacter)、黄杆菌属 ( F lavobacterium )、微
球菌属 (M icrococcus)、黄单胞菌属 ( Xant hom onas)、双芽孢杆菌属 (Am phibacillus) [8 ]、坚强芽孢杆菌 (B acillus fir2
m us) [9 ]等
真菌降解木质素产生的低分子量物质 ,提高木质素
降解率。
112　木质素微生物降解机理及降解酶
木质素由苯丙烷单元通过醚键 ( C2O2C)和碳 2
碳键 (C2C )连接而成的复杂的、无定形的三维空间
结构。依苯丙烷的侧链取代基不同 ,它又可分为愈
创木基结构、紫丁香基结构和对羟苯基结构 (图 1,
图 2) [ 12 ]。
木质素降解酶主要有 3种 ,包括木质素过氧化
物酶 ( lignin peroxidase, L iP)、锰过氧化酶 (manga2
nese peroxidase, MnP)和漆酶 ( laccase ) [ 13 ]。其中 ,
L iP氧化非酚型化合物 ,断裂 Cα 2Cβ键 ,使芳香环开
环 ;漆酶氧化酚型化合物 ,M nP既可氧化酚型结构
也可氧化非酚型结构。另外 ,还有葡萄糖氧化酶
( gucose2l2oxidase, GIO )、乙二醛氧化酶 ( gyoxaloxi2
dase, GLOX )、芳 醇 氧 化 酶 ( aryl2alcoholoxidase,
AAO )、酚氧化酶、过氧化氢酶、甲基化酶、芳香醛酸
还原酶和醌还原酶等酶都参与了木质素的降解或对
其降解产生一定的影响。同时 ,在木质素降解的过
程中还有羟基自由基 /铁离子、草酸 /锰离子和藜芦
醇等小分子的参与。
木质素的微生物降解过程中发生的主要化学变
化有侧链氧化、去甲基化去 /甲氧基化、芳香环断裂。
木质素高聚物在微生物 /酶的作用下 ,各木质素之间
连接键的断裂 ,并对侧链进行一定的修饰 ,使原来的
高分子化合物分解为低分子物质。苯环上的甲基 /
甲氧基在微生物 /酶的作用下去甲基化 /去甲氧基
化 ,形成酚类物质 ,漆酶能降解木质素中的苯酚结构
单元 ,使苯酚失去一个电子而被氧化 ,产生含苯氧基
的自由活性基团。经过解聚以及去甲基反应后 ,木
质素被进一步降解成以单环为主的芳香物质 , L iP
酶可促进该类物质的开环反应。经过这一系列反应
一方面木质素的使侧链形成 C1、C2、C3片段 ,另一
方面可使木质素大分子氧化形成芳香醛酸、醌和
开环产物等中间产物。C1、C2、C3片段进入三羧酸
循环 ,最终代谢为 CO2。非酚型芳香醛酸先还原成
相应的醇 ,在被 L iP酶氧化成开环产物或醌 /氢醌 ,
酚型芳香醛酸被酚氧化酶直接代谢。醌由醌还原
酶还原成氢醌经儿茶酚途径开环 , 最后代谢
为 CO2 [ 14, 15 ] 。
图 1　木质素中的 3种基本结构
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2009年第 12期 程玲玲等 :生物法处理木质素的研究进展
图 2　木质素的部分结构
113　木质素的生物降解的应用
木质素的生物降解在许多领域有着广阔的前
景。在造纸工业通常采取硫酸盐法 (以氢氧化钠和
硫化钠使醚键断裂 )和亚硫酸盐法 (通过磺化反应
使木质素变成水溶性物质除去 )除去木质素 ,这些
方法污染大、能耗高、利用率低。利用微生物降解木
质素或直接利用木质素降解酶使木质素降解可克服
传统工艺的缺点 ,包括生物制浆、生物漂白、及废水
的处理。生物制浆是直接利用白腐菌等微生物降解
纤维原料中的木质素。 Ferraz等 [ 16 ]利用白腐菌对
桉树进行预处理 ,木质素损失最高达 27% ,纸浆硬
度显著降低。生物漂白是利用白腐菌等微生物或木
质素降解酶类处理纸浆 ,分解并除去残余的木质素。
大量研究表明 ,利用木质素酶进行预漂 ,可提高纸浆
的可漂性 ,减少后续化学漂白过程中漂剂的用量 ,减
轻了化学药品对环境的污染程度。另外 ,造纸废水
含有大量的木质素和木质素衍生物 (木质素磺酸盐
及硫酸盐木质素 ) ,利用白腐菌及其分泌的酶系可
以有效降解造纸废水中的这些物质 ,减少对环境的
危害。Choudhury等 [ 17 ]用白腐菌处理废水 ,对木质
素、BOD5、CODCr和色度去除率分别为 77%、7618%、 60%和 80%。木质素的降解在饲料工业 ,发酵与食品工业及生物肥料等方面等方面都将具有重要意义。在饲料工业中 ,木质素分解酶或分解菌处理饲料可提高动物对饲料的消化率。在发酵与食品工业中 ,木质纤维素中 ,木质素的包裹结构阻碍了纤维素和半纤维素的有效利用 ,所以木质素的优先降解是纤维素进一步糖化和转化的关键。在生物肥料方面 ,固体废弃物如秸秆、畜禽粪便等 ,因其中含有一定量的木质素 ,严重影响了堆肥过程纤维素的降解速度 ,从而延长发酵时间。以白腐菌为代表的木质素降解微生物处理农作物废弃的秸秆 ,可以提高木质素的降解速率 ,缩短堆肥发酵周期 ,提高发酵质量。2　微生物法酸析和纯化木质素211　微生物法酸析木质素目前从黑液中提取木质素的方法主要有酸析法、化学絮凝法 ,蒸发浓缩法、和膜分离法等 [ 18 ]。无机酸酸析法的缺点是无机酸的加入量较大 ,增加了二次污染 ,同时设备需进行防腐 ,而且废水仍达不到排放标准。化学絮凝法的沉聚物中存在大量的有机杂质 ,对木质素分子功能基破坏较大。蒸发浓缩法
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的缺点是黑液的中含大量碳水化合物降解产物及无
机盐类对木素的改性及应用会产生不利的影响 ,而
且黑液由于含硅高易结垢而不易蒸发。膜分离法主
要有电渗析法和超滤法。缺点是各种膜对黑液的适
应性都不强 ,其中电渗析法电极易污染 ,耗电量大 ,
成本较高 [ 19 ]。
生物酸析法提取木质素主要是利用产酸微生物
代谢产酸 ,即通过产酸及木质素吸附效应去除体系
中木质素 ,原理类似于酸析法。刘波等 [ 20 ]用白腐菌
处理碱性造纸黑液 , pH值可从 8、9降至 1,在 pH210
时黑液中的木质素主要是酸溶性木质素 , CODCr去
除率达 73%。另外 ,还有报道用酵母菌代谢产酸析
出木质素。微生物所产生的酸是有机酸 ,可被自然
界其他微生物转化利用 ,造成二次污染的程度很小 ,
而且操作简便 ,不需增加复杂的设备 ,在工业上具有
一定的应用潜力。但不足之处是有些白腐真菌在处
理黑液时发挥产酸与降解的双重功能 ,降低了木质
素的提取率。褐腐菌和白腐菌具有相同的产酸代谢
途径 ,而且褐腐菌不能完全降解木质素 ,只改变木质
素的性质 ,所以可以利用褐腐菌代谢产酸析出木
质素 [ 21 ]。
212　微生物分离纯化木质素
植物体中部分木质素与部分碳水化合物间存在
化学键联接 ,形成木质素和碳水化合物的复合体
( lignin2carbohydrate comp lex,简称 LCC ) [ 22 ]。在蒸
煮过程中部分 LCC分解 ,部分保留复合态进入黑液
中 ,所以工业碱木质素中除纯木质素 (以苯丙烷为
基本结构 )外 ,非纯木质素部分主要为 LCC[ 23 ]。木
质素的纯度对其应用有很大的影响 ,为了拓宽木质
素的应用途径 ,提高其利用价值 ,需对粗碱木质素进
行纯化 ,提高木质素产品的性能。
工业碱木质素的纯化主要是降解 LCC,除去与
木质素化学键合的糖类。常用的方法为酸中和沉淀
法和有机溶剂法 [ 24 ]。酸中和沉淀法的缺点是酸消
耗量大且难以回收 ,而造成二次污染 ,同时纯化所得
木质素仍含较多灰分。有机溶剂法溶剂毒性大 ,操
作麻烦。汪苹等 [ 23 ]根据碳水化合物部分的糖甙键
有良好亲水性 ,因此能溶于以吡啶 +乙酸 +水按一
定比例配成的水相溶液 ,而纯木质素的亲水性极差 ,
则溶于三氯甲烷油相中的原理 ,得到了纯木素物质。
但采用该方法只能将含有 LCC结构的木质素分离
出来 ,却无法破坏 LCC结构 ,不能从根本上分离
LCC结构中的木质素和碳水化合物。
近年来 ,生物法制浆领域的研究表明在纸浆漂
白过程中加入木聚糖酶可提高纸浆的白度 ,其机理
主要是木聚糖酶降解了浆中部分木聚糖和残余木质
素中的 LCC结构 [ 25, 26 ]。因此 ,可以利用木聚糖酶降
解木质素中高聚合度的木聚糖和 LCC结构 ,从而去
除木质素中所含有的糖分 ,提高木质素的纯度。木
聚糖酶的生产主要依靠真菌、细菌等微生物发酵生
产 ,属于水解酶类 ,是一类可以将木聚糖降解成低聚
木糖或木糖的复合酶系 ,包括内切β21, 42木聚糖酶
( endo2β21, 42D2xylanaseEC 3121118) ,β2D2木糖苷酶
(β2D2xylosidases EC 31211137) ,α2L2呋喃型阿拉伯
糖苷酶 (α2L2arabinofuranosidases) ,α2葡萄糖醛酸苷
酶 (α2D2glucuronidases) ,乙酰木聚糖酯酶 ( acetylxy2
lan esterases) ,阿魏酸酯酶 ( feruloyl esterase)等 [ 27 ]。
彭园花等 [ 28 ]将生物法与化学方法相结合对木质素
进行提纯 ,用苯 2乙醇混合液对木质素的含量仅占
34% ～37%的原始工业木质素进行抽提处理去掉多
糖等碳水化合物后 ,木质素含量能增加到 80% ,再
进一步经过半纤维素酶处理 ,去掉成键部分的木聚
糖 ,木质素含量达到了 97%。
另外 ,对碱法制浆黑液进行厌氧处理 ,木质素的
纯度也有所提高 ,进行厌氧处理黑液中的半纤维素
和糖类转化为 CH4、CO2等 ,产生沼气 ,黑液中的
COD和 BOD降低 40% ～50%和 80% ～90% ,厌氧
处理前后木素的基本结构单元保持不变 ,厌氧处理
前后 ,入、出流黑液酸化时耗酸量基本一致 [ 29 ]。
3　生物处理与其他处理相结合
木质素造纸废水中的主要污染物之一 ,是制浆
造纸废水 COD与色度形成的主要原因。在对造纸
废水进行处理时 ,由于其成分复杂 ,用单一的处理方
法效果不是很理想 ,物理化学法的优点是直接和快
速 ,但成本大 ,同时化学方法还增加了二次污染 ,生
物法则具有处理成本低、运行管理较为简单、处理效
率高等优势。很多研究者将生物处理方法和物理化
学法相结合起来取得了很好的处理效果。
Helble等 [30 ]用臭氧 +生物膜反应器工艺处理造
纸废水 , COD去除率达到 80%。另外 Nakamura等 [ 31 ]
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用臭氧 +活性污泥工艺处理造纸废水时对木质素的
降解率很高。 Schm idt和 Lange[ 32 ]用活性污泥 +臭
氧 ( as tertiary treatment) 工艺 , 对 COD 去除率为
87% ～97% , BOD去除率为 97%。Lescot和 Japp in2
en
[ 33 ]用氧化塘 +二沉池工艺对漂白废水进行处理
时 , SS、BOD7、COD、AOX、色度的去除率分别为
87%、96%、65%、53%和 22%。Foelkel[ 34 ]用物理化
学法 +生物法 +氧化塘深度处理工艺处理造纸废
水 ,对 BOD、COD、SS、色度的去除率分别为 98 ～
99%、91%、97%、和 90%。王宇等 [ 35 ]采用厌氧 +絮
凝 +好氧工艺处理造纸黑液 ,黑液经过厌氧处理使
废水中的难降解污染物经过生物的水解、酸化等过
程 ,使得污水中的大分子物质逐渐降解为小分子物
质 ,通过絮凝去除了大量的木素、纤维素等有机物 ,
在通过好氧处理进行有机物降解试验 , COD总去除
率可达 93%以上。Rustenet[ 36 ]用一级厌氧 +二级好
氧 +生物膜反应器工艺处理造纸废水 , COD、BOD7、
AOX、ClO3 的去除率分别为 50%、80% ～ 90%、
50%、90%。任拥政等 [ 37 ]用白腐菌 +厌氧 +好氧工
艺处理黑液 ,白腐菌将黑液中的木质素等大分子有
机物降解为小分子有机物 ,再经厌氧 +好氧的后续
处理 ,黑液 COD去除率约为 80%。Singh P等 [ 38 ]采
用厌氧 +好氧工艺处理造纸废水 ,对木质素、色度
AOX、COD、苯酚的最大去除率分别为 86%、95%、
67%、88%和 63%。
4　结语
木质素是自然界中惟一能提供可再生芳基化合
物的非石油资源 ,也可生物降解 ,广泛用于工业、农
业、医药、食品防腐、印染工业等方面。随着蛋白质
分离、纯化、空间构象测定技术的发展和对木质素酶
催化机理认识的加深 ,以及应用分子生物学技术对
木质素降解酶相关基因结构、表达调控机理等深入
研究 ,木质素的生物降解将有着更为广阔的应用前
景。造纸废水中的木质素给环境带来很大危害 ,同
时也浪费了许多宝贵的资源 ,生物法处理造纸废水
运行费用低、不产生二次污染 ,生物酸析法提取黑液
中的木质素 ,不仅可以削减黑液的污染问题 ,还可以
变废物为有用资源 ,具有可观的环境效益和经济效
益 ,将生物法和物理化学方法结合处理造纸废水效
果良好。对木质素进行有效的处理对于资源的合理
利用 ,经济的发展以及环境保护都有重要意义。
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