通过对受毛栓菌侵染的欧美杨107杨木块木质素含量的测定,结合扫描电镜(SEM)观察和红外光谱(IR)分析方法,对WT-1降解欧美杨107杨木块的过程进行初步研究。结果表明: 受WT-1的侵染,杨木块木质素含量降低,其木质素降解过程呈现出慢-快-慢的规律; SEM观察结果表明, WT-1对杨木块木质素的降解由胞腔向胞间层进行,其中射线和薄壁组织最先降解,木纤维及导管次之; IR分析表明,受WT-1的侵染杨木块木质素结构发生了变化,木质素芳香核之间通过碳-碳键(—C—C—)连接的空间网状结构被破坏,木质素苯环间的羰基、CH2结构、紫丁香基和愈疮木基等侧链部分被降解,苯环骨架变化明显。
In this study, we performed a preliminary analysis of the decomposition process of Trametes trogii WT-1 to the wood of Populus×euramericana ‘Neva‘ using transmission electron microscopy (SEM) and infrared spectroscopy (IR)technology. The results showed that the lignin content of the wood decomposed decreased radually and the decomposition rate showed a result as fellows: slow- fast- slow law. SEM observision showed that the lignin of poplar wood is decomposed from cell to the middle lamellae, and the parenchyma and rays are decomposed firstly and followed by wood fiber and vessel. IR analysis showed that the lignin structure of poplar ‘I-107‘ was destroyed under WT-1 strains infection. The net structure formed by carbon-carbon bond (—C—C—) among aromatic nucleus of lignin was destroyed. Part of the side chain which belong to the carbonyl groups, CH2 structure, syringoside and guaiacyl among benzene ring of lignin was decomposed, and the structure of benzene ring has changed obviously.
全 文 ：第 !" 卷 第 # 期
$ % & & 年 # 月
林 业 科 学
’()*+,)- ’)./-* ’)+)(-*
/012!"!+02#
3456!$ % & &
C*&9#3#73*+(%Z,X& 降解欧美杨 &%" 杨木质素
的初步研究!
张文婷7冀宪领7高绘菊7张淑君7任春久7赵7凯7辛建增7牟志美
"山东农业大学林学院7泰安 $"&%&C$
摘7要!7通过对受毛栓菌侵染的欧美杨 &%" 杨木块木质素含量的测定!结合扫描电镜 " ’*=$观察和红外光谱
")]$分析方法!对 Z,X& 降解欧美杨 &%" 杨木块的过程进行初步研究% 结果表明& 受 Z,X& 的侵染!杨木块木质素
含量降低!其木质素降解过程呈现出慢 B快 B慢的规律# ’*=观察结果表明! Z,X& 对杨木块木质素的降解由胞腔
向胞间层进行!其中射线和薄壁组织最先降解!木纤维及导管次之# )]分析表明!受 Z,X& 的侵染杨木块木质素结
构发生了变化!木质素芳香核之间通过碳 B碳键")()()$连接的空间网状结构被破坏!木质素苯环间的羰基(
(l$ 结构(紫丁香基和愈疮木基等侧链部分被降解!苯环骨架变化明显%
关键词&7C*&9#3#73*+(%Z,X&# 欧美杨 &%" 杨# 木质素# 扫描电镜# 红外光谱
中图分类号! ’"C&2!777文献标识码!-777文章编号!&%%& B"!CC#$%&&$%# B%&$C B%>
收稿日期& $%&% B%C B&## 修回日期& $%&% B&% B$?%
基金项目& 公益性行业"农业$科研专项 " 5Q@QIY%"X%$%X%C$ 和山东省自然科学基金项目 "n$%%" $^>$ 资助%
!牟志美为通讯作者%
Q&’#%&< 7095< ")H,8"#$"(’0’")"*I’-)’)"*Q"$.%&.MN@O^/1< <+(2,’,&’+%4/TCN@
G@95HZD5
:1(0&%80&7)5 <@F;;<4:Q! UDODML0MAD: 9OMD1FAF59MQ9591Q;F;0L<@D:DN0AO0;F
TD;;D16)]9591Q;F;;@0UD: <@9<<@D1FH5F5 ;
77造纸黑液中含有大量难以去除的有机物质及无
机物质!其中木质素占废液总量的 &d j$d!占总
固形物的 8%d% 如果制浆造纸过程中大量木质素
得不到利用!会造成严重的环境污染!成为制约造纸
业发展的一个重要因素% 利用木质素降解菌对造纸
原料进行生物处理!可以降低制浆成本(改善成浆质
量!从根本上解决造纸行业对环境的严重污染状况!
对我国的可持续发展战略产生积极的影响"RDMM0N91
#3&.F! $%%%# (9A9MDM0#3&.F!&??C# ):9MM9H9#3&.F!
$%%&$%
目前对于木质素生物降解的研究主要集中在降
解木材的性能和木质素酶类特性等方面!其中!研究
最多的是木质素降解酶类的特性方面 "范美霞等!
$%&%# 张希根等!$%%?# 黄乾明等!$%%"$% 虽然对
毛栓菌"C*&9#3#73*+(%$降解木质素结构的研究也有
相关报道"池玉杰!$%%>$!但有关其降解木质素过
程中木质部细胞微观结构的变化和降解产物的研究
国内外报道很少%
C*&9#3#73*+(%Z,X& 是本实验室从自然界中分
离得到的一株毛栓菌% 初步研究表明& 该菌株具有
很强的木质素降解能力!能使细胞复合胞间层降解!
解离纤维束!是一株高效木质素降解菌株% 本文应
用扫描电镜观察并结合红外图谱分析对 C*&9#3#7
3*+(%Z,X& 降解杨木木质素的过程进行了初步研
7第 # 期 张文婷等& C*&9#3#73*+(%Z,X& 降解欧美杨 &%" 杨木质素的初步研究
究!以期为木质素生物降解机制的研究提供依据%
&7材料与方法
@?@A材料
菌种 C*&9#3#73*+(%Z,X& 为本实验室分离保
存% 杨木材为 $> 年生的欧美杨 &%" 杨 ")+E=.=7g
#=*&9#*%-&’& .+DT9/$% 根据国家标准)))2木材天
然耐腐性实验室试验方法 3 "WRe,&8?!$2& B
$%%?$!将野外采回的欧美杨 &%" 杨!晾干后锯成 $
NAg$ NAg& NA的木块% &%> c烘至恒重!高压灭
菌后使用%
@?>A方法
&2$2&7Z,X& 降解杨木块试验7按照国家标准
"WRe,&8?!$2& B$%%?$!将 Z,X& 接种河砂锯屑培
养基内!" 天后将杨木块样品放入长满 Z,X& 菌丝的
河砂锯屑培养基内!置于 $C c(相对湿度 #%d的恒
温恒湿培养箱内!分别于 !%!C%!&$% 天后取出木块!
除净表面菌丝! &%> c烘至恒重!装入干燥器中
待用%
&2$2$7木质素含量的测定7根据受菌降解前后杨
木块的质量变化!计算分解后杨木块质量减少百分
率!按照造纸原料酸不溶木素含量的测定 "WRe,
$#""2C B?!$!分析降解前后木质素含量的变化%
&2$287杨木块的扫描电镜观察7杨木块的扫描电
镜观察参照文献"陈敏忠等!&??## 李永敬等!&?CC$
进行!用刀片切下体积约为 8 AA8 的样品木块!脱
水后放在喷镀仪中进行导电处理!在 3’=X##&%./
型"日本 3*\.公司$扫描电子显微镜下观察木材的
纤维构造%
&2$2!7杨木块的红外光谱分析7刮取烘干样品表
层木粉!采用 mRM压片法!在 S,X)]+FN01D<8C% 光谱
仪"美国 ,@DMA0*1DN
!%% j! %%% NAB&%
$7结果与分析
>?@ATCN@ 对木质素的降解过程
Z,X& 对木质素的降解初期较为缓慢% 降解 !%
天后!样品中木质素的含量与对照相比!未有显著性
差异")q%2%>$# C% 天后!杨木块的降解加速!其质
量分别损失了 8$2$d和 >82"d!木质素含量与对照
相比分别减少了 !>2$d和 >$2&d# 至 &$% 天时!降
解速度又趋于减缓!木块质量与 C% 天时相比仅减少
$&2>d!木质素含量减少 #2?d"图 &$!因此!Z,X&
对欧美杨 &%" 杨木块木质素的降解过程呈现出慢 B
快 B慢的规律% 其原因可能是& 初期由于植物细胞
组织的阻碍!Z,X& 菌丝的侵入过程缓慢!木质素的
降解仅发生在表层!降解缓慢# 随着降解过程的继
续!表层木材组织受到破坏!菌丝体逐渐侵入木材内
部!Z,X& 侵染范围和空间增加!同时!Z,X& 也可以
以木材初期降解的产物为营养!菌生长加速!降解速
度加快# 至后期!Z,X& 菌丝已基本遍布所有可能的
侵入空间!同时木材组织可降解成分减少!菌生长所
需的营养供应受到限制!菌丝生长受到抑制!因此!
降解速度变慢% 但此时木块的组织结构已受到完全
破坏!木材的颜色已由白色变为暗黄色!表面皱缩!
失去原有的性状%
图 &7木质素减少率和木片损失率
SFH6&7,@DMD:4N
图 $ 为欧美杨 &%" 杨木块在 Z,X& 降解过程中
木材组织的显微结构的扫描电镜图片!其中图 $9j
: 为未受 Z,X& 侵蚀的对照样品的纵切面 "图 $9!
K$和横切面"图 $N! :$扫描电镜图片% 由图片可以
看出& 未受侵蚀样品的纤维组织完整!木纤维细胞
内壁有黏稠物质附着!壁上的纹孔结构清晰完整!木
纤维细胞胞间层较厚% 受 Z,X& 侵蚀 !% 天后!各组
织细胞结构基本完整"图 $D$% 在导管细胞内开始
有微量的菌丝出现!木射线和木纤维细胞中也有少
量菌丝生长"图 $L$% 初生的菌丝通过导管槽进入
导管内腔!在导管腔内呈对角线式附着"图 $H$% 横
切面结构完整!胞间层减薄不明显 "图 $@$% 受
Z,X&侵蚀 C% 天后!在导管细胞中可见大量菌丝生
长!木射线上的纹孔由于侵蚀显著变大!胞壁出现腐
蚀孔!局部发生破裂"图 $F$% 菌丝通过胞壁上形成
的腐蚀孔进入相邻细胞!由胞腔向胞壁发展!最后蔓
延至整个木纤维组织"图 $P$% 由于木纤维胞间层
受到侵蚀!木纤维细胞壁上出现孔洞及沟槽!继而发
生解离!部分细胞的细胞壁变薄破裂"图 $‘$!此时
导管中的粘状物质已经被降解!尽管整体结构还保
持完整!但管壁明显变薄"由 $2CC #A减薄到 &2!!
?$&
林 业 科 学 !" 卷7
#A$!局部胞壁上形成了腐蚀沟槽和孔洞"图 $1$%
受 Z,X& 侵蚀 &$% 天后!木材组织的各类细胞之中
已遍布 Z,X& 菌丝"图 $A$!纤维细胞的胞壁明显变
薄!有的已发生破碎开裂!木射线结构受到破坏!仅
剩少量残余碎片 "图 $5$!木材组织已变得非常松
散!大量木纤维解离!形成沟槽或被完全降解 "图
$0$!导管细胞的胞壁也发生了破裂"图 $O$!木材的
组织结构已受到完全破坏%
图 $7Z,X& 腐朽杨木的扫描电镜照片
SFH6$7_@0<0HM9O@;0L’*=L0M<@DHM0U<@ 95: 9<9N‘ 05 O0O19MU00: KQZ,X&
9!K6对照杨木纵切!箭头指向纹孔% N!:6对照杨木横切!箭头指向胞间层壁% D!L6腐朽 !% 天!纵切% 导管(木射
线(木纤维细胞有少量菌丝% 箭头指向菌丝% H6腐朽 !% 天!纵切% 箭头指向菌丝在导管腔内呈对角线式附着% @6
腐朽 !% 天!横切% 箭头指向菌丝% F6腐朽 C% 天!纵切% 胞壁出现腐蚀孔!局部发生破裂!箭头指向腐蚀孔% P6腐朽
C% 天!纵切% 菌丝通过穿孔从已腐朽破坏的射线细胞扩散!箭头指向穿孔菌丝% ‘6腐朽 C% 天!纵切% 纤维胞间层
因胞外酶作用而形成沟槽!箭头指向细胞局部发生解离% 16腐朽 C% 天!横切% 箭头指向胞间层壁% A6腐朽 &$%
天!纵切% 菌丝已遍布各类细胞中% 箭头指向菌丝% 56腐朽 &$% 天!纵切% 箭头指向纹孔% 06腐朽 &$% 天!纵切%
木射线已基本瓦解!仅剩少量残余碎片% 箭头指向木纤维大量解离% O6腐朽 &$% 天!横切% 细胞壁开始由胞腔向
胞间层方向减薄!内壁形成齿状% 箭头指向胞间层壁%
995: K6/DM
%8&
7第 # 期 张文婷等& C*&9#3#73*+(%Z,X& 降解欧美杨 &%" 杨木质素的初步研究
:#.3+%:#7..4Y/$样本的过程中!菌丝同样是将导管
作为突破口!然后通过纹孔和胞壁上的腐蚀孔蔓延!
这与本试验的结果一致% 通过扫描电镜观察 Z,X&
侵蚀欧美杨 &%" 杨木块胞壁!可以判别木质素的降
解和损害所达到的层次% 从试验中可以观察到欧美
杨 &%" 杨木纤维次生壁 ’8 层和导管壁对Z,X& 具有
很强的抵抗能力!它们仅在侵蚀 C% 天以后才出现明
显变化!这与陈敏忠等 "&??># &??#$的结果一致%
与前人研究不同的是& )X&%" 杨木块受侵蚀后期!
Z,X& 对导管壁的侵蚀不是仅仅停留在木纤维次生
壁 ’8 层上!而是木纤维胞壁减薄并且严重破损!出
现了细胞的收缩和崩溃!试样的外观发生明显变化%
>?BA木质素降解过程的红外光谱分析
图 8 为杨木受 Z,X& 降解不同时期的红外光谱
图% 羟基分为酚羟基和醇羟基!木材中酚羟基的含
量与木质素的缩合程度密切相关% 图中 8 !&? NAB&
处强的吸收峰即为羟基中的 \)l伸缩振动!由图
可以看出& 随着降解时间的延长!此吸收峰强度明
显减弱!表明木质素结构单元受到了破坏% 在木质
素的特征官能团中 $ ?!$ NAB&处的吸收峰为甲基(
亚甲基中 ()l伸缩振动吸收峰!其吸收峰增强!
表明木质素结构发生变化%
& #8> j& >>C NAB&的吸收峰反映了木质素芳香
核结构的特点"=9MF#3&.F! $%%8$% 在受 Z,X& 降解
过程中!表征木质素侧链上的羰基" *( \$伸缩振
动的吸收峰"& #8> NAB& $和表征苯环碳骨架"芳香
核$结构伸缩振动的吸收峰"& #&! NAB& $发生了明
显变化!由双峰变成了单峰 " & #88 NAB& $!羰基
"()\$伸缩振动的吸收峰"& #8> NAB& $变得不明
显!说明木质素结构单元侧链上的羰基已受到破坏#
苯环骨架结构伸缩振动吸收峰 "& #&! NAB& $在受
Z,X& 降解过程中逐渐减弱!表明在降解过程中苯环
结构也受到破坏% 受 Z,X& 降解 &$% 天后!& >>#
NAB&苯环骨架结构伸缩振动的吸收峰明显减弱!说
明苯环结构单元已受到严重破坏% 木质素主要有愈
疮木基丙烷和紫丁香基丙烷 $ 种前体物质% 受
Z,X&降解后愈疮木基丙烷的特征吸收峰 & >$%
NAB&和紫丁香基丙烷的吸收峰 & >&# NAB&的谱峰均
有所增强!说明木质素大分子已发生了降解!其中愈
疮木基丙烷的特征吸收峰 & >$% NAB&变化更为明
显!表明该结构单元可能更易为 Z,X& 分泌物降解%
& 8?C j& !>" NAB& $ 处吸收峰为苯环与苯环之
间通过 ()(结合的官能团特征吸收峰!在受 Z,X&
降解过程中该吸收峰逐渐减弱!至降解 C% 天后!吸
收峰强度明显减弱!说明木质素大部分已经降解!木
图 87Z,X& 降解杨木粉不同时间的红外图谱
SFH687S,)];ODN
质素芳香核之间通过碳 B碳键")()()$连接的
空间网状结构已经被破坏% 在木质素苯环间的侧链
上存在 (l$!& !>" NA
B&的吸收峰即为其特征吸收
峰% 在受 Z,X& 降解过程中该吸收峰也逐渐减弱!
说明在木质素降解过程中木质素分子的侧链也发生
了降解%
87讨论
白腐 菌 在 生 物 学 上 分 类 属 于 担 子 菌 类
"Q7%:%+*’0-#3#7$!腐生于树木或木材上!有很强的降
解木质素大分子的能力!在制浆造纸废水的生物处
理上有良好的应用% 目前!有关白腐菌的研究报道
较多!但主要集中在木质素降解酶类特性及其应用
方面!有关白腐菌腐朽木材过程中木质部细胞超微
观结构的变化和木质素降解产物的研究报道较少%
=0M0@0;@F: 等"&?C#$通过对白腐菌对木材腐朽过程
的研究认为白腐菌对胞间层的降解主要有 $ 种途
径& 一是通过穿透到胞间层中的菌丝降解# 另一种
是细胞腔中的菌丝分泌的胞外酶扩散到胞间层所
致% 本文的研究结果显示& Z,X& 在腐朽杨木的过
程中!菌丝多是通过扩大的纹孔向四周蔓延的!偶尔
也能看到菌丝在纤维壁上穿孔"图 $F! P$!菌丝在穿
过细胞壁时!可对胞间层产生一定范围的降解 "图
$A! 5$# 同时!在腐朽过程的后期纤维胞间层发生
局部解离!而最先发生解离的区域是在上下纤维相
锲接的端部"图 $‘$!这些区域在腐朽过程中表现比
较脆弱!Z,X& 分泌的胞外降解酶可能首先在这个区
域对胞间层产生降解!并由此纵深方向发展!最终使
纤维解离出来"图 $0! O$% 因此!Z,X& 对杨木的腐
朽过程中以上 $ 种途径都是存在的!但细胞腔中的
菌丝分泌的胞外酶扩散导致胞间层的腐朽是主要途
径!这与其他多种白腐菌腐朽木材的途径是一致的
&8&
林 业 科 学 !" 卷7
"陈敏忠等!&??#$%
.FD;D等"&?"%$和 ]4D1等"&?C&$认为& 白腐菌
腐朽木材的方式主要有 $ 种&一是通过菌丝与细胞
壁直接接触而产生腐蚀!但这种腐朽的降解酶扩散
范围一般很小!主要限制在菌丝附近# 二是通过胞
外酶的扩散作用来完成对远离菌丝的细胞壁(胞间
层以及细胞角隅等的降解% 通过对 Z,X& 腐朽杨木
过程的电镜照片观察偶尔看到菌丝在细胞壁上穿孔
以及菌丝附近扩大的纹孔"图 $F! P$!因此!Z,X& 可
以通过菌丝与细胞壁直接接触而对细胞壁产生腐
蚀% 通过观察还可以发现在侵入木材细胞腔内的
Z,X& 菌丝的周围包有一层黏液状覆盖物! "图
$A$!而这种黏液状物质可能与其胞外降解和代谢
活动密切相关% mFA等 "&??8$证明在真菌菌丝周
围覆盖的黏液中有胞外代谢物存在% *T95;等
"&??&$也证明云芝菌等分泌的漆酶可以通过菌丝
粘液层扩散到细胞腔!为黏液覆盖的细胞壁会发生
降解"lFH@1DQ#3&.F! &?C"$% 在扫描电镜下可以观
察到在 Z,X& 菌丝未达到的地方!有些细胞的细胞
壁产了生腐朽沟槽!并且可以看到其中有很多细胞
壁的降解产物)))微小颗粒的存在 "图 $0! O$!说
明这些地方的细胞已经发生了降解!而其降解作用
很可能就是由于菌丝所分泌的粘液四处蔓延和渗透
所致% 因此!Z,X& 腐朽木材的方式也是有 $ 种& 一
是通过菌丝与细胞壁直接接触而产生腐蚀# 二是通
过胞外酶的扩散作用而产生的腐蚀% 这也与报道的
其他白腐菌腐朽木材的方式是一致的".FD;D#3&.F!
&?"%# ]4D1#3&.F!&?C&# 陈敏忠等!&??#$!但其具体
的腐朽机制还有待于探索和研究
总之!本文结合扫描电镜观察和红外光谱方法!
首次对毛栓菌 "C*&9#3#73*+(%Z,X&$腐朽欧美杨
&%" 杨木材的过程进行了分析!并对该菌对胞间层
的降解途径及腐朽木材的方式进行了探讨!为深入
研究毛栓菌腐朽木材的机制以及其开发利用提供了
参考%
参 考 文 献
陈敏忠! 王传槐!甘习华!等6&??#6白腐菌云芝腐朽杨木的超微结
构研究6南京林业大学学报! $%"&$ & !C B>$6
陈敏忠!王传槐!叶汉玲!等6&??>6不同云芝菌株腐朽杨木过程的
扫描电镜研究6纤维素科学与技术! 8"&$ & $C B8>6
池玉杰6$%%>6# 种白腐菌腐朽后的山杨木材和木质素官能团变化的
红外光谱分析6林业科学! !&"$$ & &8# B&!%6
范美霞!付7灿!孙7迅!等6$%&%6粗毛栓菌木聚糖酶的纯化及性
质6菌物学报! $? "&$ & C8 B?%6
黄乾明!杨婉身!陈华萍!等6$%%"6粗毛栓菌诱变菌株 ’-lX&$ 漆酶
的分离纯化及酶学性质研究6菌物学报! $#"!$ & >8? B>!C6
江泽慧!费本华!杨7忠6$%%"6光谱预处理对近红外光谱预测木材
纤维素结晶度的影响6光谱学与光谱分析! $""8$ & !8> B!8C6
李永敬!金重为!邰瓞生 2&?CC6白腐菌对杨木腐朽过程的扫描电镜
研究6林业科学! $!"$$ & $!8 B$!"6
杨7忠!江泽慧!费本华!等6$%%"6’)=(-法判别分析木材生物腐
朽的研究6光谱学与光谱分析! $""!$ & #C# B#?%6
尹思慈6&??%6木材品质和缺陷6北京& 中国林业出版社6
张希根!何7川!张义正!等6$%%?6粗毛栓菌 N^+-文库的构建和漆
酶基因的表达分析6中国生物化学与分子生物学报! $> "# $ &
>$C B>886
RDMM0N91=!R91- ’!l4DM<9’!#3&.6$%%%6RF010HFN914OHM9:F5H0L
U@D9<;
(9A9MDM0’!R9MM9;93=!_D19Q0=!#3&.6&??C6*T9149
*T95;( ’! W919H@DM)=!-<‘DQ_,!#3&.6&??&6.0N91F;9
):9MM9H9W!]9A0;3!n045H]-!#3&.6$%%&6RF0ADN@95FN91O41OF5H0L
>(&,#7%7&.&’&6l01IL0M;N@45H! >>"&$ & !$ B!#6
mFA n ’! W00:D1 R! 3D1F;05 36 &??86 )AA450H01: 19KD1F5H 0L
DY
.FD;DZ6&?"%6k1
=9MF+!,9O95F/! ’9F193! #3&.F$%%86,@DDLDN<;0L9@D9<
=0M0@0;@F+! l9M9H4N@F,6 &?C#6 D^HM9:9
]4D1m! R9M504: S! *MF‘;;05 m *6&?C&6=FNM0A0MO@010HFN9195:
41
l01IL0MN@45H! 8>"!$ & &>" B&"&6
!责任编辑7石红青"
$8&