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白腐真菌降解木质素的特性 白腐菌制浆造纸行业未来之星

赶印网 2019-08-21 阅读:70
摘要:白腐真菌降解木质素的特性白腐真菌是生物界中一类奇特的丝状真菌,它们对各种异生物质具有独特降解能力和降解机制[4]。白腐真菌对

白腐真菌降解木质素的特性

白腐真菌是生物界中一类奇特的丝状真菌,它们对各种异生物质具有独特降解能力和降解机制[4]。白腐真菌对木质纤维素的降解很大程度上可以认为是一个复杂的酶学过程,需要多种酶的协同作用来完成。首先,白腐真菌用其分泌的超纤维氧化酶来溶解秸秆表面的蜡质并吸附在木质纤维素的端部,然后,菌丝由端部向内延伸,并产生纤维素酶、半纤维素酶、内切聚糖酶和外切聚糖酶将秸秆降解为小分子碳源和半纤维素,为菌丝的生长和木质素的降解提供碳源和能量。最后,菌丝分泌木质纤维素降解酶,由内向外降解木质纤维素。目前已知,木质纤维素降解酶(木质素过氧化酶、锰过氧化酶和漆酶)依赖于H2O2。在H2O2存在的条件下,木质素过氧化酶、锰过氧化酶和漆酶协同作用破坏木质素中的酯键或醚键,将木质素降解为单个结构单。随后,苯丙烯醇之间的Cα-Cβ键断裂,生成两分子苯丙烯醇。同时,由于木质素酶含有一个血红卟啉,经H2O2氧化后转化成强氧化剂,能够从木质素的酚环中夺取电子,从而使单个苯丙烯醇断键后降解为小分子化合物,这样木质素就被彻底降解。

白腐菌是属于担子菌亚门的真菌,因腐朽木材呈白色而得名,是能够降解木材主要成分(纤维素、木质素和半纤维素)的微生物之一。木材在白腐过程中大部分纤维仍保持完整,且纤维素结晶度变化不大。由此设想利用对降解木质素选择性好的白腐菌进行生物制浆,能开辟制浆方法的新途径。白腐菌除了能降解木质素用于预理、生物漂白、生物制浆外,对其它有机异生物质也有很强的分解能力,因而在废水处理中也有广泛的应用前景。

1 白腐菌在制浆造纸预处理阶段的应用

为降低制浆能源消耗,可在制浆之前依靠白腐菌对木质素进行分解和改性,用选择过的微生物培养基对原料进行预处理。通过白腐菌对原料的预处理,可降低后阶段制浆能耗的50%,并且纤维强度性能(耐破指数)也得到改进。

白腐菌预处理制浆不仅在木质材料制浆当中应用研究较多,在非木质制浆原料(如芦苇、蔗渣、剑麻、黄麻等)预处理制浆中的应用研究同样广泛。

可以看出,白腐菌预处理在硫酸盐法、碱法、机械法和烧碱-蒽醌法等制浆方法中都可以不同程度地降低制浆成本、提高纸张质量。但是菌种筛选困难和预处理周期较长是制约白腐菌应用的最大障碍,大规模应用于制浆预处理还需要相关方面技术的突破。

2 白腐菌制浆

利用白腐菌可以降解木质素、半纤维素和纤维素的特性,白腐菌在制浆造纸各个环节的应用都得到了很广泛的研究,但是利用白腐菌直接制浆却鲜见报道。筛选对纤维素没有影响或影响较小的选择性极高的白腐菌种直接处理原料制浆是一个新的研究方向。20世纪90年代末,日本神户制钢所应用白腐菌在常温常压下分解木材成功制出优质纸浆。选定适宜温度,可以分解出80%的木质素,比一般化学制浆法成本降低了50%。这种白腐菌对木质素的脱除分解率极高,而对纸浆纤维中的纤维素分解极少,这样可使纸浆得率高达60%,超过化学法得浆率的50%。据此计算,木材的消耗量可节约1/9。此种制浆方法将是传统制浆方法的巨大挑战。同样,制浆周期长、白腐菌筛选困难是大规模生产的最大障碍。

3 白腐菌在漂白阶段的应用

在造纸工业中,为了使最终产品的白度既高又稳定,必须把浆中残余木质素所造成的棕黑色通过漂白来除去。用生物方法脱除浆中的残余木质素是现阶段人们研究最多的一种方法,普遍认为白腐菌是最有效的菌种。白腐菌可以直接攻击木质素,很有效地除去浆中残余木质素,并且能使漂白废水中的很多有毒物质最终降解成二氧化碳和水,降低漂白废水的COD、BOD及有毒物质含量,从而降低废液的污染负荷。很多国家的实验室进行了这方面的研究,尤其是日本。

在利用白腐菌进行漂白纸浆时,不免有纤维素被降解。因此,筛选出选择性高的白腐菌种是当前存在的最突出的问题。

4 白腐菌在废水处理方面的应用

制浆造纸工业的废液由于含有毒、致突变、难降解的有机氯化物而日益受到高度的重视。白腐菌具有能降解木质素和变性木质素的活酶系统,能将漂白废水中的有机氯化物转变成无机氯和二氧化碳,并破坏发色基团组织和结构,降低漂白废水中的总有机氯化物、BOD、COD和色度。

白腐菌除了可以降解废水中的木质素,还可以降解废水中异生物质,减轻造纸废水对环境的污染,具有很高的应用价值。但是如何缩短处理周期,提高处理效率仍然是一个亟需解决的问题。

由于白腐菌特有的降解木质素的功能,在原料预处理、生物漂白、废水处理和生物制浆等各个环节的应用都得到了重视,并且实验室阶段研究已取得了显著成效。但是,白腐菌在大规模生产中应用还存在很多问题:处理效率低、周期长、连续化培养生产各种白腐菌的生物反应器尚待进一步研究和完善、菌种筛选困难、白腐菌的作用机制还不完全清楚。因此,研究如何培养处理效率高、选择性强、生长迅速、可以连续使用的菌种,必将引起污染严重的传统制浆工艺的较大改革。

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