氮源用量对杨木白腐菌降解效率的影响

氮源用量对杨木白腐菌降解效率的影响 氮源用量对杨木白腐菌降解效率的影响 ?.2 oI.25 V 陕西科技大学 JOURNALOFSHAANXIUNIVERSITYOFSCIENCE&TECHNOLOGY Apr.2007 00' 文章编号:1000--5811(2007)02--0005--04 氮源用量对杨木白腐菌降解效率的影响 ,房桂干,韩善明,李萍,J—CSigoillot. 刘正贵,王海毅 (1.陕西科技大学造纸工程学院,陕西西安710021;2.中国林业科学研究院林产化学工业研究所,江苏南 京 210042;3.LaboratoiredeBiotechnologiedesChampignonsFilamenteux,INRA13288Mar seille, France) 摘要:通过调整培养基中氮源的含量,利用白腐茵Phanerochaetechryscoporium和 Trametesversicolor对杨木木片处理28d,分析了木片的质量得率及化学成分的变化.结果 明:当酵母浸出粉的用量为1g?L时白腐茵对原料中的木素降解率最高,在氮源用量相同 的情况下,白腐茵Phanerochaetechryscoporium比Tranetesversicolor降解木素的速率更快. 关键词:白腐茵;杨木;氮源;降解效率 中图法分类号:T$713文献标识码:A 0引言 生物制浆技术是一种对环境友善的制浆工艺,可以达到降低化学品消耗,节省能耗, 改善纸浆性能的 目的.利用微生物对木质素的降解作用脱除木材中的木质素,可以减轻或者消除造纸工业的环境污染问 ,已有的研究表明生物浆的纸张强度可优于化学浆,同时能减少能源的消耗.白腐菌是自然界降解木 质素最有效的一类微生物,国内外已开展了很多研究.白腐菌生长发育需要的氮源主要是有机氮源,无机 氮源不能被白腐菌充分利用,不能合成某些需要的氨基酸,因此效果不好].作者研究了培养基中酵母浸 出粉所提供的氮源含量对白腐菌处理杨木木片的影响,以确定其最优培养基. 1材料与方法 1.1材料 木片为三倍体毛白杨,取自山东. 菌种为白腐菌Phanerochaetechryscoporium和Tranetesversicolor. 1.2方法 1.2.1麦芽糖液体培养基 麦芽糖20g?L_.;酵母浸出粉;酒石酸钠2.3g?L_.;酒石酸铵1.84g?L_.;盐:KH2PO1.33g ? L_.;CaC12?2H2O0.1g?L_.;MgSO4?7H2O0.5g?L_.;金属离 子:FeSO4?7H2O0.07g?L_.; ZnSO4?7H2O0.046g?L_.;MnSO4?H2O0.035g?L一;CaSO4?5H2O0.007g?L_.;维生素1 mL. 1.2.2木片接种 将灭菌后的杨木木片装在广口瓶中,每瓶50g,绝干.将扩大培养好的菌种用无菌纱布过滤后转移到 *收稿日期:2007一O1—18 作者简介:刘正贵(1982一),男,福建省莆田市人,在读硕士生,研究方向:高效清洁制 浆技术 基金项目:国家自然科学基金资助项目(编号:30271063) ?6?陕西科技大学第25卷 新鲜的麦芽糖酵母粉培养基中.打散器用7O%的酒精杀菌并用无菌水冲洗后将菌种打散,加入广口瓶中, 每50g绝干木片加入12.5mL,用无菌水调干度为4O,混合均匀后在28~30?培养箱中培养. 1.2.3碱抽提 白腐菌处理结束后,将木片装入聚氯乙稀塑料袋中,加入2.5%NaOH(NaOH计,相对于绝干木片), 在浓度1O,温度75?的条件下处理90rain,洗净甩干. 1.2.4各项指标的测定 (1)木质素,综纤维素和聚戊糖的含量均按照国家方法测定. (2)白腐菌处理杨木质量损失率:质量损失率一[(处理前质量一处理后质量)/处理前质量]×100. (3)降解率:"X"降解率一{[处理前"X"物质的含量一处理后"X"物质的含量×(1一质量损失率)]/ 处理前"X"物质的含量}×100. (4)脱木素选择性:选择性:木素降解率/综纤维素降解率. 2结果与讨论 白腐菌Phanerochaetechryscoporium(下文简称"Ph.c")和Tranetesversicolor(下文简称"T.v")对 木质纤维物料(Lign0cellulosemateria1)的降解可同时作用在木素,纤维素和半纤维素上.白腐菌生长发育 主要需要有机氮源,培养基质中的氮源多少对其生长发育关系较大.酵母浸出粉作为有机氮源经过蛋白酶 分解成氨基酸后可以直接被白腐菌利用嘲,当培养基质中的含氮量低于某一值时 菌丝体生长受阻,而高浓 度的氮反而有碍于白腐菌子实体的发生和生长,而且不同的菌种在相同的培养基 质里生长的速率不一样, 这必然引起原料中木素,纤维素,半纤维素的降解速率不一样. 2.1杨木白腐茵处理后木质素降解的结果 杨木经白腐菌Ph.c,T.v处理28d后的质量损失率和木质素降解结果见表1.图1为 白腐菌Ph.C, T.v处理后杨木的木质素降解率随酵母浸出粉用量的变化图. ' 表1杨木白腐菌处理后的质量损失率和木素降解情况 编号粉木素含量/ Ph.CT. 木素降解率/% Ph.cT. 脱木素选择性 Ph.cT. 1.25 1.49 1.12 1.51 1.49 0.70 0.93 1.3O 0.74 0.90 图1杨木白腐茵Ph.c,T.v处理后图2杨木白腐茵Ph.C,T.v处理后 木素降解率的比较综纤维素降解率的比较 由表1可知,杨木经白腐菌Ph.c,T.v处理28d后木片有明显的质量损失,而且质量 损失率随着酵母 浸出粉用量的变化而不同;其质量损失率分别在酵母浸出粉用量为1g?L_.,0.5g?L 时达到最大值 26.15,17.69.从图1可知,随着酵母浸出粉用量的变化,杨木白腐菌Ph.C,T.v处理后 的木素降解率 鸺 nn 96O22 一n 一 42910 .; 798O61 527170 887878 99798 一 一4758O 一.绷 片12345木一一一一一 原11111 "他加86 \瓣琏牲懈蜡始 ?H加0 \好琏避暇* 第2期刘正贵等:氮源用量对杨木白腐菌降解效率的影响?7? 都呈先上升后下降的规律,在酵母浸出粉用量为1g?L叫时,木素的降解率达到最 大值分别为28.O2%, 19.799/6.这是因为随着氮源的不断增加白腐菌的生长速率加快,需要提供更多的碳源,从而加速了木素的 降解;当氮源浓度超过一定值时,白腐菌的生长受到了抑制,导致木素降解率的下降. 此外,从图1还可以看出在酵母浸出粉用量相同时,白腐菌Ph.C对杨木的木素降解率比白腐菌T.v 对杨木的木素降解率要高,这是由菌种的不同而引起的.白腐菌Ph.C产生的木素降解酶主要是LiP/MnP 酶类型,该种酶是木素生物降解效率最高的一种类型;而白腐菌T.v产生的木素降解酶主要是MnP/lac— case酶类型,该种酶是木素选择性最强的降解酶]. 2.2杨木白腐菌处理后综纤维素和聚戊糖降解的结果 杨木经白腐菌Ph.C,T.v处理28d后综纤维素,聚戊糖的降解结果见表2. 表2杨木白腐菌处理后综纤维素和聚戊糖降解情况 编号且量 g:: 0 0.5 1.0 lI5 2.0. 堡堑丝鲞盒量堑丝耋隆空一鐾盒量鐾隆壁室 Ph.cT.VPh.cT.VPh.cT.VPh.cT.V 木片 2—1 2—2 2—3 2—4 2—5 11.93 11.16 25.O5 1O.73 10.26 25.50 25.21 25.06 25.O2 24.82 1O.45 13.78 27.32 1O.18 12.74 8.23 15.85 15.82 11.04 13.O1 图2为白腐菌Ph.C,T.v处理后杨木综纤维素降解率随酵母浸 出粉用量的变化图.图3为白腐菌Ph.C,T.v处理后杨木聚戊糖降 解率随酵母浸出粉用量的变化图. 由图2,3可知,杨木白腐菌Ph.C,T.v处理后的综纤维素和聚 戊糖降解率都呈先上升后下降的规律,这与木素的降解规律相符, 也是由培养基中氮源浓度的变化引起的.在酵母浸出粉用量相同时 白腐菌Ph.C对综纤维素和聚戊糖的降解率要比T.v高,这主要是 由两种白腐菌所产生的纤维素酶和半纤维素酶酶系不同引起的.同 时,纤维素,聚戊糖的降解速率还受到了原料中木素的含量以及碳 和氮的比例的影响,不同的白腐菌其生长的最优碳氮比不同,其产 生的木素酶,纤维素酶和半纤维素酶也就不同,从而导致了在26 酵母浸出粉用量相同时白腐菌Ph.C对综纤维素,聚戊糖降解22 率比T.v高;此外,半纤维素的酶解也使得LCC降解,这有利芝 于LCC的溶出,起到了辅助脱木素的作用,这就进一步证明了鲑 白腐菌Ph.C降解木素的速率比T.v快的原因.12 从图2,3中还可以看出,在酵母浸出粉用量为1g?L_.,窭8 0.6g?L时Ph.C,T.v处理后的综纤维素和聚戊糖降解率4 都达到了最大值,而且在酵母浸出粉用量为1g?L时,白腐鑫 菌Ph.C的综纤维素和聚戊糖降解率都比T.v高出近一半,这 图3杨木白腐菌Ph.c,T.v处理 后聚戊糖降解率的比较 是因为在相同条件下,白腐菌Ph?c的生长速率比T?v快,分图4木素降解率与综纤维素降解率的 泌的纤维素酶和半纤维素酶多?关系 2.3杨木白腐菌处理后综纤维素随木素的降解规律(直线1,1一酵母浸出粉用量为0g.L一;直线2, 图4是木素降解率与综纤维素降解率的关系图,图中的2'--酵母浸出粉用量为o.5g'L一;直线3,3,酵 斜率反应的是脱木素的选择性,斜率越低则脱木素选择性越好.母浸出粉用量为g.L-;直'L酵浸出粉 由图4可知,白腐菌Ph.c在酵母浸出粉用量为1.5量儿;直线,L酵母浸出粉用量为 g?L时脱木素的选择性最好,此时木素降解率为16.2;在X'IJ, 62671 54226 ????54454 522222 6 ' ^ 2 92675 2O278 ?????06522 il【 41344 64634 23312 88888 2 7 ????? 33233 88888 鸲?位如0 \解琏逝繇 ?8?陕西科技大学第25卷 酵母浸出粉用量为1g?L-1时,其脱木素的选择性最差,此时木素降解率为28.02,虽然这个时候的木 素降解率比较高,但此时综纤维素的降解率也达到25.05,这对于后期的制浆造纸来说是不合理的,所 以最优的氮源用量条件是适当牺牲木素的降解率以取得较高的脱木素选择性.而对白腐菌T.v来说,在 酵母浸出粉用量为1g?L-1时脱木素的选择性最好,此时木素降解率为19.79;在酵母浸出粉用量为 0g?L-1时脱木素的选择性最差,此时木素降解率为7.18,说明酵母浸出粉用量为lg?L_.是白腐菌 T.v处理杨木的最优条件.此外,从图4还可以看出,除了酵母浸出粉用量为1g?L_.,在相同的酵母浸 出粉用量时白腐菌Ph.C的脱木素选择性要比白腐菌T.v的脱木素选择性高. 3结论 (1)酵母浸出粉用量为1g?L-1时,杨木经白腐菌 损失率达到最大值为26.15;酵母浸出粉用量为0.5 28d后的质量损失率达到最大值为17.69%. Phanerochaetechryscoporium处理28d后的质量 g?L时,杨木经白腐菌Tranetesversicolor处理 (2)酵母浸出粉用量为1g?L时,扬木经白腐菌Phanerochaetechryscoporium,Tranetes 处理28d后原料中木素降解率达到最高值28.029/5,19.79;在氮源用量相同的情况 下白腐菌 chaetechryscoporium降解木素,综纤维素和聚戊糖的速率比Tranetesversicolor更 快. versicolor Phanero一 (3)酵母浸出粉用量为1.5g?L时,白腐菌Phanerochaetechryscoporium的脱木素选择 性最好,此 时,木素降解率为16.29,5;酵母浸出粉用量为1 好,此时,木素降解率为l9.79. g?L时,白腐菌Tranetesversicolor的脱木素选择性最 参考文献 [1]DanielCullen.RecentadvancesonthemoleculargeneticsofligninolyticfungiUJ1.J.ofBi otechnology,1997,(53):273—289. [zlSusanaCamarero,SovanSrkar,FranciscoJavier,eta1.Descriptionofaversatileperoxidas einvolvedinthenaturaldegradationof ligninthathasmanganeseperoxidaseandligninperoxidasesubstrateinteractionsitesUJ'].T heJ.ofBiologicalChemistry,1999,274 (15):10324—10330. [31MasoodAkhtar,RobertA,Blanchette,eta1.BurnesusingsimonsstaintOpredictenergys avingsduringbiomechanicalpulping[J1. WoodandFiberScience,1995,27(3):258—264. [4]尤纪雪,叶汉林.白腐菌预处理对杨木化学制浆性能的影响[J1.中国造 纸,2004,23(3):12—15. 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Keywords:white—rotfungi;poplarwood;nitrogenresource;degradationefficiency