摘要 本文介紹了秸稈作物研究開發(fā)的現(xiàn)狀，指出限制秸稈有效利用的主要因素是木質(zhì)素；同時綜述了有效降解木質(zhì)素的白腐真菌，以及它的降解機理和影響其降解的因素。

關(guān)鍵詞 白腐真菌 秸稈 木質(zhì)素降解

世界桔稈的年產(chǎn)量為20~30億噸，我國年產(chǎn)各類農(nóng)作物秸稈達5．7億噸，其數(shù)量相當(dāng)于北方草原打草量的50多倍，占全世界秸稈總產(chǎn)量的20％~30％。 農(nóng)作物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的副產(chǎn)品，也是一項重要的生物資源。但是，要充分、有效地利用這類資源卻相當(dāng)困難，這是由于秸稈產(chǎn)量隨季節(jié)變化，且量大、低值、體積 大、不便運輸，大多數(shù)動物都不能消化其木質(zhì)纖維素，自然降解過程又極其緩慢，導(dǎo)致大部分秸稈以堆積、荒燒等形式直接侵入環(huán)境，造成極大的環(huán)境污染和浪費。 因此，科學(xué)合理地利用農(nóng)作物秸稈已引起全社會普通的關(guān)注。目前，農(nóng)作物秸稈的主要利用渠道有：一是秸稈還田，包括直接還田和堆漚還田；二是秸稈養(yǎng)畜，過腹 還田；三是利用秸稈生產(chǎn)能源，包括氣化，發(fā)展沼氣，直接燃燒等；四是工業(yè)原料和建筑材料；五是秸稈養(yǎng)菌。

1 秸稈資源開發(fā)的研究現(xiàn)狀

近幾十年來，國內(nèi)外一直在尋找利用物理、化學(xué)和生物處理手段降解農(nóng)作物秸稈的最佳途徑，常見有物理方法和化學(xué)方法[1, 2,3,4]，物理方法有機械法，如用機器將秸稈切碎磨粉；化學(xué)方法，如用堿處理，使不易溶解的木質(zhì)素變成較易溶的羥基木質(zhì)素，或加硫酸銨、尿素等，發(fā)酵 后制成氨化飼料，或者加酶(如淀扮酶、纖維素酶、半纖維素酶、果膠酶等)直接催化水解反應(yīng)，使秸稈大分子有機物降解。以上方法雖然應(yīng)用時間較早，但有許多 缺點，秸稈的營養(yǎng)價值不高，主要還是大分子有機化合物，只適合于牛、羊等反芻動物消化，卻不易于給雞、豬等單胃動物飼喂，并且處理時間均較長；另外，使用 酶的成本高，效果受動物的生長期和體內(nèi)環(huán)境(如pH、溫度)影響，又不能再生。

存在于秸稈中的非水溶性木質(zhì)纖維素很難被酸和酶水解，主要 是因纖維素的結(jié)晶度、聚合度以及環(huán)繞著纖維素與半纖維素締合的木質(zhì)素鞘所致。木質(zhì)素與半纖維素以共價鍵形式結(jié)合，將纖維素分子包埋在其中，形成一種天然屏 障，使酶不易與纖維素分子接觸，而木質(zhì)素的非水溶性、化學(xué)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致了秸稈的難降解性。要徹底降解纖維素，必須首先解決木質(zhì)素的降解問題。因此， 秸稈利用的研究從過去的降解纖維素的研究轉(zhuǎn)向了木質(zhì)素的降解研究[5, 6, 7, 8]。研究表明，利用微生物可轉(zhuǎn)化秸稈，因為微生物有廣泛的適應(yīng)性，能利用和分解多種畜禽不能利用的復(fù)雜有機化合物，合成含有豐富蛋白質(zhì)、脂肪的菌體細 胞，這些分解產(chǎn)物和菌體可用于飼料，還可用于其它許多領(lǐng)域。微生物在秸稈轉(zhuǎn)化中有用途多、營養(yǎng)價值高、周期短、可再生等優(yōu)點，越來越受到國內(nèi)外科學(xué)研究者 重視。

2 木質(zhì)素降解菌的分類

降解木質(zhì)素的真菌根據(jù)腐朽類型分為：白腐菌??使木材呈白色腐朽的真菌，褐腐菌??使木 材呈褐色腐朽的真菌以及軟腐菌。前兩者屬擔(dān)子菌綱，軟腐菌屬半知菌類。白腐菌降解木質(zhì)素的能力尤于其降解纖維素的能力，這類菌首先使木材中的木質(zhì)素發(fā)生降 解且不產(chǎn)生色素；而后兩者降解木質(zhì)素的能力弱于其降解纖維素的能力，它們首先開始纖維素的降解并分泌黃褐色的色素使木材發(fā)生黃褐變，而后才部分緩侵地降解 木質(zhì)素。白腐菌能夠分泌胞外氧化酶降解木質(zhì)素，因此被認為是最主要的木質(zhì)素降解微生物．

白腐真菌(white rot fungi)是一類絲狀真菌，因附生在樹木或木材上，引起木質(zhì)白色腐爛而得此名。分類學(xué)上，白腐真菌屬于真菌門，絕大多數(shù)為擔(dān)子菌綱，少數(shù)為于囊菌綱。目 前研究最多的有：黃孢厚毛平革菌（Phanerochete chrysosporium）、彩絨草蓋菌（Coridus versicolor）、變色栓菌（Thametes versicolor）、射脈菌（Phlebia radiata）、鳳尾菇（Pleurotus pulmononanus）、朱紅密孔菌（Pycnoporus cinnabarinus）等[9，10，11]。

3 白腐真菌降解秸稈作物的作用機理

白腐真菌的降解活動只發(fā)生在次 生代謝階段，與降解過程有關(guān)的酶只有當(dāng)主要一些營養(yǎng)物質(zhì)，如氮、碳、硫限制時才形成。白腐真菌在對營養(yǎng)限制應(yīng)答反應(yīng)時形成一套酶系統(tǒng)，包括以下幾種： （1）產(chǎn)生H2O2的氧化酶：一是細胞內(nèi)的葡萄糖氧化酶，二是細胞外的乙二醛氧化酶。它們在分子氧的參與下各自氧化相應(yīng)底物??葡萄糖或乙二醛，形成 H2O2，從而激活過氧化物酶，啟動酶的催化循環(huán)。（2）需要H2O2的過氧化物酶：白腐真菌主要合成兩類過氧化物酶??木質(zhì)素過氧化物酶(LiP)和錳 過氧化物酶(MnP)[12,13]。LiP是一系列含有Fe(Ⅱ)?卟琳環(huán)(Ⅸ)血紅素輔基的同功酶，能通過單電子氧化并引起一系列自由基反應(yīng)，氧化富 含電子的非酚類芳香化合物，能使木質(zhì)素大分子降解。MnP也是一系列含有血紅素的同功酶，在Mn(Ⅱ)和H2O2存在時，氧化大量酚類底物。這兩類酶均在 細胞內(nèi)合成，分泌到細胞外，以H2O2為最初氧化底物。（3）漆酶、還原酶、甲基化酶、蛋白酶及其它酶[14，15]。這些酶共同組成白腐真菌降解系統(tǒng)主 體。

木質(zhì)素是一個以芳香族為基本結(jié)構(gòu)的復(fù)雜聚合物，在自然界物質(zhì)大循環(huán)中，它的降解主要是以微生物代謝中產(chǎn)生的酶為催化劑，在常溫常壓下 把復(fù)雜的不溶性的聚合物轉(zhuǎn)化為水溶性含有苯環(huán)的簡單化合物，苯環(huán)最后破裂產(chǎn)生簡單的有機小分子。在微生物處理中，只有少數(shù)真菌能同時分解所有的植物聚合 物。白腐真菌能以自由基為基礎(chǔ)的鏈反應(yīng)過程對木質(zhì)素進行降解。先是木質(zhì)素解聚，形成許多有高度活性的自由基中間體，繼而以鏈?zhǔn)椒磻?yīng)方式產(chǎn)生許多不同的自由 基，導(dǎo)致各種連接鍵斷裂，使木質(zhì)素解聚成各種低分子量片段，其中小于1kf的占多數(shù)，再經(jīng)完全徹底氧化直到降解為CO2。這種自由基反應(yīng)是高度非特異性和 無立體選擇性的，正好對應(yīng)于木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的多變性，方能完成這種異質(zhì)大分子高聚物的瓦解。總體上白腐真菌降解木質(zhì)素的機理是：在適宜的條件下，白腐真菌的菌 絲首先利用其分泌的超纖維素酶溶解表面的蠟質(zhì)；然后菌絲進入秸稈內(nèi)部，并產(chǎn)生纖維素酶、半纖維素酶、內(nèi)切聚糖酶、外切聚糖酶，降解秸稈中的木質(zhì)素和纖維 素，使其成為含有酶的糖類，從而使秸稈變得香甜可口，易于消化吸收。其中關(guān)鍵的兩類過氧化物酶??LiP和MnP，在分子氧的參與下，依靠自身形成的 H2O2，觸發(fā)啟動一系列自由基鏈反應(yīng)，實現(xiàn)對木質(zhì)素?zé)o特異性的徹底氧化，從而使秸稈變得易于消化。

4 白腐真菌在秸稈中的應(yīng)用效果

目前國際上研究最多并表現(xiàn)出有效降解能力的白腐真菌是黃孢原毛平革菌（Phanerochaete Chrysosporium）。木質(zhì)素經(jīng)白腐真菌重加工后，大部分的低質(zhì)非蛋白氮(NPN)轉(zhuǎn)化為較高質(zhì)量的菌體蛋白，蛋白質(zhì)品質(zhì)(主要是氨基酸平衡)也 得到較大幅度的改進。由于豬對非木質(zhì)化的纖維素消化率可達78％一90％，而對木質(zhì)纖維素消化率僅為11％一23％，所以木質(zhì)素是影響稻草利用的關(guān)鍵。杭 怡瓊等（2001）[16]試驗結(jié)果表明，白腐菌對木質(zhì)素的降解率平均可達37，76％，其中14天時的木質(zhì)素降解率最高可達到21．98％。 Kishan等在麥秸上接種Phanerochaete Chrysosporium，結(jié)果表明，發(fā)酵過程中干物質(zhì)的損失量與真菌接種量成正比，與CP的含量，IVDMD（干物質(zhì)的體外消化率）成正相關(guān)，與 CF、NDF、ADF、HC和木質(zhì)素的含量成負相關(guān)；接種10天后，木質(zhì)素的降解率從0.67提高到12.51%，CP的含量從37.39%提高到 85.68%。陳誼等（2001）[17]用白腐真菌1024作稻草轉(zhuǎn)化試驗，實驗表明稻草秸桿可被分解，發(fā)酵過程中木質(zhì)素減少13．70％一29． 89％；蛋白質(zhì)增加24．59％一72．38％。另外，白腐真菌處理的秸稈不僅營養(yǎng)成分有極大的提高，而且其酸度由未處理前的PH5.7降到PH4．0左 右，呈愉快的水果香味，同時由于大部分的木質(zhì)素被降解或破壞，秸稈質(zhì)地柔軟，適口性明顯改善。

大量白腐真菌處理桔稈的研究試驗結(jié)果表明， 被研究的20多種白腐真菌處理秸稈表現(xiàn)出較強的種間變異，同時培養(yǎng)發(fā)酵的條件不同，處理秸稈的效果也不同。但是經(jīng)篩選和選育的優(yōu)良菌種，在適當(dāng)環(huán)境條件 下，固體發(fā)酵能明顯地改善秸稈的營養(yǎng)價值。檢測表明最佳的白腐真菌能使秸稈體外降解率從40％提高到59％。用白腐真菌糙皮側(cè)耳發(fā)酵切碎的麥秸，5?6周 后，不僅粗蛋白含量有所提高，且秸稈消化率可提高2?3倍。國內(nèi)外都曾報道，香菇菌是一種極優(yōu)良的分解木質(zhì)素的白腐真菌。日本福柱等用香菇經(jīng)過2個月對木 粉的作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)脫木質(zhì)素達40％一50％。陸師義等(1989)[18]報道食用菌中的平菇、風(fēng)尾菇、香菇、冬菇等屬于擔(dān)子菌中的白腐菌類。這類食用 菌可直接利用秸稈等農(nóng)副產(chǎn)品，能夠使收菇后的菌糠中動物難以消化的粗纖維，尤其是木質(zhì)素含量大大降低。梁學(xué)武等（2002）[19]研究白腐真菌改善菌糠 結(jié)構(gòu)性碳水化合物瘤胃降解特性的效果，結(jié)果表明白腐真菌能明顯改善香菇菌糠結(jié)構(gòu)性碳水化合物瘤胃降解特性。香菇菌糠經(jīng)Y4、Y5和Y8等3種白腐真菌處理 后，干物質(zhì)（DM）、中性洗滌纖維（NDF）、半纖維素（HC）及酸性洗滌木質(zhì)素（ADL）的瘤胃動態(tài)降解率和潛在降解部分均有較大幅度提高。袁彤光 (1998)[20]的試驗也同樣證明了香菇白腐真菌對秸稈的生物降解有顯著作用。

5 影響白腐真菌降解秸稈作物的因素

根據(jù)目前的研究發(fā)現(xiàn)，影響白腐真菌對秸稈飼料有效利用的主要因素有：①白腐真菌菌種的選擇：目前已知的白腐真菌有20多種，菌種間對桔稈處理效果有很大差 異。白腐真菌降解細胞壁存在兩種明顯不同的方式，即非選擇性降解細胞壁和選擇性降解半纖維素和木質(zhì)素。研究結(jié)果表明，利用不同白腐真菌處理秸稈，其對木質(zhì) 素，半纖維素的降解程度、處理前后秸稈干物質(zhì)的損失以及經(jīng)處理秸稈體內(nèi)干物質(zhì)消化率變化等均有很大不同。另外，同一白腐真菌對不同底物(小麥秸、稻草和玉 米秸)木質(zhì)素、半纖維素降解也明顯不同。②溫度：溫度高低影響白腐真菌固體發(fā)酵的進度和秸稈木質(zhì)素的降解率。溫度過高，會降低秸稈木質(zhì)素的降解率和瘤胃干 物質(zhì)消化率；溫度過低，會導(dǎo)致固體發(fā)酵的進度減緩。大多數(shù)白腐真菌適宜生長的最適溫度為20?35℃。為了達到在不同溫度范圍內(nèi)均取得理想效果，可選擇幾 種具有最適溫度范圍互補的白腐真菌混用。③酸堿度：大多數(shù)白腐真菌適宜生長在微酸性環(huán)境內(nèi)，出值在4~5之間；而對于耐堿性白腐真菌，最適pH值為7? 9。不同菌種適宜的范圍不盡相同，但是在實際生產(chǎn)中對于大多數(shù)喜微酸性環(huán)境的白腐真菌，固體發(fā)酵接種時，不必考慮秸桿基料的PH值，因為其可在發(fā)酵早期產(chǎn) 生大量的有機酸，使桔稈的pH值從6．7左右迅速下降至4．0左右，為后期發(fā)酵創(chuàng)造適宜的酸堿度環(huán)境。④碳源、氮源的選擇與限制培養(yǎng)：國內(nèi)外曾利用多種不 同有機、無機或復(fù)合碳源和氮源來研究它們對微生物的木質(zhì)素降解能力和產(chǎn)酶能力的影響，還研究了碳源或氯源限制對它們的影響。結(jié)果表明，碳源和氮源是微生物 降解木質(zhì)素和產(chǎn)酶的一個極為主要的影響因素，其中氮源限制不利于產(chǎn)酶，而碳源限制則有利于酶的合成；氮的存在對第一階段有利，但可抑制第二階段。⑤在固體 發(fā)酵中，培養(yǎng)物的氣體交換也是影響白腐真菌對秸稈降解作用的重要因素之一。氣體交換量由固、液相之比決定。含水量過高或過低都會阻止白腐真菌的生長，實驗 表明最適的固液相之比為1：3。⑥氣體在培養(yǎng)料中的穿透與擴散也影響發(fā)酵過程。此過程能除去真菌代謝過程中的揮發(fā)物和氣體代謝物，高濃度的氣體代謝物會影 響真菌生長。⑦白腐真菌開始生長時需要基質(zhì)無菌和高度需氧環(huán)境。底物接種白腐真菌后，存在一個接種菌與原生雜菌的競爭作用，為提高秸稈消化率，必須抑制不 利菌的生長，為白腐真菌提供盡可能的適宜條件。⑧發(fā)酵時間：白腐真菌降解木質(zhì)纖維化物質(zhì)實際上是同時降解木質(zhì)素和其它碳水化合物的過程。發(fā)酵時間過短，木 質(zhì)素被白腐真菌降解的比例小，經(jīng)處理秸稈的消化率低；反之，木質(zhì)素被降解的過多，同時其它易消化碳水化合物也大部分被降解，造成經(jīng)處理秸稈的消化率降低。 因此在白腐真菌處理小麥秸時，要確定一定溫度下適當(dāng)?shù)陌l(fā)酵時間，以獲得最佳處理效果。

6 白腐真菌在秸稈飼料資源開發(fā)中的應(yīng)用前景

在利用秸稈的生產(chǎn)實踐中，物理、化學(xué)和生物處理方法經(jīng)常結(jié)合使用。但是可以很明確地說，生物處理方法尤其是利用微生物處理代表了今后的發(fā)展趨勢。由于白腐 真菌具有自身合成分多種木質(zhì)素降解酶的能力，因此深入研究白腐真菌對木質(zhì)素的降解活性，不僅是對白腐菌生長的主要生理基礎(chǔ)的研究，而且對開發(fā)、利用秸稈資 源具有重要意義。木質(zhì)素的分解是一個復(fù)雜的生化過程，不同酶的活性的高低可能與它們在木質(zhì)素降解中的作用大小和不同降解階段中的作用順序有關(guān)。目前，對于 白腐真菌生長的不同階段所產(chǎn)生的木質(zhì)素降解酶及其活性并不十分清楚，仍需進行深入研究。利用白腐真菌處理秸稈能夠發(fā)展食用菌生產(chǎn)，快速、高質(zhì)量地利用和轉(zhuǎn) 化秸稈資源，擴大飼料來源，減少環(huán)境污染。隨著對白腐真菌的進一步研究，其應(yīng)用將會越來越廣泛。

參考文獻

[1] 楊連玉等．化學(xué)和生物學(xué)處理對玉米秸稈營養(yǎng)價值的影響．吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報 200l，23(1)：83?87.

[2] 陸勝龍．秸稈利用途徑初探．農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展, 2000年, 66(4): 37-39.

[3] 王寶理．石灰水浸泡和厭氫發(fā)酵對稻草營養(yǎng)價值影響的研究．黃牛雜志,2001,27(3): 15-18.

[4] 劉劍虹等. 酸處理玉米秸稈生物轉(zhuǎn)化單細胞蛋白的研究．天津商學(xué)院學(xué)報，2001，21（3）：1-5.

[5] Crestini C et al. Structural modifications induced during biodegradation of wheat lignin by Lentinula edodes. Bioorganic and Medicinal Chemistry, 1998,6: 967-973.

[6] El-Gammal A A et al. Biodegradation of lignocellulosic substances and production of sugars and lignin degradation intermediates by four selected microbial strains. Polymer Degradation and Stability, 1998,61: 535-542.

[7] Breen A et al. Fungi in lignocellulose breakdown and biopulping. Current Opinion in Biotechnology, 1999,10: 252-258.

[8] Rosecke J et al. Constituents of various wood-rotting basidiomycetes. Phytochemistry, 2000,54: 603-610.

[9] Buswell J A et al. Lignin biodegradation. CRC Crit Rev Biotechnol, 1987,6: 1-60.

[10] Kirk T K et al. Enzymatic “combustion”: The microbial degradation of lignin. Ann Rev Microbiol,1987,41: 465-505.

[11] 管莜武等．木質(zhì)素降解酶及其調(diào)控機理研究的進展．上海環(huán)境科學(xué)，1998, 17(11): 46-49.

[12] Eggert C et al. Laccase is essential for lignin degradation by the white-rot fungus Pycnoporas cinnabarinus. FEBS Lett, 1997, 53:163-202.

[13] Youn H-D et al. Role of laccase in lignin degradation by white-rot fungi. FEMS Microbiol, 1995, 132:183-188.

[14] Luisa M et al. Use for bleaching of pulps and treatment of effluents. Enzym Pulp Paper Process, 1996,655:197-206.

[15] Kaya F et al. Influence of lignin and its degradation products on enzymatic hydrolysis of xylan. Journal of Biotechnology, 2000,80:241-247.

[16] 杭怡瓊等．白腐真菌對稻草秸稈的降解及其有關(guān)酶活性的變化．菌物系統(tǒng)，2001，20（3）：403-407．

[17] 陸師義等。食用菌栽培在生態(tài)良性循環(huán)中的意義。生物學(xué)通報，1989,6: 10-11.

[18] 袁彤光等．食用菌與植物全纖維素物質(zhì)．食用菌，1998,20(1): 4-5.

[19] 陳誼等．白腐真菌降解稻草轉(zhuǎn)化飼料的研究．上海交通大學(xué)學(xué)報：農(nóng)業(yè)科學(xué)版，2001,19(2):151-153.

[20] 梁學(xué)武等．白腐真菌改善香菇菌糠結(jié)構(gòu)性碳水化合物瘤胃降解特性的效果．福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2002, 31(1): 80-84.

通訊作者：

趙紅霞 浙江大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院2000級碩士生

郵編：310029； 電話：0571-86971584

楊建軍 內(nèi)蒙古鄂爾多斯市畜牧業(yè)局

詹勇 浙江大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院教授