摘要 本文介绍了秸秆作物研究开发的现状，指出限制秸秆有效利用的主要因素是木质素；同时综述了有效降解木质素的白腐真菌，以及它的降解机理和影响其降解的因素。
关键词 白腐真菌 秸秆 木质素降解
世界桔秆的年产量为20~30亿吨，我国年产各类农作物秸秆达5．7亿吨，其数量相当于北方草原打草量的50多倍，占全世界秸秆总产量的20％~30％。农作物秸秆是农业生产的副产品，也是一项重要的生物资源。但是，要充分、有效地利用这类资源却相当困难，这是由于秸秆产量随季节变化，且量大、低值、体积大、不便运输，大多数动物都不能消化其木质纤维素，自然降解过程又极其缓慢，导致大部分秸秆以堆积、荒烧等形式直接侵入环境，造成极大的环境污染和浪费。因此，科学合理地利用农作物秸秆已引起全社会普通的关注。目前，农作物秸秆的主要利用渠道有：一是秸秆还田，包括直接还田和堆沤还田；二是秸秆养畜，过腹还田；三是利用秸秆生产能源，包括气化，发展沼气，直接燃烧等；四是工业原料和建筑材料；五是秸秆养菌。
1 秸秆资源开发的研究现状
近几十年来，国内外一直在寻找利用物理、化学和生物处理手段降解农作物秸秆的最佳途径，常见有物理方法和化学方法[1, 2,3,4]，物理方法有机械法，如用机器将秸秆切碎磨粉；化学方法，如用碱处理，使不易溶解的木质素变成较易溶的羟基木质素，或加硫酸铵、尿素等，发酵后制成氨化饲料，或者加酶(如淀扮酶、纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶等)直接催化水解反应，使秸秆大分子有机物降解。以上方法虽然应用时间较早，但有许多缺点，秸秆的营养价值不高，主要还是大分子有机化合物，只适合于牛、羊等反刍动物消化，却不易于给鸡、猪等单胃动物饲喂，并且处理时间均较长；另外，使用酶的成本高，效果受动物的生长期和体内环境(如pH、温度)影响，又不能再生。
存在于秸秆中的非水溶性木质纤维素很难被酸和酶水解，主要是因纤维素的结晶度、聚合度以及环绕着纤维素与半纤维素缔合的木质素鞘所致。木质素与半纤维素以共价键形式结合，将纤维素分子包埋在其中，形成一种天然屏障，使酶不易与纤维素分子接触，而木质素的非水溶性、化学结构的复杂性，导致了秸秆的难降解性。要彻底降解纤维素，必须首先解决木质素的降解问题。因此，秸秆利用的研究从过去的降解纤维素的研究转向了木质素的降解研究[5, 6, 7, 8]。研究表明，利用微生物可转化秸秆，因为微生物有广泛的适应性，能利用和分解多种畜禽不能利用的复杂有机化合物，合成含有丰富蛋白质、脂肪的菌体细胞，这些分解产物和菌体可用于饲料，还可用于其它许多领域。微生物在秸秆转化中有用途多、营养价值高、周期短、可再生等优点，越来越受到国内外科学研究者重视。
2 木质素降解菌的分类
降解木质素的真菌根据腐朽类型分为：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软腐菌。前两者属担子菌纲，软腐菌属半知菌类。白腐菌降解木质素的能力尤于其降解纤维素的能力，这类菌首先使木材中的木质素发生降解且不产生色素；而后两者降解木质素的能力弱于其降解纤维素的能力，它们首先开始纤维素的降解并分泌黄褐色的色素使木材发生黄褐变，而后才部分缓侵地降解木质素。白腐菌能够分泌胞外氧化酶降解木质素，因此被认为是最主要的木质素降解微生物．
白腐真菌(white rot fungi)是一类丝状真菌，因附生在树木或木材上，引起木质白色腐烂而得此名。分类学上，白腐真菌属于真菌门，绝大多数为担子菌纲，少数为于囊菌纲。目前研究最多的有：黄孢厚毛平革菌（Phanerochete chrysosporium）、彩绒草盖菌（Coridus versicolor）、变色栓菌（Thametes versicolor）、射脉菌（Phlebia radiata）、凤尾菇（Pleurotus pulmononanus）、朱红密孔菌（Pycnoporus cinnabarinus）等[9，10，11]。
3 白腐真菌降解秸秆作物的作用机理
白腐真菌的降解活动只发生在次生代谢阶段，与降解过程有关的酶只有当主要一些营养物质，如氮、碳、硫限制时才形成。白腐真菌在对营养限制应答反应时形成一套酶系统，包括以下几种：（1）产生H2O2的氧化酶：一是细胞内的葡萄糖氧化酶，二是细胞外的乙二醛氧化酶。它们在分子氧的参与下各自氧化相应底物??葡萄糖或乙二醛，形成H2O2，从而激活过氧化物酶，启动酶的催化循环。（2）需要H2O2的过氧化物酶：白腐真菌主要合成两类过氧化物酶??木质素过氧化物酶(LiP)和锰过氧化物酶(MnP)[12,13]。LiP是一系列含有Fe(Ⅱ)?卟琳环(Ⅸ)血红素辅基的同功酶，能通过单电子氧化并引起一系列自由基反应，氧化富含电子的非酚类芳香化合物，能使木质素大分子降解。MnP也是一系列含有血红素的同功酶，在Mn(Ⅱ)和H2O2存在时，氧化大量酚类底物。这两类酶均在细胞内合成，分泌到细胞外，以H2O2为最初氧化底物。（3）漆酶、还原酶、甲基化酶、蛋白酶及其它酶[14，15]。这些酶共同组成白腐真菌降解系统主体。
木质素是一个以芳香族为基本结构的复杂聚合物，在自然界物质大循环中，它的降解主要是以微生物代谢中产生的酶为催化剂，在常温常压下把复杂的不溶性的聚合物转化为水溶性含有苯环的简单化合物，苯环最后破裂产生简单的有机小分子。在微生物处理中，只有少数真菌能同时分解所有的植物聚合物。白腐真菌能以自由基为基础的链反应过程对木质素进行降解。先是木质素解聚，形成许多有高度活性的自由基中间体，继而以链式反应方式产生许多不同的自由基，导致各种连接键断裂，使木质素解聚成各种低分子量片段，其中小于1kf的占多数，再经完全彻底氧化直到降解为CO2。这种自由基反应是高度非特异性和无立体选择性的，正好对应于木质素结构的多变性，方能完成这种异质大分子高聚物的瓦解。总体上白腐真菌降解木质素的机理是：在适宜的条件下，白腐真菌的菌丝首先利用其分泌的超纤维素酶溶解表面的蜡质；然后菌丝进入秸秆内部，并产生纤维素酶、半纤维素酶、内切聚糖酶、外切聚糖酶，降解秸秆中的木质素和纤维素，使其成为含有酶的糖类，从而使秸秆变得香甜可口，易于消化吸收。其中关键的两类过氧化物酶??LiP和MnP，在分子氧的参与下，依靠自身形成的H2O2，触发启动一系列自由基链反应，实现对木质素无特异性的彻底氧化，从而使秸秆变得易于消化。
4 白腐真菌在秸秆中的应用效果
目前国际上研究最多并表现出有效降解能力的白腐真菌是黄孢原毛平革菌（Phanerochaete Chrysosporium）。木质素经白腐真菌重加工后，大部分的低质非蛋白氮(NPN)转化为较高质量的菌体蛋白，蛋白质品质(主要是氨基酸平衡)也得到较大幅度的改进。由于猪对非木质化的纤维素消化率可达78％一90％，而对木质纤维素消化率仅为11％一23％，所以木质素是影响稻草利用的关键。杭怡琼等（2001）[16]试验结果表明，白腐菌对木质素的降解率平均可达37，76％，其中14天时的木质素降解率最高可达到21．98％。Kishan等在麦秸上接种Phanerochaete Chrysosporium，结果表明，发酵过程中干物质的损失量与真菌接种量成正比，与CP的含量，IVDMD（干物质的体外消化率）成正相关，与CF、NDF、ADF、HC和木质素的含量成负相关；接种10天后，木质素的降解率从0.67提高到12.51%，CP的含量从37.39%提高到85.68%。陈谊等（2001）[17]用白腐真菌1024作稻草转化试验，实验表明稻草秸杆可被分解，发酵过程中木质素减少13．70％一29．89％；蛋白质增加24．59％一72．38％。另外，白腐真菌处理的秸秆不仅营养成分有极大的提高，而且其酸度由未处理前的PH5.7降到PH4．0左右，呈愉快的水果香味，同时由于大部分的木质素被降解或破坏，秸秆质地柔软，适口性明显改善。
大量白腐真菌处理桔秆的研究试验结果表明，被研究的20多种白腐真菌处理秸秆表现出较强的种间变异，同时培养发酵的条件不同，处理秸秆的效果也不同。但是经筛选和选育的优良菌种，在适当环境条件下，固体发酵能明显地改善秸秆的营养价值。检测表明最佳的白腐真菌能使秸秆体外降解率从40％提高到59％。用白腐真菌糙皮侧耳发酵切碎的麦秸，5?6周后，不仅粗蛋白含量有所提高，且秸秆消化率可提高2?3倍。国内外都曾报道，香菇菌是一种极优良的分解木质素的白腐真菌。日本福柱等用香菇经过2个月对木粉的作用，结果发现脱木质素达40％一50％。陆师义等(1989)[18]报道食用菌中的平菇、风尾菇、香菇、冬菇等属于担子菌中的白腐菌类。这类食用菌可直接利用秸秆等农副产品，能够使收菇后的菌糠中动物难以消化的粗纤维，尤其是木质素含量大大降低。梁学武等（2002）[19]研究白腐真菌改善菌糠结构性碳水化合物瘤胃降解特性的效果，结果表明白腐真菌能明显改善香菇菌糠结构性碳水化合物瘤胃降解特性。香菇菌糠经Y4、Y5和Y8等3种白腐真菌处理后，干物质（DM）、中性洗涤纤维（NDF）、半纤维素（HC）及酸性洗涤木质素（ADL）的瘤胃动态降解率和潜在降解部分均有较大幅度提高。袁彤光(1998)[20]的试验也同样证明了香菇白腐真菌对秸秆的生物降解有显著作用。
5 影响白腐真菌降解秸秆作物的因素
根据目前的研究发现，影响白腐真菌对秸秆饲料有效利用的主要因素有：①白腐真菌菌种的选择：目前已知的白腐真菌有20多种，菌种间对桔秆处理效果有很大差异。白腐真菌降解细胞壁存在两种明显不同的方式，即非选择性降解细胞壁和选择性降解半纤维素和木质素。研究结果表明，利用不同白腐真菌处理秸秆，其对木质素，半纤维素的降解程度、处理前后秸秆干物质的损失以及经处理秸秆体内干物质消化率变化等均有很大不同。另外，同一白腐真菌对不同底物(小麦秸、稻草和玉米秸)木质素、半纤维素降解也明显不同。②温度：温度高低影响白腐真菌固体发酵的进度和秸秆木质素的降解率。温度过高，会降低秸秆木质素的降解率和瘤胃干物质消化率；温度过低，会导致固体发酵的进度减缓。大多数白腐真菌适宜生长的最适温度为20?35℃。为了达到在不同温度范围内均取得理想效果，可选择几种具有最适温度范围互补的白腐真菌混用。③酸碱度：大多数白腐真菌适宜生长在微酸性环境内，出值在4~5之间；而对于耐碱性白腐真菌，最适pH值为7?9。不同菌种适宜的范围不尽相同，但是在实际生产中对于大多数喜微酸性环境的白腐真菌，固体发酵接种时，不必考虑秸杆基料的PH值，因为其可在发酵早期产生大量的有机酸，使桔秆的pH值从6．7左右迅速下降至4．0左右，为后期发酵创造适宜的酸碱度环境。④碳源、氮源的选择与限制培养：国内外曾利用多种不同有机、无机或复合碳源和氮源来研究它们对微生物的木质素降解能力和产酶能力的影响，还研究了碳源或氯源限制对它们的影响。结果表明，碳源和氮源是微生物降解木质素和产酶的一个极为主要的影响因素，其中氮源限制不利于产酶，而碳源限制则有利于酶的合成；氮的存在对第一阶段有利，但可抑制第二阶段。⑤在固体发酵中，培养物的气体交换也是影响白腐真菌对秸秆降解作用的重要因素之一。气体交换量由固、液相之比决定。含水量过高或过低都会阻止白腐真菌的生长，实验表明最适的固液相之比为1：3。⑥气体在培养料中的穿透与扩散也影响发酵过程。此过程能除去真菌代谢过程中的挥发物和气体代谢物，高浓度的气体代谢物会影响真菌生长。⑦白腐真菌开始生长时需要基质无菌和高度需氧环境。底物接种白腐真菌后，存在一个接种菌与原生杂菌的竞争作用，为提高秸秆消化率，必须抑制不利菌的生长，为白腐真菌提供尽可能的适宜条件。⑧发酵时间：白腐真菌降解木质纤维化物质实际上是同时降解木质素和其它碳水化合物的过程。发酵时间过短，木质素被白腐真菌降解的比例小，经处理秸秆的消化率低；反之，木质素被降解的过多，同时其它易消化碳水化合物也大部分被降解，造成经处理秸秆的消化率降低。因此在白腐真菌处理小麦秸时，要确定一定温度下适当的发酵时间，以获得最佳处理效果。
6 白腐真菌在秸秆饲料资源开发中的应用前景
在利用秸秆的生产实践中，物理、化学和生物处理方法经常结合使用。但是可以很明确地说，生物处理方法尤其是利用微生物处理代表了今后的发展趋势。由于白腐真菌具有自身合成分多种木质素降解酶的能力，因此深入研究白腐真菌对木质素的降解活性，不仅是对白腐菌生长的主要生理基础的研究，而且对开发、利用秸秆资源具有重要意义。木质素的分解是一个复杂的生化过程，不同酶的活性的高低可能与它们在木质素降解中的作用大小和不同降解阶段中的作用顺序有关。目前，对于白腐真菌生长的不同阶段所产生的木质素降解酶及其活性并不十分清楚，仍需进行深入研究。利用白腐真菌处理秸秆能够发展食用菌生产，快速、高质量地利用和转化秸秆资源，扩大饲料来源，减少环境污染。随着对白腐真菌的进一步研究，其应用将会越来越广泛。
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通讯作者：
赵红霞 浙江大学动物科学学院2000级硕士生
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杨建军 内蒙古鄂尔多斯市畜牧业局
詹勇 浙江大学动物科学学院教授
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