尽管木材并不是一般微生物生长的理想场所，但是仍有一些微生物可以以木材为基质进行生长和繁殖(Kirk et al., 1982)，从而使木质有机物发生解体或称作腐朽。这些木腐菌多为真菌中能产生大型子实体的高等担子菌，主要是多孔菌，还有革菌、齿菌、伞菌及少量子囊菌(邵力平，1983)。

这些菌能分泌多种酶，把木材中的纤维素、半纤维素和木质素分解为简单的碳水化合物，作为生活的养料(Kirk et al., 1987；Higuchi，1990)。不同木腐菌的生理特性不同，所分泌的酶及酶的活性各不相同，因此，不同的木腐菌所分解木材的各种成分及相对速度就各不相同(Buswell，1987)。有些木腐菌只能分解纤维素和木质素二者之一；有些木腐菌则可同时分解二者；还有些菌类能以二者之一为主要分解对象，兼或稍具分解另一物质的能力。因此在自然界中，木材腐朽的类型是很复杂的。如木质细胞壁中木质素被分解利用时，仅留下纤维素，朽材较健康材为浅，呈白色，就叫白腐，朽材不易粉碎解体，且富于弹性，木材质地变为纤维状或海绵状，这样的白腐木材正适合于造纸，如从报道得知智利天然林中的白腐木材可直接用于造纸(这种天然白腐木材中的大量木质素已被分解，因此制成的浆料很像化学浆，能制造性能优异的纸张)(Kawase，1962)。

木质素是植物木质化组织的重要组成成分，它和其它生物高分子如纤维素、淀粉等不同，不含易水解的重复单元，因而不受水解酶的控制。一般认为木质素是由以苯环为核心带有丙烷支链的芳香族化合物的聚合物(如苯丙烷、松柏醇等)，具有酚的特性。木质素没有光学活性，含有较多的生物学稳定键型，其分子结构比纤维素要复杂的多，性状十分稳定，难被一般的微生物所分解。在木材中木质素通常和半纤维素以化学键结合在一起，由此木质素还能影响半纤维素和纤维素的微生物分解。但是在自然界中还是存在着具分解木质素能力的微生物，千万年来，森林中的枯枝落叶、倒木等未堆积成山即是证明，只是不同的微生物对木质素的分解程度是不同的。能够分解木质素的微生物主要是大型真菌的木材腐朽菌，还有极少数是细菌和放线菌。典型的木质素分解菌是引起木材白色腐朽的木材白腐菌，不具有木质素降解能力或只有较弱的木质素降解能力的木材腐朽菌是引起木材褐色腐朽的木材褐腐菌。迄今的研究结果表明，在所有具分解木质素能力的微生物中，只有引起木材白色腐朽的真菌被确切地证明了能够彻底地分解木质素，能把复杂的木质素高分子一直降解成CO₂和H₂O(Kirk，1984；Paterson et al., 1985)。而木材褐腐菌、细菌以及放线菌对木质素的降解都是不彻底的，一般只能部分地改变木质素分子的结构，对褐腐菌密粘褶菌(Gloeophyllum trabeum)和茯苓(Poria cocos)等造成的褐色腐朽材的化学成分分析表明，褐腐菌对木质素的降解主要是引起木质素分子中的酚及非酚结构脱去甲氧基。引起白色腐朽的真菌种类比褐腐菌多，它们多为担子菌，如常见的彩绒革盖菌(Coriolus versicolor)能分解木材中90%以上的木质素。白色腐朽在阔叶树上发生较多。选择性降解木质素的优良白腐菌的代表种有金孢展齿革菌(Phanerochaete chrysosporium)、虫拟蜡菌(Ceriporiopsis subvermispora)、糙皮侧耳(Pleurotus ostreatus)等(Eriksson et al., 1985；Kirk et al., 1986；Blanchette et al., 1988；1992；Hatakka，1994)。

近年来，随着现代工业的急速发展，能源短缺和环境污染的问题越来越严重，不少国家正在积极寻求省能源、省资源、无污染或少污染的新工艺、新技术，而生物法制浆造纸就是环境友好的技术。木材造纸的一大难题是脱除木材中的木质素，传统的化学造纸工艺多利用强酸或强碱法。造纸厂废弃的蒸煮和漂白废液里含有木质素和碳水化合物的降解产物及其它有毒的有机化合物，流入江河湖海，对水资源造成严重的污染。如果利用微生物对木质素的降解作用脱除木材中的木质素，就从根本上解决了造纸工业的环境污染问题，并且现有的研究已经表明生物浆能减少能源的消耗，同时纸张的性能优于化学浆的纸张性能。无疑地，研究与采用无污染或少污染的制浆与漂白新技术是国外造纸工作者的奋斗目标，也是我国造纸业的紧迫任务，生物制浆由于既节省能源又有环境友好的特性而具有毋庸置疑的应用前景，将是造纸工业的最终发展方向。那么，有希望可以利用的是高效选择性地降解木质素的白腐菌，将木材中的木质素降解后剩下的纤维素用于造纸(Blanchette et al., 1988；1992；神户制钢所，1990；Pazukhina，1994；黄镇亚，1985；陈嘉翔，1993；1996；秦梦业等，1998)。另外，从理论上讲，对木质素进行控制性地生物降解，可以由这一复杂的高聚物生产出现今从石油中制取的各种有用的苯酚类物质(Crawford，1981；Tai et al., 1990a；1990b)，如香草醛、二甲基硫醚、丁香酸、苯酚等。这种办法一旦成功，将为今后的化学品生产开辟新的原料来源。为此，国外一些研究者进行了这种以生物法从木质素中制取有用化学品的探索性研究。利用白腐菌对木质素的降解作用，是一种很有希望的方法。

1956年，Björkman提出了在不加热、不加酸的条件下，从已研磨的木粉中，用有机溶剂抽提出木质素的方法，极大地推动了对木质素化学结构的研究，开创了木质素研究的先河(Björkman et al., 1957a; 1957b)。20世纪60年代起，随着木质素化学结构研究的深入进展(Leopold, 1952; Pew, 1962; Freudenberg et al., 1965; 1968；Nimz, 1974; Sakakibara, 1977; Lundquist, 1979)，对木质素生物降解与转化的研究开始了。虽然只有40多年的历史，但是在美国、加拿大、芬兰、瑞典、荷兰、德国、法国、英国、日本等国的研究进行得十分活跃，木质素生物降解的研究在世界范围内已受到广泛瞩目，有关木腐菌对木材和木质素的降解能力、木腐菌产生的酶系统及其作用、白腐菌对木质素生物降解机制的研究时有文章发表。过去，人们较多地注意了木腐菌的有害一面，往往从消极防范的角度考虑它们，而对如何利用它们来为人类服务的问题，考虑得较少。如果人类能够巧妙、高效率地利用白腐菌降解木质素的机能，无论是用于制浆造纸，还是用于木质素生产有用的苯酚类物质，都将产生巨大的经济效益和生态环境效益，并能拓宽木材这种可再生性生物资源在工业上的有效利用途径。从某种意义上可以说，21世纪将会是木质素的时代。

1 木质素的生物降解和生物制浆在国内外的研究现状分析

到目前为止，国际上对木质素生物降解与转化和生物制浆的研究主要有以下几方面。

1.1 木质素降解代谢产物和降解途径与机制的研究

该研究领域旨在搞清木质素降解中间产物的种类和木质素是怎样一步一步地被木质素降解菌产生的酶降解的。研究(Crawford，1981；Kirk et al., 1978；1982；1984；1987；Hatakka et al., 1983；Paterson，1985；Blanchette et al., 1985；1991；1995；Eriksson et al., 1990；Tai et al., 1990a；1990b；Higuchi，1990；1993；Kondo et al., 1990；Buswell et al., 1987；1991；Andreoni，1991；Bergbauer et al., 1991；Iimura et al., 1991；Reid，1991；Rios et al., 1992；Bechtold et al., 1993；Pérez et al., 1993；Sipila et al., 1995；Crestini et al., 1996；Eggert et al., 1996；Tanaka et al., 1996；Bucur et al., 1997；Schmidt et al., 1997；中野准三，1988；李永敬等，1988；金重为等，1989；林鹿等，1997a；陈敏忠等，1996；丁佐龙等，1997；邓耀杰等，1999；胡伟华等，2001；池玉杰¹⁾)得出：不同的白腐菌对于不同的木质纤维基质有不同的中间代谢产物和途径，由于针叶材、阔叶材和草类的木质素大分子结构的不同，木质素生物降解中的低分子芳香族化合物的种类和数量随着白腐菌和木质纤维基质的不同而各异，可以有香草酸、愈疮木基丙酮酸、愈疮木基甘油-β-松柏醚、松柏醛、阿魏酸、愈疮木基甘油、对羟基苯酸、丁香酸、对羟基苯乙酸、原儿茶酸、对香豆酸等。研究认为，如果能将微生物对木质素的降解过程控制在希望的位点，完全有可能大量地积累有用的降解产物，可由这一复杂的高聚物生产出现今从石油中制取的各种有用的苯酚类物质，如香草醛、二甲基硫醚、丁香酸、苯酚等。目前，从木质素生物降解法生产香草醛已在生产试验研究阶段。

1) 池玉杰.木材白腐菌木质素生物降解能力与机制研究.国家自然科学基金申请书，1998

池玉杰.木材腐朽菌的种群结构和木材腐朽菌对木材生物降解的初步研究.中国林业科学研究院博士后研究报告，2002

在木质素降解过程中，木质素的官能团将发生变化，其构造上的一个明显变化是甲氧基含量的逐渐降低，因此通过分析木质素官能团的变化情况，如通过测定甲氧基含量的变化等，可推断木质素被降解的程度、途径与机制。日本学者福住俊郎(1979；1982)研究了白腐菌对木质素降解代谢的中间物质之一阿魏酸的代谢情况，并总结了以往各家的研究成果，推断了白腐菌对木质素的重要结构愈疮木基甘油-β-松柏醚的降解途径。侵入到木材细胞内的腐朽菌菌丝首先分泌水解酶，水解木质素-多糖复合体中的多糖即半纤维素，然后降解木质素中侧链α-碳原子和多糖间的醚键，木质素裸出之后，通过NADH为辅酶的加氧酶的羟基化反应，切断苯基醚键，游离出结构末端的愈疮木基甘油-β-松柏醚。这个二聚体化合物在上述加氧酶的作用下，降解成松柏醇和愈疮木基二羟基丙酮，前者经阿魏酸生成香草酸，后者经愈疮木基甘油生成愈疮木基丙酮酸，一直降解到香草酸。香草酸脱甲基反应生成原儿茶酸，再经3，4-加氧酶的开环作用生成β-酮基乙二酸，进入三羧酸循环继续进行降解代谢。另外，愈疮木基丙酮酸也可以通过和高龙胆酸的氧化降解相类似的加氧酶反应直接进行代谢。在这一研究方面，美国科学家Kirk、Blanchette等人(Kirk et al., 1975; 1978; 1982; 1984; 1987 Blanchette et al., 1985; 1991; 1995)做了大量的工作。Kirk和Chang(1975)由白腐菌贝形多孔菌(Polyporus anceps)腐朽的云杉(Picea asperata)材制备腐朽木质素，并对它进行了分析，结果发现腐朽木质素的甲氧基比健全材木质素减少约25%，侧链α-羰基和羧基增加，而酚型羟基明显减少，按傅立叶转换红外吸收光谱(FTIR)分析，芳香环减少约30%~50%。根据腐朽木质素的酸解生成物中，香草酸较多，1-羟基-3-愈疮木基-2丙酮较少，认为末端侧链被氧化，失去2个碳原子生成香草酸型的羧基，同时也可能存在芳香环的开裂而成的链状烃。

总的来说，微生物对木质素的降解机制目前了解得还不完全清楚，一般认为木质素生物降解的过程首先是在木质素高分子的表面，经由侧链及芳香环的氧化开裂，逐渐向内部降解的，主要包括木质素-碳水化合物结合体的分解、苯基丙烷聚合体的分解、侧链分解以及芳香环的开裂等。由于不同的白腐菌对于不同的木质纤维基质有不同的中间代谢产物和途径，目前还有许多中间代谢产物和途径未搞清。这项工作尚需要众多研究者的共同努力。

1.2 参与木质素降解的酶及其作用机制的研究

该研究领域主要探讨木质素生物降解的酶系统及其作用机制。真菌所具有的酶种类的多少，决定着真菌所能利用物质的多少。木质素的生物降解代谢是通过白腐菌产生的木质素酶的作用实现的，降解木质素的酶系统决定着木质素降解的途径、速度和程度。一般直接参与木质素降解的酶有漆酶(酚氧化酶)、锰过氧化物酶、木质素过氧化物酶等。漆酶的作用是使固体木质素的羧基增加而成为水溶性的状态，从而容易接受后续酶的作用，还有羰基化、侧链部分的降解以及甲氧基的脱去等，漆酶同时还具有聚合木质素的作用。过氧化物酶能促进木质素降解中间产物的进一步降解，如愈疮木基丙酮酸在过氧化氢的存在下可降解成草酸和香草醛。只有木质素过氧化物酶能够降解非酚的甲基化木质素的愈疮木基结构和紫丁香基结构，这种酶的氧化作用可使固体木质素成为水溶性的状态。如果存在某些酚末端结构，锰过氧化物酶和漆酶也能够降解由β-O-4烷基芳香基醚键连接的聚合体的非酚部分。上述这些复合酶，表现出很强的协同作用(Li，1981；Kirk et al., 1986；1987；Zare-maivan et al., 1988；Eriksson et al., 1990；Yoshizawa et al., 1990；Evans，1991；Galliano et al., 1991；Nerud et al., 1991；Freitag et al., 1992；White et al., 1992；Bao et al., 1993；Hatakka，1994；Okusa et al., 1996；Martines-Inigo et al., 1997；Score et al., 1997；Iakovlev et al., 2000；Koroleva，et al. 2002；刘秀英等，1991；1993；万金泉等，1992；高扬等，1996；叶汉玲等，1997；洪枫等，1998；卢雪梅等，1998；浦跃武等，1998；曲音波等，1998)。

酶是由生活细胞产生的，但酶离开细胞体后照样可以起高效率的催化作用。业已发现，真菌的酶计有400种，其中有一些已被制成酶制剂。采用优良菌种制造木质素酶制剂，在生物制浆、生物漂白、木质素转化成有用的化学品以及废水、废物处理方面都有重要作用。因此，对降解木质素的酶系统进行研究具有重要的生产应用意义(邓耀杰等，1998；王高升等，1998)。

1.3 木腐菌对木材和木质素的降解能力的研究以及高效降解木质素的生物制浆用优异菌株的筛选

在自然界中，木质素的降解是在各种微生物的共同作用下完成的(Rayner et al., 1998)，森林中的倒木在温湿度等条件适宜的林地上一旦受到木材腐朽菌的降解，其它的微生物如土壤细菌等，就能比较迅速地将已被木腐菌降解到某种程度的木质素及其降解生成的芳香族化合物进一步加以降解。就白腐菌而言，由于不同的白腐菌分泌酶的种类和酶的活性不同，它们降解木材、木质素的能力就不同。通过白腐菌对木质素降解能力的测定可以筛选出选择性地高效降解木质素的优异菌株，以用于生物制浆造纸工业(Otjen et al., 1987；Blanchette et al., 1988；1992；Hayani et al., 1991；Nerud et al., 1991；Arora et al., 1992；Bechtold，1993；Pérez，1993；Tanesaka et al., 1993；Pazukhina，1994；Molla et al., 2001；神户制钢所，1990；陈敏等，1998；杜予民等，1998；池玉杰，2001；2002)。日本的Tanesaka等(1993)研究了Kinki地区36种木材白腐菌对一种山毛榉(Fagus crenata)木材、木质素的降解能力，测定了接种后40 d和80 d木材样品重量减少百分率、80 d木质素减少百分率、木质素减少百分率与木材样品重量减少百分率的比率以及木片的颜色变化。他们得出这些白腐菌的木材降解能力显著不同，高的可达50%，低的仅为0.3%(80 d时几乎没有降解)；木质素减少百分率也从52%至17%不等(只测了对木材降解能力较高的前16种白腐菌)。木质素减少百分率与木材样品重量减少百分率的比率表明了木质素被降解的难易程度。

试验结果表明木材白腐菌在以木质素为唯一碳源的培养基上一般不能生长，这是因为这些木质素降解菌必须首先降解多糖类以取得能量，在此基础上才能对木质素进一步降解；再者多糖类物质比木质素更容易被降解，而木质素较难被降解。因此在木质素被降解的同时，一般都先伴随有对纤维素和半纤维素的分解, 这对生物制浆造纸不利，降低了纸浆得率。生物法制浆是介于森林病理学与制浆造纸学之间的一项实质性的学科交叉与渗透的边缘研究, 就是利用微生物降解木质素的能力和漂白能力，脱除制浆原料木片中的木质素并对纸浆进行漂白。所以，所用的微生物菌种必须具备繁殖快、降解木质素能力强、尽可能少降解或不降解纤维素、对生长基质的漂白能力强等特点。为获得这种适合于生物法制浆用的微生物，首先就要从自然界中筛选，然后可借助人工诱变育成更适宜的变异株。近些年筛选选择性极强地降解木质素的白腐菌已成为国际上的研究热点, 瑞典、美国、日本、俄罗斯等国家的科学家都做了重要的贡献。瑞典、美国在20世纪80年代初就筛选出生物制浆用最佳菌种金孢展齿革菌(Phanerochaete chrysosporium或Sporotrichum pulverulentum)。瑞典科学家Eriksson(被誉为生物法制浆的创始人)等人一方面从野外采集分离出能比较快、比较多地降解木质素的菌种，同时还用紫外线照射进行人工诱变育成没有纤维素酶的突变株(Ander et al., 1976；1977；Hiroi et al., 1976；Eriksson，1977)。日本分离出一种白腐菌，称作IZU-154，可高效地降解木质素而不降解纤维素。俄罗斯圣彼得堡林业大学的Pazukhina(1994)在研究白腐菌脱木质素作用时，发现白腐菌Phanerochaete sanguinea的酶液具有选择性极高的降解木质素的能力，而对碳水化合物没有任何降解。现已明确，虫拟蜡菌(Ceriporiopsis subvermispora)是对杨树等阔叶材木质素降解的最佳菌种。

2 木质素的生物降解与生物制浆的研究展望

生物制浆的最初设想源于20世纪50年代美国West Virginia制浆造纸公司(现在的Westvaco Corporation)，以后美国Madison林产品实验室(FPL)的Kirk和Kringstad等科学家与瑞典Stockholm林产品实验室(STFI)的Ander和Eriksson等科学家分别对生物制浆进行了系列研究，发现生物机械制浆可以减少能源消耗并且纸张性能得到了提高(Ander et al., 1976；1977)。1987年4月，一个生物制浆的联合研究计划诞生了，美国林产品实验室、Wisconsin大学生物技术中心、一些制浆造纸公司组成了生物制浆联合研究协会，目的是寻求经由真菌预处理的机械浆在减少能源消耗和增强纸张性能方面的科学与技术的可行性。与传统的制浆造纸工艺相比，生物制浆具有环境友好的特性。联合研究协会分成6个关系密切的协调小组：(1)真菌研究小组，筛选选择性降解木质素的最佳木材白腐菌，为制浆造纸研究小组提供可评估的真菌处理的木片；(2)制浆造纸研究小组，测定能源消耗和纸张性能；(3)酶分析小组，测定真菌与木质素和纤维素分解有关的细胞外酶系统，哪些对制浆有益，哪些对制浆无益；(4)分子遗传学研究小组，集中对P. chrysosporium进行研究，寻求生物制浆用工程改良菌株；(5)工程和工业化小组，寻求固体基质对真菌发酵处理的工程化，并且与真菌研究小组合作确定关键参数；(6)情报组，支持所有小组的工作，利用精密的计算机确定策略，筛选科技文献，从特殊的情报源例如日本专利文献进行专门情报检索。自1987年至今的17年来，国际方面对生物制浆的研究取得了重要进展。

运用微生物学、生物化学原理对木质素生物降解进行详细的研究是在木质素的化学结构得到深入研究的20世纪60年代以后，从这个意义上讲，生物法制浆造纸也是一个历史很短的研究课题，其根本目的是要根治造纸业的环境污染问题。从整个国际来看，过去投入研究的人力不够充分，人们对木质素生物降解的了解还不彻底。一般来讲，目前的大部分研究工作还停留在实验室规模，但一些研究成果已进入生产试验研究阶段，而纸浆酶预处理等工艺在瑞典、美国、加拿大等发达国家的几家纸厂现已在生产上正常应用。生物法制浆研究到今天存在的主要问题是：(1)原料经微生物处理后能变成纸浆的过程耗时较多，不能满足连续生产的要求；(2)木质素酶制剂的成本高且不稳定，酶的固定化技术尚不成熟，目前大量地提供这些酶还有困难；(3)生物法制浆能够实现工业化，生化工程的建立也是其必要的前提。因此在现阶段，要实现完全的生物法制浆是办不到的，目前的做法是生物预处理的化学制浆和机械制浆，目的是先让微生物对木片做一定程度的分解，尽可能脱除其中的木质素，疏松木材组织，以便为下一步的生产工艺创造条件。这样可以减少化学药品和能源的消耗和减轻污染的负荷(Leatham et al., 1990)。生物技术在制浆领域的应用现已包括生物化学制浆、生物机械制浆、生物漂白、酶处理防止机械浆的返黄、含氯漂白废水的生物降解与脱色等(Andreori，1991；Blanchette，1991；1995；Buswell，1991；Rios et al., 1992；Kantelinen et al., 1993；Sabharwal et al., 1995；詹怀宇，1991；张厚民等，1994；林鹿等，1997a；1997b；王双飞，1997；刘秀英等，1997；梁文芷等，1998；施英乔等，1998；檀俊利等，1998；王静霞等，1998；许正宏等，1998；黄俊等，1999；王太宇等，1999)。

3 结论

纸最初是由我国发明的，早在1 800多年前，造纸术的发明家蔡伦就制成了”蔡侯纸”，纸的发明对中国和世界文明的进步作出了巨大贡献。造纸术西传后直到19世纪末，在欧洲产业革命的推动下，以木材为原料的机制纸和化学制浆得到了迅速发展。纸在一个国家和地区的政治、经济、文化等各个领域占有重要地位，其消费水平已成为衡量一个国家现代化水平的重要标志之一。制浆造纸业是国民经济的重要支柱产业之一，在发达国家已被列入制造业和加工业的前十名。我国是人口大国，用纸量巨大，伴随着我国国民经济的蓬勃发展，纸的消费量在逐年上升。目前，木质素生物降解与转化机制的研究、生物法制浆与漂白的研究在我国已开始起步。无疑地，研究与采用无污染或少污染的制浆与漂白新技术是国外造纸工作者的奋斗目标，也是我国造纸业的紧迫任务，生物制浆由于既节省能源又有环境友好的特性而具有毋庸置疑的应用前景，将是造纸工业的最终发展方向。对生物制浆进行系统的创新性研究，符合国家对造纸业的需求，属于国民经济建设中的重要科技问题，对制浆造纸业的可持续发展具有重要的生产实践意义。因此在我国加强木质素生物降解和生物制浆的研究是势在必行的，也是迫在眉睫的，这不仅在生态环境方面，而且在缓解能源危机方面都具有重要意义。