木质素的微生物降解机制

研究微生物降解木质素的反应机理,可以从根本上解释微生物或酶对木质素的作用过程,对提高木质素降解效率,治理环境污染等具有非常重要的意义。从木质素结构的差异出发,总结了近年来研究木质素微生物降解机制所采用的主要模型化合物、研究方法,概述了微生物对木质素的三大作用机理:侧链氧化、去甲基化和芳香环断裂,以及参与这三个反应的主要微生物。     

生物催化立体选择性氧化还原中存在问题及其发展策略

以立体选择性氧化还原酶或其全细胞催化的不对称氧化还原反应已经成为转化光学活性手性醇及其他手性化合物的有效手段。然而,生物催化氧化还原反应体系存在着催化活性与专一性、反应体系与催化稳定性等生物催化剂所固有的局限性问题,而且,生物氧化还原反应必需辅酶及其再生问题也是限制该转化途径产业化应用的一个重要因素。围绕上述生物催化立体选择性氧化还原中存在的关键问题,现代分子生物技术及反应工程的不断突破和发展为改善生物催化立体选择性氧化还原在催化剂本身和反应工程方面的局限性提供了有效的发展策略,为其进一步大规模产业应用提供了发展基础。     

木质素芳香族化合物降解菌Sphingobium sp. SYK-6的研究进展

木质素是木质的主要成分之一,在自然界中,高分子木质素被真菌的胞外酶分解成低分子芳香族化合物,然后土壤细菌将其完全降解为二氧化碳。由此可见,木质素的完全降解过程是真菌和细菌的共同作用。研究细菌的降解机制,一方面可以理解芳香族化合物在生态系中的碳素循环,另一方面可以为木质素的有效利用提供基因和酶工具,将可再生资源的木质素转化成高附加价值的工业产品。Sphingobium sp.SYK-6是1987年从造纸厂废水中以木质素中的联苯化合物(5,5’-脱氢联香草酸)作为唯一碳源分离出的木质素化合物降解菌。在长达25年以上的研究中我们阐明了一系列芳香族化合物的代谢途径,克隆了相关基因,2012年随着基因组测序的完成,整个降解功能的全貌展现出来。介绍内容:(1)基因组信息;(2)芳醚化合物代谢;(3)联苯化合物代谢;(4)阿魏酸代谢;(5)木质素化合物降解过程中四氢叶酸依赖型机制;(6)原儿茶酸4,5开环途径;(7)3-甲氧基没食子酸代谢的多样性;(8)应用研究。我们希望SYK-6菌株成为一个让人们理解木质素化合物降解的模式菌株。最后结合课题组现在的研究课题展望了木质素化合物的降解研究的发展方向。     

Ru基催化剂选择性催化氧化5-羟甲基糠醛制备2,5-呋喃二甲酸研究进展

2,5-呋喃二甲酸(FDCA)是一种重要的生物质基单体,有望替代对苯二甲酸(PTA)生产可降解的生物质聚酯材料,缓解对化石资源的依赖以及环境的污染。如何经济、高效、绿色地合成FDCA是目前迫切需要解决的难题。5-羟甲基糠醛(HMF)作为典型的生物质平台化合物,来源广泛且绿色可持续,以其为原料催化氧化制备FDCA近年来备受关注。负载型Ru基催化剂由于其催化活性高、选择性好、成本相对合理,被认为是HMF催化氧化制备FDCA良好的催化材料。本文基于HMF不同氧化路线及反应机制,首先概述了不同活性组分Ru基催化剂的发展历程及其在HMF氧化反应中的应用,接着详细分析了碱添加剂、溶剂及载体对反应的影响,并阐释了相应的催化机制,最后对Ru基催化剂在HMF催化氧化制备FDCA中的工业化应用进行了总结和展望。     

极性非质子溶剂中酸强度对纤维素降解制备脱水糖的影响

在极性非质子溶剂中,酸催化剂对于纤维素降解制备脱水糖的反应起到重要作用。本文考察不同强度酸催化剂在极性非质子溶剂1,4-二氧六环中对纤维二糖、纤维素降解制备左旋葡聚糖(levoglucosan, LGA)以及LGA脱水制备左旋葡萄糖酮(levoglucosenone, LGO)的影响。结果表明:酸性过强(pK_a<-3)或酸性过弱(pK_a>-2)的催化剂对脱水糖制备催化性能较差,而pK_a为-3～-2的酸催化剂,如,对甲苯磺酸、甲磺酸、浓硫酸等对纤维素、纤维二糖制备LGA以及LGA脱水制备LGO的反应催化效果较好。以纤维二糖为反应物,甲磺酸为催化剂时,可得到最高的LGA碳收率为45.87%。     

苯甲酸-1,2-双加氧酶高产菌株的筛选和发酵条件的研究

苯甲酸-1,2-双加氧酶(ECl.13.99.2)催化苯甲酸转化成邻苯二酚。该酶是微生物降解芳香烃的一个关键酶,它催化氧化开环的第一步反应,在研究微生物的芳香烃代谢中占有重要位置。近年来,发现该酶可以用来在工业上合成邻苯二酚以及消除芳环化合物的污     

木材白腐菌分解木质素的酶系统-锰过氧化物酶、漆酶和木质素过氧化物酶催化分解木质素的机制

<正>近年来许多研究者进行了木材白腐菌分解木质素的酶系统对木质素的催化分解机制的研究。木材白腐菌在分解木质素的过程中会产生分解木质素的酶系统,氧化与分解木质素,这些酶系统主要包括细胞外过氧化物酶(锰过氧化物酶-MnP、木质素过氧化物酶-LiP)和细胞外酚氧化酶-漆酶(laccase)。在降解     

刺芹侧耳栽培料及菌体中漆酶介体分子的挖掘

虽然真菌能够分泌漆酶从木质素中获取碳源,然而纯化后真菌漆酶降解木质素的能力却极低。本文利用萃取方法提取刺芹侧耳栽培料及菌体中可溶性化合物,通过快速漆酶介体体系（LMS）动力学实验确定其对漆酶催化氧化反应的促进或抑制能力,进一步利用HPLC-MS和代谢组学差异分析的方法从最高活性萃取液的柱层析组分中挖掘潜在的活性成分。研究结果表明栽培料中可能含有活性介体成分,生物信息学XCMS代谢产物组分析揭示了CTE05分离组分中富含的木质素代谢产物,涉及到软木脂单体合成、香豆素合成、丁香油酚或异丁香油酚合成、质体醌醇合成、由苯丙氨酸合成硫代葡萄糖苷和安息香酸合成等代谢途径。最后讨论了其中11种潜在的天然介体分子物理化学性质,其中4种为已有文献报道的天然介体小分子。本研究暗示木质素降解与合成代谢在分子机制上存在有某种联系,相关的代谢产物可能参与了真菌降解木质素的代谢过程。     

炭接枝CuCl_2-乙二胺络合物的合成及催化氧化降解罗丹明B的性能研究

制备并研究了炭接枝CuCl2-乙二胺络合物罗丹明B溶液的性能.考察了催化剂在不同用量、不同温度、不同pH值的情况下对催化降解染料罗丹明B的影响。其结果表明:在70℃和pH为9.0时,催化剂(10mg)能够有效地催化降解罗丹明B溶液,连续循环催化降解2次,罗丹明B的降解率达到90%以上。     

α-O-4型木质素二聚体模型物热解解聚机理

为了解木质素α-O-4连接部分的热解机理,以4-(3-羟基-1-苯氧基丙基)-苯酚为α-O-4型木质素二聚体模型化合物,采用密度泛函理论M06-2X/6-31+G(d,p)方法,对该二聚体热解过程中的反应物、中间产物、过渡态、产物进行几何结构的完全优化,通过计算各可能路径的反应能垒,确定了该模型化合物主要通过Cα-O键的均裂和协同断裂的方式发生裂解反应,主要生成苯酚、4-甲基苯酚、4-乙烯基苯酚和香豆醇等酚类产物以及乙醇、甲醇、甲醛等小分子物质,由此首次从理论上揭示了该模型化合物的详细热解解聚过程。     

解淀粉芽孢杆菌MN-8对玉米秸秆木质纤维素的降解

微生物降解木质纤维素既是生物质资源化利用中的关键问题,也是亟需解决的难点问题.本文在前期获得木质素降解菌——解淀粉芽孢杆菌MN-8菌株的基础上,进一步研究该菌株对玉米秸秆木质纤维素的降解作用.研究利用玉米秸秆粉-MSM培养基对MN-8菌株进行固态发酵,监测发酵过程中木质纤维素酶活力和木质纤维素含量变化情况,并通过傅立叶红外光谱(FTIR)和气质联用色谱(GC/MS)对木质纤维素的降解情况及产物进行分析.结果表明:解淀粉芽孢杆菌MN-8菌株可产生木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶、纤维素酶和半纤维素酶等木质纤维素降解酶,在发酵10～16 d陆续达到酶活力峰值,最高酶活力分别为55.0、16.7、45.4和60.5 U·g-1.发酵24 d后,玉米秸秆中木质素、纤维素和半纤维素的降解率可分别达到42.9％、40.6％和27.1％.FTIR光谱数据表明,玉米秸秆发酵后木质素、纤维素和半纤维素的特征吸收峰强度均有一定程度的下降,表明木质纤维素被部分降解.GC/MS分析结果也证实,解淀粉芽孢杆菌MN-8能有效降解秸秆木质纤维素.MN-8菌株可断裂玉米秸秆木质素单体之间的连接键β-O-4,将秸秆木质素解聚为苯丙胺、苯丙酮和苯丙酸等保留木质素苯丙烷结构的单体化合物,并将部分单体化合物进一步氧化为Cα羰基化合物,如2-氨基-1-苯丙酮和紫丁香基苯乙酮等.在对纤维素和半纤维素降解产物的GC/MS分析中发现,降解产物包含葡萄糖、甘露糖和半乳糖等多种单糖化合物以及甲酸、乙酸、丙酸、1,1-乙二醇和3-羟基丁酸等代谢产物.表明解淀粉芽孢杆菌MN-8对秸秆木质纤维素表现出强降解作用,且该作用依赖于菌株产木质纤维素降解酶的能力.     

工业木质素预处理及催化转化苯酚

传统化石能源日益枯竭以及环境污染压力日益加大使得开发以生物质为代表的可替代能源迫在眉睫,木质素作为仅次于纤维素的生物质中第二大主要成分用来制备高附加值化学品是提高生物质资源利用效率的关键。本文将工业木质素进行预处理后采用双液相反应体系将工业木质素转化为苯酚等化合物,使用微波辐照代替传统的加热,考察了预处理方式、温度、时间等条件对产物收率的影响。结果表明,以1-甲基-3-乙基咪唑醋酸盐([EMIM]OAc)处理的工业木质素在微波反应器输出功率为400 W、反应温度为90℃、催化剂为1-甲基-3-胺乙基咪唑四氟硼酸盐([AEMIM]BF4)双液相反应体系中反应60 min苯酚的收率最高可达8.14%。     

木质素能源转化的研究进展

木质素具有较高的碳含量和热值,其最直接的利用方式是转化为各种能源产品,包括燃料和电能。因此,以来源丰富的木质素为原料转化制备生物质能源具有重要的意义。本文概述了近年来木质素转化为生物质能源的研究进展,包括木质素来源及提取、木质素热化学转化为生物燃料以及木质素发电技术,着重介绍了木质素的热解反应、气化反应、液化反应以及催化加氢脱氧反应,并总结了直接木质素燃料电池发电的最新研究成果。最后对木质素能源转化的研究前景进行了展望,提出实现工业化生产需根据目标产物需求开发新型催化剂、优化转化过程、建立低能耗且高效率的产物分离方法并加强木质素产电中电极材料、电池设计等研究,为木质素高值化、资源化和能源化利用提供参考。     

Arthrobacter sp.2PR降解2-羟基吡啶动力学及降解特性研究

从辽河口石油污染土壤中筛选到一株能够以2-羟基吡啶作为唯一碳源、氮源和能源进行生长的菌株2PR,基于形态学观察、16S rRNA基因序列分析鉴定菌株2PR属于节杆菌属(Arthrobacter)。菌株2PR生长和降解2-羟基吡啶的最适条件是30℃,pH为7.0。当2-羟基吡啶初始浓度为6.0mg/ml时,120h菌株2PR对2-羟基吡啶的降解效率为94.48%,初始2-羟基吡啶浓度为8.0mg/ml时,156h的降解效率为89.21%。对2-羟基吡啶降解动力学过程进行模拟,结果显示菌株2PR生长和降解过程符合logisitic模型,该模型为环境中2-羟基吡啶的生物降解提供了理论参考。休止细胞反应和中间代谢产物检测表明,菌株2PR在降解2-羟基吡啶的过程中生成了蓝色化合物4,5,4',5'-tetrahydroxy-3,3'-diazadiphenoquinone-(2,2')。推测该菌株降解2-羟基吡啶的途径可能是首先由双加氧酶催化生成2,3,6-三羟基吡啶,后者会自发形成蓝色中间代谢产物,2,3,6-三羟基吡啶发生开环反应,最终被完全降解。菌株2PR是已报道菌株中2-羟基吡啶耐受能力和降解能力最强的菌株,在污染物生物修复方面具有广阔的应用前景。     

计算机重构石油烃降解的微生物代谢途径

目的:用计算机重构石油烃降解通路,为石油污染的生物修复提供理论依据。方法:利用KEGG反应、化合物数据提取反应等式,过滤掉所有反应中的通用化合物及小分子化合物并构建反应矩阵,然后利用广度优先搜索算法在反应矩阵中搜索降解石油烃的代谢途径。结果:计算机分别重构了256 132条链烷烃降解途径和44条环己烷降解途径,以酿酒酵母作为降解石油烃的基因工程菌为例,通过限制改构菌整合的关键酶数目,分别得到了213条不需要转入关键酶的链烷烃降解通路和6条以氧化还原酶、松柏醇脱氢酶或环己醇脱氢酶和环己酮单氧酶为关键酶的环己烷降解通路,并构建相应的降解网络图,标注每个反应的酶。结论:应用计算机重构了2种石油烃降解途径,可为利用微生物对石油污染进行生物修复提供理论依据。     

平菇(Pleurotus ostreatus)对稻草中木质素的生物降解及降解产物分析

变色圈试验证明平菇可以选择性优先降解稻草中的木质素,培养15d后,平菇对稻草中的木质素降解率为17.86%,对综纤维素降解率为2.44%,选择性指数为9.79。生料栽培平菇后,稻草中的木质素被降解50.24%。用气—质色谱(GC/MS)和红外光谱(IR)对木质素降解产物分析结果表明,平菇对稻草中木质素的降解效果十分明显,降解产物中检测出了大量含有苯环的小分子,证明木质素聚合体的降解首先发生在单体的侧链及单体间的连键上,发生Cα-Cβ、β-O-4等断裂,形成了单体。在进一步的降解过程中,平菇表现了其自身特有的降解机制,取代苯环单体上的甲氧基为甲基,而后发生苯环的开裂,这与报道的白腐菌降解过程有所不同。红外光谱分析中,平菇对木质素的降解明显,降解产物中含有很多木质素单体所特有的基团,如紫丁香基、愈创木基等,说明木质素的降解首先发生的是侧链的氧化反应。     

云芝深层培养生产木质素降解酶的研究

木质索降解本质上是氧化反应,参与木质素降解的酶都是非专一性的,目前人们认识到的参与木质素降解的酶主要有多酚氧化酶(Polyphenol oxidase)、锰过氧化物酶(Maganese peroxidase)和木质素酶(Ligninase)。后者是近来新发现在木质素降解过程中起作用的过氧化物酶。本文研究一种对木质素降解能力很强的云芝(Polyporus versicolor)在摇瓶培养条件下,培养方式、营养条件以及添加诱导剂藜芦醇和表面活性剂Tween80等因素对木质素降解酶生产的影响。     

漆酶介体催化的研究进展

漆酶是一种含铜多酚氧化酶,可催化氧化酚型底物,不能氧化降解非酚型结构单元,但介体的加入可实现漆酶与非酚类底物间的电子传递,实现漆酶对非酚型底物的最终氧化。文章综述漆酶介体催化常用介体及其研究进展,并针对合成介体有毒价高、天然介体提取纯化复杂的特点,提出一种新型介体——木质素降解产物中的漆酶介体。     

漆酶可降解底物种类的研究进展

漆酶是一种含铜离子的多酚氧化酶,广泛存在于植物及真菌中。漆酶含特有的铜离子,其功能为传递结构中的电子,使漆酶具有了较强的氧化还原能力,能与木质素、胺类化合物、芳香化合物等底物发生作用,且大多数反应的唯一产物为水。目前,漆酶在降解多种有毒物质和有害污染物方面表现出高效、成本较低的特性,如白腐真菌所产的高水平漆酶已广泛成熟应用在工业废水处理等生物整治和修复领域。近年来最新研究利用载体固定化酶的技术使漆酶能够在使用后回收反复利用且更具有稳定性,这降低成本的同时还保持了漆酶催化氧化的特性,克服了不少漆酶在解决环境污染中出现的问题。利用介体的介导作用解决了漆酶氧化还原电势较低的问题,大量增多了可降解底物的种类,使其在废水处理、污染物降解、土壤修复、工业染料漂白等领域的应用前景更广阔。对现有漆酶应用于各领域进行研究总结,综述了降解各领域中的有害污染物等底物种类,提出了利用漆酶的降解过程中的现有不足和改进方向,以期为生物法降解环境污染物的研究提供参考。     

细菌降解木质素的研究进展

木质素是自然界最丰富的芳香化合物,其分解与陆地上碳循环密切相关。提取木质纤维素中的葡萄糖使其转化成乙醇,是生产第二代生物能源的关键步骤。但是由于木质素是一种非常稳定的化合物,难以降解是实现生物乙醇转化的主要屏障,因此关于木质素的生物降解研究具有非常重要的意义。真菌降解木质素的研究已经深入的进行了多年,并取得丰富的成果,但是关于细菌降解木质素的研究还处在初级阶段。由于广泛的生长条件和良好的环境适应能力,细菌在木质素降解方面深受研究人员的关注。本文通过总结前人的研究成果,讨论了木质素的降解机制、代谢途径及细菌降解木质素的工业应用前景,同时还展望了分子生物学及生物信息学在木质素降解方面的应用前景。