在堆肥环境中木质素的降解：综述外文翻译资料

 2022-09-26 16:52:49

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在堆肥环境中木质素的降解：综述

M. Tuomela a, M. Vikman b, A. Hatakka a,*, M. Itavaara b

摘要：窗体顶端

摘要：堆肥是时下都市固体废物一般的治疗方法。堆肥生活垃圾中含有一起
用植物材料，不同的纸和纸板的金额。在欧盟堆肥被看作一个循环软件包方法这可能将有利于堆肥包装，如纸和纸板，在未来。纸是由木素纤维素和它可以含有木质素的高达20％。在堆肥厂论文高效降解意味着生物降解木质素也需要。然而，很少是由混合微生物堆肥人群知道关于木质素降解，由白腐菌虽然木质素降解，近年来被广泛地研究。有机材料转化为碳氧化钛，腐殖质，和热由堆肥的微生物。假定腐殖质主要形成从木质素。因此，木质素是不是堆肥过程中完全矿化。在高温阶段发现的高温是必不可少的迅速木质纤维素的降解。像木质素复杂的有机化合物，主要由嗜热微真菌，放线菌降解。对嗜热菌的最适温度为40plusmn;50℃，这也是木质素降解的最佳温度在堆肥。 1999年Oacute;Elsevier科学有限公司保留所有权利。

关键词：木质素;木质纤维素; 堆肥;生物降解;嗜热真菌

1.介绍：

纸和纸板是最好的再生材料在欧洲。生产总量的40％以上被收集和回收利用，每年和回收的比例在不断增加。瓦楞纸板形成的纸和纸板的最佳恢复的一部分，此外，所有回收纤维的几乎一半被用于制造瓦楞纸板，而12％是用于制造报纸（戈达德，1997; LeppanenTurkula，1999）。
根据欧盟包装和包装废弃物指令（1994）在今年包装废弃物2001年25plusmn;45％必须回收。这个目标可以用的纸和纸板被满足，但是在一些情况下，回收利用作为材料没有对环境无害。然后其中一个选项是堆肥。回收再加工手段，包括堆肥。包装，像纸一样的产品和新开发的可降解塑料，可以用厨房的生物垃圾一起被直接收集消费者和市政堆肥厂堆肥，只要它们是可堆肥这样的条件下（Itavaara等人，1997）。近年来深入研究一直集中在可生物降解塑料的发展（Albertsson和卡尔松，1995; Forssell等人，1996; Itavaara等，1997），但相对很少受到人们的重视，以纸制品的生物降解性和堆肥。需要了解的纸产品中存在的堆肥环境中的生物降解的详细信息，关于木质素降解信息是特别重要的，因为木质素是一个顽固的聚合物和纸可以含有木质素的高达20％（比尔曼，1993）。

欧洲标准化组织CEN，正在开发测试方法和最近完成的各种包装材料（CENTC261，SC4，WG2，草案，1998年）的堆肥的评价的试验方案。在该方案中的有机成分的生物降解性使用矿化和解体的测量分析。

木纤维应被接受，因为他们的天然来源的可生物降解，但必须fulreg;l的解体和堆肥质量标准（CEN TC261，SC4，WG2，草案，1998; Pagga，1999）。什么是目前已知的关于木质纤维素材料的生物降解性和可堆肥plusmn;尤其是木质素plusmn;这些文献调查综述。堆肥过程中微生物活动也布里埃审查。因为他们经常发生在堆肥和真菌，尤其是白腐菌的主要重点放在嗜热真菌，也是自然界木质素生物分解者中最重要的组。

木质纤维素

在自然界中，生物质和，的主要部分木素纤维素账户因此，其降解为全球碳循环（图1）的操作是必不可少的。木质纤维素，如木材，主要由纤维素（约40％），半纤维素（大约20plusmn;30％）和木质素（大约20plusmn;30％）（舍斯特伦，1993）的混合物。木质素是不可或缺的细胞壁组分，其提供植物强度和耐微生物降解（Argyropoulos和梅纳赫姆，1997）。

2.1木质素生物降解研究

大分子性能和木质素的结构特点使得生物降解研究困难。木质素的合适的模型化合物难以获得和只有几个测定其适合于生物降解研究（巴斯韦尔和更早前Odier，1987）。

木质素的理想分离方法将允许以定量回收和自由非木质素污染物（Lin和Dence，1992）的没有化学改性的木质素的集合。现有的方法都不满足所有这些要求。的一些方法更适合于定量木质素的分析，和其它可以用来为目的，如生物降解研究（表1）分离木质素。磨碎木材木质素（MWL）（比约克曼木质素）和纤维素酶的木质素（CEL）是木质素的结构分析的最佳矩阵。然而，它们是因为它们的木质素的产率低（舍斯特伦，1993; Argyropoulos和梅纳赫姆，1997）的不适合进行定量测量。用于分离木质素的方法可以分类成其中木质素选择性地除去，并从最终的溶液中回收，其中木质素留如下的碳水化合物的溶解的不溶性残余物的方法，和方法。的卡伯值和Klason木质素判定是用于定量分析木质素最常用的方法。卡伯值是在纸浆和纸工业的一个重要参数，它是通过使用高锰酸钾（Argyropoulos和梅纳赫姆，1997年）中的溶液从纸浆选择性氧化木质素测定。 Klason木质素与硫酸提取样品以溶解出的其它组分（登切，1992）之后通过重量分析测定。

木质素亚结构和二聚体模型化合物已广泛应用于由于缺乏良好的，或容易获得的生物降解研究，化合物模型.典型的木质素模型是具有相同键的二聚体化合物，如在lignin. The最重要的化合物中发现的是那些与b-芳基醚键（巴斯韦尔和更早前的欧德，1987;柯克和法瑞，1987）。芳族酸如藜芦酸，香草酸和丁香酸也被用于模型化合物。模型化合物的理解高分子降解木质素的相关性一直被人诟病：模型化合物是水溶性，可通过胞内基板特殊酶不同于酶攻击不溶于水的木质素的酶（克劳福德，1980年）。

脱氢聚合物类（DHP）是所取得的主木质素前体的合成的木质素;即肉桂醇，通常松柏醇。它们已被广泛用作模型化合物和它们的化学和物理性质是公表征。在合成的前体可在不同位置进行标记。对于放射性同位素研究（Crawford等，1980; Hatakka，1994）。使用放射性木质素的筹备工作，解决了降解木质素的诸多问题研究。 14C标记的木质素使得有可能测量14C-标签的命运，即矿化木质素，以溶化木质素等，微生物降解后。

另外，也可以准备特殊标记木质素，例如在14C-标签可以在丙烷侧链或在芳环取代的特殊碳（克劳福德等人，1980）。非同位素方法通常限于定性木质素降解的研究，因为它们相比于放射性方法提供仅降解木质素的量的粗略估计（Crawford等，1980）。

3.堆肥过程中的微生物

3.1堆肥环境

堆肥过程中的微生物有机转换成CO2，生物量，热能量（热）和腐殖质状终产物，（图1和2）。有机基板，填充剂和修正用堆肥大多是从植物材料的。的有机物的主要成分是糖类（例如纤维素），蛋白质，脂质和木质素。该微生物的能力吸收有机物取决于它们，以产生所需的酶能力为基材的劣化。越复杂基板，更广泛和全面的是所需的酶系统。通过微生物的协同作用的复杂的有机化合物降解成其它物质然后可以通过微生物细胞（Golueke，1991，1992）被用于更小的分子。

微生物需要碳源，大量营养素如氮，磷和钾，和某些微量元素对它们的生长。碳主要用作对微生物的能量源，而碳的一小部分被结合到他们的细胞。一些形成的能量是用于微生物代谢，其余被释放为热。氮气是用于微生物的关键元件因为它是蛋白质的组成部分，核酸酸，氨基酸，酶和辅酶必要细胞生长和运作。如果氮气是一个限制堆肥降解过程中也会因素是缓慢的。与此相反，如果有过量的氮，它往往是从系统如氨气或其它氮丢失化合物。最佳的C / N比已报道为25plusmn;40，但该值取决于改变的基板（Golueke，1991）。

微生物能够使用能溶解于水的有机分子。如果水分含量低于一个临界水平，微生物的活动将减少，并且微生物成为休眠状态。另一方面，过高的水分含量可能会导致缺乏曝气和营养物质的浸出。在随后的厌氧条件分解速率降低和气味问题出现（Golueke，1991）。

在最佳条件下，通过三个阶段的堆肥进行：（1）温阶段，（2）高温相，它可以从持续几天到几个月（3），其持续数月的冷却和成熟阶段（图3）。堆肥相的长度取决于有机物的性质堆肥和的过程中，这是由通气和搅拌的程度来确定的生长效率。在堆肥的开始的质量为在环境温度，并通常为微酸性。可溶的和容易降解碳源，如单糖，淀粉和脂质，通过在堆肥的早期阶段的微生物利用。 pH降低，因为有机酸从这些化合物降解过程中形成的。在下一阶段的微生物开始降解蛋白质，导致铵释放和增加的pH值。易分解性碳源被消耗后，如纤维素，半纤维素和木质素更耐化合物被降解和部分transformedinto腐殖质（克劳福德，1983; Paatero等人，1984）。

腐殖质是腐殖阳离子过程的终产物，其中天然来源的化合物部分地转化为相对惰性的腐殖质。

腐殖物质可以被认为是一个主要的储土壤和水环境的有机碳（艾肯等人，1985）。腐殖物的明确结构是未知的，但它们通常视为化学分馏的基础。

目前在堆肥有机物通常是复杂的化学和分馏。萃取过程可以仅除去的有机物质的一小部分，和，因此，非破坏性的方法，如13CNMR（阿尔门德罗斯等人，1992）和FTIR（傅立叶变换红外光谱）（井村等人，1996）光谱具有被用于腐殖质的分析。（艾肯等1985年）

在一般情况下，未成熟的堆肥中含有高浓度的黄腐酸和腐殖酸含量较低。作为分解进行时，黄腐酸或者部分降低或同时腐殖酸是保持不变产生的。 腐殖质和堆肥的程度到期可由腐殖质的手段来评价指数。该腐殖质指数是腐植之间的比率酸和灰黄霉酸（CHA / CFA）以百分比表示总的有机碳（日??阿尔迪等人，1986;因巴尔等人，1990; Chen等人，1996）。 Chen等人。 （1996）

研究了形成和腐殖酸的属性堆肥过程中的物质。他们发现，在此过程中腐殖质指数增加。该腐殖酸13C-NMR谱已被用来研究的脂族和芳族结构的存在。两个13 C-NMR分析，红外光谱表明从成熟的堆肥中提取腐植酸分数含有较多的芳香结构和羧基组和较少碳水化合物组分从不成熟堆肥（Chen等，1996）。

有人声称，腐殖质主要由从木质素，多糖和含氮化合物（Varadachari和戈什，1984; Fustec等人，1989;因巴尔等人，1989）。从化学途径到腐殖质有机物是非常复杂的，并且涉及一个降解和缩合反应的数目。腐殖质的形成几种方案已建议（例如Varadachari和戈什，1984;布朗1985; Colberg，1988）。据Varadachari和戈什（1984），木质素由细胞外降解酶以更小的单位，然后将其吸收到微生物细胞在那里它们被部分地转化为酚和醌。的物质一起排出与氧化酶到环境中，在那里聚合通过自由基机理。

堆肥是由一个进行的动态过程混合微生物种群的快速连续的。该涉及微生物的主要群体是细菌，包括放线菌和真菌（Golueke，1991）。虽然微生物的总数不堆肥中显著的改变，微生物多样性可以在堆肥的不同阶段而异（Atkinson等人，1996年）。的确切性质继承和微生物在每个数堆肥相位取决于在基片上，并在继承前述微生物（克劳福德上，1983年）。

在堆肥温菌的开始占主导地位，但温度升高后过度40℃，嗜热菌接管和嗜热真菌也出现在堆肥。当温度超过60℃时，微生物活性显着降低，但堆肥后冷却温菌和放线菌再次称霸（麦金利和维斯塔，1985;斯特罗姆，1985）。

堆肥是一般的有氧过程，但厌氧微环境可能发展。 （Atkinson等人1996年）估计，所有的细菌近1％城市生活垃圾堆肥发现是厌氧的。所有发现厌氧菌具有高度的纤维素并因此可以起到显著角色的大分子。大多数厌氧温的细菌是兼性，而高温下条件更专性厌氧菌均实测值（Atkinson等人，1996年）。

细菌通常是用大小为单细胞从0.5到3.0流明。由于其体积小的细菌具有非常高的表面/体积比，它允许快速传递可溶性底物进入细胞。 作为一个因此，一般的细菌远比更占优势较大的微生物如真菌。一些细菌，如杆菌属，能够产生的厚壁内生孢子，这是非常耐热，辐射和化学消毒（Haug的，1993）。

多种细菌已经从隔离不同堆肥环境，包括的物种假单胞菌属，克雷伯氏菌属和芽孢杆菌属。 典型嗜热阶段的细菌芽孢杆菌种，

例如枯草芽孢杆菌，地衣芽孢杆菌和B环状。斯特罗姆（1985）报告的随机是高达87％在高温阶段筛选出的菌落堆肥的属于芽孢杆菌属。 许多嗜嗜热物种已经从隔离堆肥在温度高达65℃，甚至82℃。

放线菌是形成多细胞菌?laments，因此，他们像真菌。他们出现在嗜热相以及冷却和成熟堆肥的相位，并且可以偶尔变得如此之多，它们的表面上可见堆肥。嗜热放线菌已从大范围的天然底物，例如分离从沙漠和堆肥（交叉，1968年）。该属从堆肥中分离出的嗜热放线菌包括诺卡氏菌属，链霉菌属，Thermoactinomyces和小单孢（瓦克斯曼等人，1939b;斯特罗姆，1985）。放线菌能够降解一些纤维素和溶解木质素和它们容忍更高温度和pH值比真菌。因此，放线菌是在降解木质纤维素的重要推动力高峰加热，但其降解纤维素的能力和木质素是不一样高真菌（克劳福德，1983;戈登等人，1992）。在不利放线菌条件下存活的孢子（十字，1968）。

温度是最重要的因素之一。一个阿拉斯真菌生长。其他重要的因素是碳和氮，以及pH的来源。一个适度需要氮的高水平真菌生长虽然有些真菌，主要是木腐菌，生长在低氮水平。事实上，低营养氮水平往往是降解木质素的先决条件（Eriksson等，1990;迪克斯和韦伯斯特，1995）。然而，低营养氮为限速因子纤维素的降解（迪克斯和韦伯斯特，1995）。大多数真菌喜欢酸性环境，但容忍宽的pH范围内，与担子菌的例外这不成长远远高于pH为7.5。鸡腿菇种是唯一的担子哪个喜欢碱性环境（迪克斯和韦伯斯特，1995年）。大多数真菌是其中增长嗜温菌间5℃和37℃，用的最佳温度25plusmn;30°C（迪克斯和韦伯斯特，1995年）。然而，在堆肥环境中的升高的温度的装置该小群嗜热真菌是一种重要的生物降解剂。在自然界中，嗜热真菌生长在花园堆肥，燕窝，煤提示，电厂冷却管道，在许多农产品（如干草储存，粮食等），以及在木片和泥煤（夏尔马，1989桩;迪克斯和韦伯

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