Общая микробиология - Шлегель Г. 1987

Разложение природных веществ
Лигнин

Лигнин-в количественном отношении один из главных компонентов растительных тканей, уступающий только целлюлозе и стоящий наравне с гемицеллюлозами. Содержание лигнина в деревянистых тканях составляет от 18 до 30% сухой массы. Растительная ткань инкрустирована лигнином, он находится во вторичных слоях клеточной стенки. Этот растительный продукт, образующийся в довольно больших количествах, наиболее медленно подвергается биологическому разложению. Поэтому он служит главным источником медленно распадающегося органического вещества почвы, в особенности гуминовых кислот.

В химическом отношении лигнин неоднороден. Он представляет собой весьма сложное соединение, но эта сложность не определяется большим числом различных мономерных блоков; все мономерные блоки в молекуле лигнина - это производные фенилпропана, главным образом конифериловый спирт. Сложность строения лигнина обусловлена разнообразием связей, при помощи которых мономерные блоки соединены друг с другом. Такое нерегулярное строение согласуется с представлением о том, что при синтезе лигнина ферменты участвуют лишь в образовании радикалов кониферилового спирта; эти радикалы уже спонтанно вступают затем в различные связи, причем характер возникающих связей определяется мезомерным состоянием радикалов.

Рис. 14.4. Исходные вещества для биосинтеза лигнина (слева) и димеры кониферилового спирта, образующиеся как промежуточные продукты при образовании и распаде лигнина.

В качестве промежуточных продуктов синтеза лигнина удалось выделить ряд димеров и олигомеров кониферилового спирта (рис. 14.4). В то время как лигнин хвойных состоит в основном из кониферилового спирта, лигнин лиственных пород содержит конифериловый и синаповый спирты, а лигнин злаков - еще и кумаровый спирт. Эти различия отражаются прежде всего в содержании метоксильных групп: в лигнине лиственных пород оно варьирует в пределах от 20,5 до 21,5%, в лигнине хвойных -от 15 до 16%, а в лигнине злаков - от 14 до 15%.

Фенилпропаноидные единицы в молекуле лигнина различным образом соединены между собой при помощи эфирных и углерод-углеродных связей (рис. 14.4). Эти связи чрезвычайно устойчивы к действию ферментов. Лигнин в растениях представляет собой инертный конечный продукт, который уже не вовлекается в метаболизм и выполняет лишь механические функции. Только микроорганизмы могут разрушать его. Однако грибы, разрушающие древесину, а также почвенные грибы и бактерии разлагают лигнин гораздо медленнее, чем целлюлозу и гемицеллюлозы.

Разложение лигнина. Некоторые грибы могут разрушать лигнин даже в живых растениях. Разрушающие древесину базидиомицеты можно разделить на две группы. Возбудители бурой гнили превращают древесину в красновато-коричневую массу; они разрушают главным образом целлюлозные и гемицеллюлозные компоненты древесины и не действуют на фенилпропановые полимеры. Возбудители белой гнили разрушают древесину с образованием почти белой массы; они действуют в первую очередь на лигнин и почти не затрагивают целлюлозу. К грибам, разрушающим прежде всего лигнин, относятся Polystictus versicolor и некоторые другие (например, Stereum hirsutum). Есть также грибы, действующие одновременно на лигнин и целлюлозу; таковы Pleurotus ostreatus, Ganoderma applanatum, Polyporus adustus, Armillaria mellea. Разрушение древесины чистыми культурами грибов происходит так медленно, что эксперименты растягиваются на месяцы и даже годы. С помощью различных методов удалось выявить способность к разложению лигнина также у представителей некоторых других родов (Pholiota, Clitocybe, Lenzites, Panus, Poria, Trametes и др.).

Можно предположить, что первичное воздействие при разрушении лигнина осуществляют экзоферменты. Поскольку грибы, разрушающие лигнин, обычно выделяют фенолоксидазы, считают, что именно эти ферменты ответственны за отщепление ароматических соединений. До сих пор, однако, не удалось доказать эту функцию фенолоксидаз при разрушении лигнина; в особенности это касается разрыва углерод-углеродных или эфирных связей.

Для получения накопительных культур и выделения микроорганизмов, разлагающих лигнин, лучше всего использовать очищенный лигнин из растительных тканей. При этом следует избегать методов выделения, основанных на действии сильных кислот, щелочей или высоких температур. Лигнин, близкий к нативному, удается получить с помощью метода Бьоркмана (1954). Для этого еловую древесину сначала растирают с толуолом до образования суспензии, а затем отделяют от толуола, высушивают и из полученной древесной муки экстрагируют лигнин диоксаном; при этом в раствор переходит около половины всего содержавшегося в древесине лигнина. Выделенный таким способом лигнин содержит (по весу) 63,5% С, 6,4% Н, 30,4% О и 14,8% метоксильных групп. Выделенный лигнин или его производные (феноллигнин или лигнинсульфонаты) могут служить единственным источником углерода не только для грибов, перечисленных выше, но и для многих аскомицетов и несовершенных грибов. Можно получать также накопительные культуры некоторых штаммов бактерий (Flavobacterium, Agrobacterium и Pseudomonas) на частично переваренных препаратах лигнина. В смешанных культурах разложение лигнина происходит быстрее и полнее, чем в чистых.

Нет никакого сомнения в том, что лигнин могут разрушать не только грибы, но и бактерии. Однако разложение его происходит настолько медленно, что представляется совершенно ничтожным в сравнении с другими метаболическими процессами бактерий. Ведутся дальнейшие поиски микроорганизмов, способных разлагать лигнин или хотя бы так изменять его, чтобы другие организмы могли его затем окислять.