JP2007325604A - Method for decomposing lignin using filamentous fungus and treating agent for lignin - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、糸状菌を用いたリグニンの分解方法及びリグニン処理剤に関する。さらに詳しく言えば、リグニンの主要分子内結合であるβ−アリルエーテル結合を特異的に切断し、リグニンを工業上利用可能な低分子化合物に変換する糸状菌を用いたリグニンの分解方法及びリグニン処理剤に関する。 The present invention relates to a method for degrading lignin using a filamentous fungus and a lignin treatment agent. More specifically, a lignin decomposition method and lignin treatment using a filamentous fungus that specifically cleaves β-allyl ether bond, which is a main intramolecular bond of lignin, and converts lignin into an industrially available low molecular weight compound. It relates to the agent.
近年、植物廃材料等のバイオマス資源が枯渇しないエネルギー源として、また再生可能な工業原料としてその有効利用が検討されている。しかし、一般に植物は、天然芳香族高分子であるリグニンがセルロース繊維またはヘミセルロース繊維を結束することにより形成された非常に堅牢な高分子繊維を含んでおり、これによって体構造を維持している。このリグニンによる複雑な化学構造は、構造材料として用いる場合には有利であるが、バイオマスとしての高度利用を図る上では障害となっている。そのため、殆どは廃棄されたり、あるいはせいぜい燃料として利用しているのが現状である。 In recent years, its effective use has been studied as an energy source that does not deplete biomass resources such as plant waste materials and as a renewable industrial raw material. However, plants generally contain very robust polymer fibers formed by binding lignin, a natural aromatic polymer, to cellulose fibers or hemicellulose fibers, thereby maintaining the body structure. This complex chemical structure by lignin is advantageous when used as a structural material, but is an obstacle to high utilization as biomass. For this reason, most of them are discarded or used as fuel at best.
植物中の高分子繊維を分解するためには、アルカリや酸による分解あるいは機械的な粉砕が必要であるが、環境面あるいは処理コストの面で種々の問題が生じている。また、木材資源はパルプ原料としても重要であるが、クラフトパルプの製造プロセスでは塩素を用いたリグニンの分解・除去(漂白)処理が必要であり、有害な塩素の使用を低く抑える処理方法が求められている。
そこで、従来の化学的あるいは機械的な手法に代わるリグニン分解法が注目されている。例えば、白色腐朽菌の菌体外酵素を利用したリグニン分解方法や担子菌を用いたリグニン分解方法等が知られている(木材学会誌, 38, 811-819(1992))。
In order to decompose polymer fibers in plants, decomposition with alkali or acid or mechanical pulverization is necessary, but various problems have arisen in terms of environment and processing costs. Wood resources are also important as a raw material for pulp, but the kraft pulp manufacturing process requires the decomposition and removal (bleaching) of lignin using chlorine, and there is a need for a processing method that keeps the use of harmful chlorine low. It has been.
Therefore, attention has been paid to a lignin decomposition method as an alternative to the conventional chemical or mechanical method. For example, a lignin decomposition method using an extracellular enzyme of a white rot fungus or a lignin decomposition method using a basidiomycete is known (Journal of the Wood Society, 38 , 811-819 (1992)).
しかし、微生物を用いる従来のリグニン分解方法は、菌体外酵素であるマンガンペルオキシダーゼやラッカーゼ等のラジカルが関与しリグニンを完全に分解する特異性の低い系であった。リグニンをバイオマス資源として利用するためには、複雑な化学構造のリグニンを完全に分解することなく部分分解して利用可能な状態に保つことが不可欠である。部分分解したリグニンは、例えば食品用香料成分、殺虫剤の合成原料、医薬品合成中間体、果実の熟成促進剤、オイルの消泡剤、亜鉛コーティングの増白剤、除草剤、加硫阻害剤など種々の用途に利用可能である。 However, the conventional lignin decomposition method using microorganisms is a low specificity system in which radicals such as manganese peroxidase and laccase, which are extracellular enzymes, are involved and lignin is completely decomposed. In order to use lignin as a biomass resource, it is indispensable to partially decompose lignin having a complicated chemical structure and keep it available without being completely decomposed. Partially decomposed lignin includes, for example, food flavoring ingredients, insecticide synthetic raw materials, pharmaceutical synthesis intermediates, fruit ripening accelerators, oil antifoaming agents, zinc coating whitening agents, herbicides, vulcanization inhibitors, etc. It can be used for various purposes.
本発明の課題は、リグニンを完全に分解せずに部分分解する微生物を検索し、その微生物を用いてリグニンを利用しやすいバイオマス資源に変換するリグニンの分解方法及びリグニン処理剤を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a lignin decomposition method and a lignin treatment agent that search for microorganisms that partially decompose lignin without completely degrading lignin, and convert the lignin into biomass resources that are easy to use. is there.
本発明者らは、上記課題を解決すべく、土壌より採取した多数の糸状菌類について、リグニンモデル化合物分子内に存在するβ−アリルエーテル結合の切断により遊離する蛍光物質の蛍光強度を測定するスクリーニング方法により分解活性の高い菌株を選抜、同定し、リグニンのβ−アリルエーテル結合を特異的に分解しリグニンを有用な資源として利用可能とする本発明に到達した。 In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have conducted screening for measuring the fluorescence intensity of a fluorescent substance released by cleavage of a β-allyl ether bond present in a lignin model compound molecule for a large number of filamentous fungi collected from soil. A strain having a high degrading activity was selected and identified by the method, and the present invention has been reached in which the β-allyl ether bond of lignin is specifically degraded and lignin can be used as a useful resource.
すなわち本発明は、以下のリグニン内のβ−アリルエーテル結合を切断してリグニンを部分分解する糸状菌を用いたリグニン分解方法、リグニン処理剤及びそれらに用いる新規な糸状菌に関する。
1) リグニン分解性糸状菌(担子菌類を除く。)を用いてリグニンを処理することを特徴とするリグニン分解方法。
2) リグニン分子内のβ−アリルエーテル結合を開裂する前記1に記載のリグニン分解方法。
3) リグニン分解性糸状菌が、トリコデルマ(Trichoderma)属、アルスリニウム(Arthrinium)属またはフミコーラ(Humicola)属に属する菌である前記1または2記載のリグニン分解方法。
4) リグニン分解性糸状菌が、トリコデルマ・エスピー(Trichoderma sp.)f5053株(FERM P-17251)、アルスリニウム・エスピー(Arthrinium sp.)f5518株(FERM P-17253)、フミコーラ・エスピー(Humicola sp.)f5342株(FERM P-17252)、糸状菌f5520株(Strain f5520)(FERM P-17254)または糸状菌2BW−1株(strain 2BW−1)(FERM P-17266)である前記1または2記載のリグニン分解方法。
5) リグニン分解性糸状菌(担子菌類を除く。)を含むことを特徴とするリグニン処理剤。
6) リグニン分解性糸状菌がトリコデルマ(Trichoderma)属、アルスリニウム(Arthrinium)属またはフミコーラ(Humicola)属に属する菌である前記5のリグニン処理剤。
7) リグニン分解性糸状菌が、トリコデルマ・エスピー(Trichoderma sp.)f5053株(FERM P-17251)、アルスリニウム・エスピー(Arthrinium sp.)f5518株(FERM P-17253)、フミコーラ・エスピー(Humicola sp.)f5342株(FERM P-17252)、糸状菌f5520株(Strain f5520)(FERM P-17254)または糸状菌2BW−1株(strain 2BW−1)(FERM P-17266)である前記5記載のリグニン処理剤。
8) トリコデルマ・エスピー(Trichoderma sp.)f5053株(FERM P-17251)、アルスリニウム・エスピー(Arthrinium sp.)f5518株(FERM P-17253)、フミコーラ・エスピー(Humicola sp.)f5342株(FERM P-17252)、糸状菌f5520株(Strain f5520)(FERM P-17254)及び糸状菌2BW−1株(strain 2BW−1)(FERM P-17266)からなる群より選ばれるリグニン分解性糸状菌。
That is, the present invention relates to a lignin degradation method using a filamentous fungus that cleaves the β-allyl ether bond in lignin and partially decomposes lignin, a lignin treatment agent, and a novel filamentous fungus used for them.
1) A lignin decomposition method comprising treating lignin using a lignin-degrading filamentous fungus (excluding basidiomycetes).
2) The lignin decomposition method according to 1 above, wherein the β-allyl ether bond in the lignin molecule is cleaved.
3) lignin-degrading fungus is Trichoderma (Trichoderma) sp, Arusuriniumu (Arthrinium) genus or Humicola (Humicola) the one or lignin decomposition method, wherein the bacterium belonging to the genus.
4) The lignin-degrading filamentous fungus is Trichoderma sp. F5053 strain (FERM P-17251), Arthrinium sp. F5518 strain (FERM P-17253), Humicola sp. 1) or 2 above, which is f5342 strain (FERM P-17252), filamentous fungus f5520 strain (Strain f5520) (FERM P-17254) or filamentous fungus 2BW-1 strain (strain 2BW-1) (FERM P-17266) Of lignin decomposition.
5) A lignin treating agent comprising a lignin-degrading filamentous fungus (excluding basidiomycetes).
6) lignin-degrading fungus is Trichoderma (Trichoderma) sp, Arusuriniumu (Arthrinium) genus or Humicola (Humicola) lignin treatment agent of the 5 is a bacterium belonging to the genus.
7) The lignin-degrading filamentous fungi are Trichoderma sp. F5053 strain (FERM P-17251), Arthrinium sp. F5518 strain (FERM P-17253), Humicola sp. ) Lignin according to 5 above, which is f5342 strain (FERM P-17252), filamentous fungus f5520 strain (Strain f5520) (FERM P-17254) or filamentous fungus 2BW-1 strain (strain 2BW-1) (FERM P-17266) Processing agent.
8) Trichoderma sp. (Trichoderma sp.) F5053 strain (FERM P-17251), Arusuriniumu sp (Arthrinium sp.) F5518 strain (FERM P-17253), Humicola sp. (Humicola sp.) F5342 strain (FERM P- 17252), a filamentous fungus f5520 strain (FERM P-17254) and a filamentous fungus 2BW-1 strain (strain 2BW-1) (FERM P-17266).
以下、本発明について詳述する。
(1)リグニン分解性糸状菌
本発明者らは、日本全国の土壌、腐朽材及び植物遺体より採取した糸状菌類について、木材分解性担子菌の培養等に広く用いられているフォーゲル(Vogel)培地を用いて、後述するリグニンモデル化合物分子内のβ−アリルエーテル結合の切断により遊離する蛍光物質(ウンベリフェロン)の蛍光強度を指標とするリグニン分解活性測定法を用いてスクリーニングを行ない、分解活性の認められた15株を選出した。スクリーニングのためのリグニンモデル化合物として、後述する分子構造がベンジルタイプのもの、及びフェノールタイプの2種類を使用した。選出した糸状菌のうち、ベンジルタイプのリグニンモデル化合物に対し強い分解活性を示した2株(f5053株、f5518株)と、フェノールタイプのリグニンモデル化合物に対し強い分解活性を示した1株(2BW−1株)及び両方の性質を併せ持つ2株(f5342株、f5520株)をさらに選出した。これらはいわゆるカビに分類される不完全菌類(Deuteromycotina)であり、担子菌類とは異なる糸状菌類である。これらの菌について属種を同定したところ、トリコデルマ(Trichoderma)、アルスリニウム(Arthrinium)、フミコーラ(Humicola)等に属する糸状菌類であることが判明した。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
(1) Lignin-degrading filamentous fungi The inventors of the present invention have been widely used for cultivating wood-degrading basidiomycetous fungi collected from soil, decaying materials and plant remains throughout Japan. Is used to screen for lignin model compound molecules, which will be described later, using a method for measuring lignin degradation activity that uses the fluorescence intensity of a fluorescent substance (umbelliferone) released by cleavage of the β-allyl ether bond as an index. 15 strains that were recognized were selected. As a lignin model compound for screening, two types of molecular structures described later, benzyl type and phenol type, were used. Among the selected filamentous fungi, two strains (f5053 strain and f5518 strain) that showed strong degradation activity against benzyl type lignin model compounds and one strain (2BW) that showed strong degradation activity against phenol type lignin model compounds. -1 strain) and 2 strains (f5342 strain and f5520 strain) having both properties were further selected. These are incomplete fungi (Deuteromycotina) classified as so-called molds, and are different from fungi. Was identified species for these fungi, Trichoderma (Trichoderma), Arusuriniumu (Arthrinium), that is a filamentous fungi belonging to Humicola (Humicola), etc. were found.
担子菌類以外の糸状菌類がリグニン分解活性を有することは本発明者らが今回初めて見出したことである。また、β−アリルエーテル結合を特異的に切断するリグニン分解機能は、リグニンを分解するファネロケーテ・クリソスポリウム(Phanerochaete chrysosporium)やカワラタケ(Coriolus versicolor)等の担子菌類には見られない機能であることから、本菌株をそれぞれトリコデルマ・エスピーf5053株(Trichoderma sp. f5053, FERM P-17251)、アルスリニウム・エスピーf5518株(Arthrinium sp. f5518, FERM P-17253)、フミコーラ・エスピーf5342株(Humicola sp. f5342, FERM P-17252)、糸状菌f5520株(Strain f5520, FERM P-17254)、糸状菌2BW−1株(Strain 2BW-1, FERM P-17266)と命名して、平成11年2月25日付で工業技術院生命工学工業技術研究所に寄託した。 The present inventors have discovered for the first time that filamentous fungi other than basidiomycetes have lignin-degrading activity. The lignin-degrading function that specifically cleaves β-allyl ether bonds is a function that is not found in basidiomycetes such as Phanerochaete chrysosporium and Coriolus versicolor that degrade lignin. From these strains, Trichoderma sp. F5053 (FERM P-17251), Arsolinium sp. F5518 ( Arthrinium sp. F5518, FERM P-17253), Humicola sp. F5342 ( Humicola sp. F5342 ). , FERM P-17252), filamentous fungus f5520 strain (Strain f5520, FERM P-17254), filamentous fungus 2BW-1 strain (Strain 2BW-1, FERM P-17266), dated February 25, 1999 Deposited at the Institute of Biotechnology, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology.
本発明のリグニン分解方法に用いられる糸状菌としては、リグニン分解活性を有する担子菌類以外の糸状菌類である。
例えば、不完全菌類(Deuteromycotina)、トリコデルマ(Trichoderma)、アルスリニウム(Arthrinium)、フミコーラ(Humicola)等に属する菌が挙げられる。好ましくはトリコデルマ・エスピーf5053株(Trichoderma sp. f5053, FERM P-17251)、アルスリニウム・エスピーf5518株(Arthrinium sp. f5518, FERM P-17253)、フミコーラ・エスピーf5342株(Humicola sp. f5342, FERM P-17252)、糸状菌f5520株(Strain f5520, FERM P-17254)、糸状菌2BW−1株(Strain 2BW-1, FERM P-17266)であるが、これらに限定されない。本発明ではこれらの菌を1種を単独で、または2種以上同時に用いることができる。
The filamentous fungi used in the lignin degradation method of the present invention are filamentous fungi other than basidiomycetes having lignin degradation activity.
For example, bacteria belonging to incomplete fungi (Deuteromycotina), Trichoderma ( Trichoderma ), Arthrinium ( Arthrinium ), Humicola ( Humicola ) and the like can be mentioned. Preferably, Trichoderma sp. F5053 strain ( Trichoderma sp. F5053, FERM P-17251), Arsolinium sp. F5518 strain ( Arthrinium sp. F5518, FERM P-17253), Humicola sp. F5342 strain ( Humicola sp. F5342, FERM P- 17252), filamentous fungus f5520 strain (Strain f5520, FERM P-17254), and filamentous fungus 2BW-1 strain (Strain 2BW-1, FERM P-17266), but are not limited thereto. In the present invention, these bacteria can be used alone or in combination of two or more.
(2)培養条件
本発明においては、前記で分離したリグニン分解性糸状菌を好気的または嫌気的条件、好ましくは好気的条件下で培養し増殖することができる。
好気培養は、通常の中温菌の培養に準じ、静置培養でも振盪培養でも良い。培養液のpHは2〜8、好ましくは5〜8である。
培養温度は10〜40℃、好ましくは20〜30℃である。培養を継続する時間は、目的とするリグニン含有物質中のリグニンを分解するのに十分な時間であればよく、通常は1〜20日間、好ましくは2週間程度である。培地に亜鉛イオンが添加されている場合には、分解活性が3倍上昇するため、30分以上〜1週間が好ましい。
嫌気培養は、上記の好気培養に準じるが、静置培養を行なう。
(2) Culture conditions In the present invention, the lignin-degrading filamentous fungus isolated as described above can be cultured and grown under aerobic or anaerobic conditions, preferably aerobic conditions.
The aerobic culture may be a stationary culture or a shaking culture according to the culture of a normal mesophilic bacterium. The pH of the culture solution is 2-8, preferably 5-8.
The culture temperature is 10 to 40 ° C, preferably 20 to 30 ° C. The duration of culturing may be a time sufficient to decompose the lignin in the target lignin-containing substance, and is usually 1 to 20 days, preferably about 2 weeks. When zinc ions are added to the medium, the degradation activity is increased three-fold, and therefore 30 minutes to 1 week is preferable.
Anaerobic culture is in accordance with the above-described aerobic culture, but static culture is performed.
培地は、通常の微生物、好ましくは糸状菌の培養に用いるものであれば特に制限されない。例えば、ポテト澱粉−デキストロース培地、コーンミール培地、オートミール培地または後述のフォーゲル(Vogel)培地等を用いてもよい。好ましくは、フォーゲル(Vogel)培地である。
培地には、セルロースやリグニン等の木質性成分等を添加することができる。さらに必要に応じて各種の炭素源あるいは窒素源を添加することができる。炭素源としては、ブドウ糖、ショ類、マルトース、サッカロース、上白糖、黒糖、糖蜜、廃糖蜜、マルツエキス等が挙げられる。窒素源としては、肉エキス、ペプトン、グルテンミール、大豆粉、乾燥酵母、酵母エキス、硫酸アンモニウム、酒石酸アンモニウム塩、尿素等が挙げられる。その他、必要に応じて、ナトリウム塩、マグネシウム塩、マンガン塩、鉄塩、カルシウム塩、リン酸塩、亜鉛塩等の無機塩類や、イノシトール、ビタミンB1 塩酸塩、L−アスパラギン、ビオチン等のビタミン類を添加してもよい。
The medium is not particularly limited as long as it is used for culturing ordinary microorganisms, preferably filamentous fungi. For example, a potato starch-dextrose medium, corn meal medium, oatmeal medium, a Vogel medium described later, or the like may be used. Preferred is a Vogel medium.
Woody components such as cellulose and lignin can be added to the medium. Furthermore, various carbon sources or nitrogen sources can be added as necessary. Examples of the carbon source include glucose, shochu, maltose, saccharose, sucrose, brown sugar, molasses, waste molasses, malt extract and the like. Examples of the nitrogen source include meat extract, peptone, gluten meal, soybean flour, dry yeast, yeast extract, ammonium sulfate, ammonium tartrate, urea and the like. In addition, if necessary, inorganic salts such as sodium salt, magnesium salt, manganese salt, iron salt, calcium salt, phosphate, zinc salt, vitamins such as inositol, vitamin B 1 hydrochloride, L-asparagine, biotin, etc. Kinds may be added.
(3)リグニン分解方法
本発明のリグニン分解方法は、上記のリグニン分解活性を有する糸状菌の培養物またはその処理物でリグニンを処理することにより行なわれる。例えば、上記の培養液にリグニン含有物質を添加するか、逆にリグニン含有物質に上記の培養液またはその抽出成分を添加して処理する。
反応には、バッチ法、連続法、半連続法等のいずれをも用いることができる。また、本発明のリグニン分解性糸状菌を含有するものであれば、他のリグニン分解菌と共に用いてもよい。また、反応効率を上げるために、亜鉛イオンを添加することが好ましい。
培養液にリグニン含有物質を添加して処理する場合は、上述のリグニン分解菌の培養条件に準じて行なうことが出来る。
(3) Lignin Decomposing Method The lignin decomposing method of the present invention is carried out by treating lignin with the above-described culture of filamentous fungus having lignin decomposing activity or its treated product. For example, the lignin-containing substance is added to the above-described culture solution, or conversely, the above-described culture solution or an extract component thereof is added to the lignin-containing substance for treatment.
For the reaction, any of batch method, continuous method, semi-continuous method and the like can be used. Moreover, as long as it contains the lignin-degrading filamentous fungus of the present invention, it may be used together with other lignin-degrading bacteria. Moreover, in order to raise reaction efficiency, it is preferable to add zinc ion.
When the lignin-containing substance is added to the culture solution for treatment, it can be carried out according to the above-mentioned culture conditions for lignin-degrading bacteria.
(4)リグニン処理剤
本発明によるリグニン処理剤は、前記した担子菌以外のリグニン分解性糸状菌を含むものであり、液状であると固形化物であるとを問わない。すなわち、上記のリグニン分解活性を有する培養液自体をリグニン処理剤として用いることができる。また培養液を乾燥し製造助剤を加えて固形剤としたものを、処理するリグニン含有物質自体に、または処理媒体中に添加して使用することもできる。
(4) Lignin treatment agent The lignin treatment agent according to the present invention contains a lignin-degrading filamentous fungus other than the basidiomycete described above, and it does not matter whether it is a solid when it is liquid. That is, the culture solution itself having the above lignin degrading activity can be used as a lignin treatment agent. Moreover, what dried the culture solution and added the manufacturing aid and made it the solid agent can also be used by adding to the lignin containing substance itself to process, or a processing medium.
以下、実施例及び比較例により、本発明をより具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらの例により限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example demonstrate this invention more concretely, the scope of the present invention is not limited by these examples.
実施例1:β−アリルエーテル結合切断活性を有する糸状菌の単離
(1)菌の採取と培養
日本全国の土壌、腐朽材、植物遺体サンプルより微生物を採取し、木材分解性担子菌培養に多用されているフォーゲル(Vogel)培地(液体)1mlをワッセルマンに入れ、滅菌後、菌を接種して、2週間静置培養した。
なお、Vogel培地は、培地1L当たりグルコース(純正化学製)10g、酵母抽出物(Yeast Extract,オリエンタル酵母工業製)2.5gのほか、下記組成のストック溶液(Stock solution)20mlと微量金属(Trace metal)100μl、0.01%ビオチン水溶液(Biotin Solution)100μlを含む。
Example 1: Isolation of filamentous fungus having β-allyl ether bond-cleaving activity (1) Collection and culture of fungus Microorganisms were collected from soil, decayed material, and plant remains samples from all over Japan for culturing wood-degradable basidiomycetes. 1 ml of the frequently used Vogel medium (liquid) was placed in a Wasselman, sterilized, inoculated with bacteria, and allowed to stand for 2 weeks.
The Vogel medium contains 10 g of glucose (made by Seikagaku) and 2.5 g of yeast extract (Yeast Extract, manufactured by Oriental Yeast Co., Ltd.), 20 ml of stock solution (Trace metal) with the following composition and trace metal per liter of medium. ) 100 μl, 0.01
(2)リグニンモデル化合物を用いたβ−アリルエーテル結合の切断活性測定
リグニンモデル化合物として、B環に蛍光物質である4−メチルウンベリフェロンを有する下記の化学式(I)で示されるウンベリフェロンエーテル(フェノールタイプ;以下、基質−1という。)及び下記の化学式(II)で示されるウンベリフェロンエーテル(ベンジルタイプ;以下、基質−2という。)の2種類を使用した。なお、ベンジルタイプのウンベリフェロンエーテルの方が天然のリグニンに近い構造を有している。
これらは、以下の化学式で示されるようにβ−アリルエーテル結合が開裂すると蛍光物質である4−メチルウンベリフェロンを生じるので、その蛍光の強さから基質の分解活性を測定することができる。
(2) Measurement of cleavage activity of β-allyl ether bond using lignin model compound As a lignin model compound, umbelliferone represented by the following chemical formula (I) having 4-methylumbelliferone as a fluorescent substance in the B ring Two types of ether (phenol type; hereinafter referred to as substrate-1) and umbelliferone ether (benzyl type; hereinafter referred to as substrate-2) represented by the following chemical formula (II) were used. The benzyl type umbelliferone ether has a structure closer to that of natural lignin.
Since these compounds produce 4-methylumbelliferone which is a fluorescent substance when the β-allyl ether bond is cleaved as shown by the following chemical formula, the decomposition activity of the substrate can be measured from the intensity of the fluorescence.
前記培養後の菌体懸濁液に、基質であるウンベリフェロンエーテルを含むDMSO(ジメチルスルフォキシド,0.1%)溶液を終濃度が0.01%となるように加え、約24時間後、エーテル結合の切断により遊離したウンベリフェロンの蛍光強度を蛍光光度計(島津RF1500)で測定した。励起波長は360nm、測定波長は450nmで測定を行なった。
その結果、基質−1に対し極めて強い分解活性を示した3種の微生物株のうち最も活性の強い2BW−1株を分離した。同様に基質−2に対して強い分解活性を示した6種の微生物株のうち、活性の強い4株f5053株、f5518株、f5342株、f5520株を分離した。
A DMSO (dimethyl sulfoxide, 0.1%) solution containing umbelliferone ether as a substrate is added to the cultured cell suspension so that the final concentration becomes 0.01%, and after about 24 hours, an ether bond is formed. The fluorescence intensity of umbelliferone released by the cleavage of was measured with a fluorometer (Shimadzu RF1500). Measurement was performed at an excitation wavelength of 360 nm and a measurement wavelength of 450 nm.
As a result, the most active 2BW-1 strain was isolated from the three microbial strains that showed extremely strong degradation activity against substrate-1. Similarly, 4 strains f5053, f5518, f5342 and f5520 having strong activity were isolated from 6 types of microorganisms which showed strong degradation activity against substrate-2.
これら分離した各菌株の、基質−1に対する分解活性(蛍光強度)を図1に、また基質−2に対する分解活性を図2に示す。対照として、リグニンを分解することが知られている担子菌に属するファネロケーテ・クリソスポリウム(Phanerochaete chrysosporium ME446(図中、P))及びカワラタケ(Coriolus versicolor(図中、C))を用いて同様に分解活性を調べた。図中の横軸は蛍光強度を表わし、数値2000は、ほぼ100%の分解強度を表わしている。
FIG. 1 shows the degradation activity (fluorescence intensity) for substrate-1 and FIG. 2 shows the degradation activity for substrate-2 of these separated strains. As a control, Phanerochaete chrysosporium ME446 (P in the figure) and Kawaratake ( Coriolus versicolor (C in the figure)) belonging to the basidiomycete known to degrade lignin are used in the same manner. The degradation activity was examined. The horizontal axis in the figure represents the fluorescence intensity, and the
2BW−1株はフェノール性水酸基を持つ基質−1に対し極めて強い分解活性を示したが、基質−2のようなフェノール性水酸基を持たない基質中のβ−アリルエーテルには殆ど分解活性を示さなかった。f5053株及びf5518株は、基質−−2に対しても強い分解活性を示した。f5342株及びf5520株はその両方の性質を示した。一方、リグニン分解酵素を産生することで知られているファネロケーテ・クリソスポリウム及びカワラタケは基質から生じる蛍光物質を完全に分解してしまうため蛍光強度は0であった。 The 2BW-1 strain showed extremely strong degrading activity against substrate-1 having a phenolic hydroxyl group, but almost all β-allyl ether in a substrate having no phenolic hydroxyl group such as substrate-2 showed degrading activity. There wasn't. The f5053 strain and f5518 strain also showed strong degradation activity against substrate-2. The f5342 and f5520 strains showed both properties. On the other hand, Fanelocate chrysosporium and Kawaratake, which are known to produce lignin-degrading enzymes, completely decomposed the fluorescent substance generated from the substrate, and the fluorescence intensity was zero.
従って、本発明により分離した糸状菌がβ−アリルエーテル結合を特異的に分解する機能を有していることが明らかとなった。また、2BW−1株、f5342株及びf5520株による基質−1の切断活性は、フェノール性水酸基依存性であるラッカーゼによるものと推測されるが、ファネロケーテやびカワラタケ等が生産するラッカーゼとはタイプが異なるものと考えられる。一方、f5053株、f5518株は、非フェノール性の基質を分解し、明らかにラッカーゼとは異なる作用によるものと推察される。 Therefore, it was revealed that the filamentous fungus isolated according to the present invention has a function of specifically decomposing β-allyl ether bond. In addition, the cleavage activity of substrate-1 by 2BW-1 strain, f5342 strain and f5520 strain is presumed to be due to phenolic hydroxyl group-dependent laccase. It is considered different. On the other hand, the f5053 and f5518 strains are presumably due to the action different from that of laccase, which decomposes non-phenolic substrates.
(3)高分子リグニンモデル化合物を用いたβ−アリルエーテル結合の切断活性測定
リグニンモデル化合物として基質−1をリグニン高分子構造に共重合させた高分子基質(DHP)を用いた以外は前記(2)と同様に行なった。2BW−1株及びf5053株について活性を調べた結果を図3に記す。対照としてDHPのみで蛍光強度を測定すると100ほど蛍光強度がある(図中、DHP Control)。図3より明らかなように、これら2株とも高分子基質(DHP)に含まれるβエーテル結合に対しても強い分解活性を示した。特に2BW−1株が強い分解活性を示した。
(3) Measurement of cleavage activity of β-allyl ether bond using high molecular weight lignin model compound As described above, except that a high molecular weight substrate (DHP) in which substrate-1 is copolymerized with a lignin high molecular structure is used as the lignin model compound ( Performed in the same manner as 2). The results of examining the activity of 2BW-1 strain and f5053 strain are shown in FIG. When the fluorescence intensity is measured only with DHP as a control, there is about 100 fluorescence intensity (DHP Control in the figure). As is clear from FIG. 3, these two strains also showed strong degradation activity against the β ether bond contained in the polymer substrate (DHP). In particular, the 2BW-1 strain showed strong degradation activity.
実施例2:β−アリルエーテル結合切断活性を有する糸状菌の形態及び同定
(i)2BW−1株:本菌株はコーンミール寒天上では培養菌叢は全体的に無色で表と真の両面区別がなく均一であり、気中菌糸を欠く。表面は一部白い粉状を呈する。オートミール寒天上では、菌叢はほぼ均一で灰色と黄褐色をし、表面は白い粉状のほふく性の菌糸で部分的におおわれている。裏面は暗緑色である。モルト寒天上では、黄褐色をし、中央部は白い菌糸膜でおおわれる。放射状の褐色の線が形成される。裏面は黄褐色である。
Example 2: Form and identification of filamentous fungi having β-allyl ether bond cleavage activity
(i) Strain 2BW-1: This strain is entirely colorless on cornmeal agar, without any distinction between the front and the true, and lacks aerial hyphae. The surface is partly white powder. On oatmeal agar, the flora is almost uniform, gray and tan, and the surface is partially covered with white powdery fluffy mycelium. The back side is dark green. On malt agar, it is yellowish brown and the center is covered with a white mycelium. A radial brown line is formed. The back side is tan.
(ii)f5053株:本菌株の分生子柄は直立、分岐し、分枝は主として先端で輪生しており、その先端に胞子魂を形成する。分生胞子はフィアロ型(内生胞子がphialideから出てくる)であり、無色単胞で卵形又は亜球形(3〜6×2〜4μm)である。厚膜胞子は淡褐色で亜球形(直径8〜12μm)である(PDA培地での形態)。従って、本菌株はトリコデルマ(Trichoderma)に属する糸状菌であると同定された。 (ii) f5053 strain: The conidial pattern of this strain is upright and branched, and the branches are mainly rotated at the tip, forming a spore soul at the tip. The conidia are phyarotypes (endospores come from phialide), colorless single vesicles that are oval or subspherical (3-6 × 2-4 μm). Thick membrane spores are light brown and subspherical (diameter 8-12 μm) (form in PDA medium). Therefore, this strain was identified as a filamentous fungus belonging to Trichoderma .
(iii)f5518株:本菌株の分生子柄は直立し、分岐せず、先端部に1〜数個の出芽型の分生胞子を作る。分生胞子は褐色で、球形、楕円形又は中央に薄いスリット状の線が入った円盤形で、その大きさは長径が8〜11μm、短径が4〜5μmである(PDA培地での形態)。これらの特徴より、本菌株はアルスリニウム(Arthrinium)に属する糸状菌であると同定された。 (iii) f5518 strain: The conidia of this strain stands upright, does not branch, and produces 1 to several budding type conidia at the tip. Conidia are brown, spherical, elliptical, or disk-shaped with a thin slit-like line in the center, with a major axis of 8-11 μm and a minor axis of 4-5 μm (form in PDA medium) ). From these characteristics, this strain was identified as a filamentous fungus belonging to Arthrinium .
(iv)f5342株:本菌株は、菌糸上に直接又は小柄上にアレウロ型(厚膜胞子様の胞子)の分生胞子を単生又は連鎖して形成する。アレウロ型分生胞子は淡褐色、球形又は亜球形(直径8〜11μm)である(素寒天、コーンミール寒天、オートミール寒天培地で胞子を形成)。これらの特徴より、本菌株はフミコーラ(Humicola)に属する糸状菌であると同定された。 (iv) f5342 strain: This strain is formed by unilaterally or chain-forming contiguous spores of allelo-type (thick spore-like spores) directly on the mycelium or on the petite. Allelo-type conidia are light brown, spherical or subspherical (diameter 8-11 μm) (form spores on elementary agar, cornmeal agar, oatmeal agar). From these characteristics, this strain was identified as a filamentous fungus belonging to Humicola .
(iv)f5520株:本菌株は、コーンミール寒天培地上で全体的にほほ均一な菌叢をし、灰緑色、全体が白い気中菌糸でおおわれており、裏面は灰緑色をしている。オートミール寒天培地上では、全体が黄褐色で中央部が特に濃く、黄褐色の菌糸でおおわれており、裏面は中央部が暗褐色で周辺は黄褐色をしている。モルト寒天培地上では黄褐色をしており、白ないし黄褐色の薄い気中菌糸でおおわれている。その裏面は黄褐色でほぼ均一な色をしている。 (iv) f5520 strain: This strain has a generally homogeneous flora on cornmeal agar medium, grayish green, entirely covered with white aerial hyphae, and the back surface is grayish green. On the oatmeal agar medium, the whole is yellowish brown and the central part is particularly dark and covered with yellowish brown mycelia, the back is dark brown in the central part and the surrounding is yellowish brown. It is yellowish brown on malt agar and is covered with a thin aerial mycelium of white to tan. The back side is yellowish brown and has almost uniform color.
これら菌株は、トリコデルマ・エスピー(Trichoderma sp.)f5053株(FERM P-17251)、アルスリニウム・エスピー(Arthrinium sp.)f5518株(FERM P-17253)、フミコーラ・エスピー(Humicola sp.)f5342株(FERM P-17252)、糸状菌f5520株(Strain f5520)(FERM P-17254)及び糸状菌2BW−1株(strain 2BW−1)(FERM P-17266)として工業技術院生命工学工業技術研究所に寄託されている。 These strains include Trichoderma sp. F5053 strain (FERM P-17251), Arthrinium sp. F5518 strain (FERM P-17253), Humicola sp. F5342 strain (FERM) P-17252), strain f5520 strain (FERM P-17254) and filamentous strain 2BW-1 strain (Strain 2BW-1) (FERM P-17266) deposited at the Institute of Biotechnology, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology Has been.
比較例1:リグニン分解反応における細菌と糸状菌の比較
リグニンモデル化合物として基質−1を用い、分解菌としてはトリコデルマ・エスピー(Trichoderma sp.)f5053株とβ−アリルエーテル結合を切断する菌として知られているシュードモナス・パウシモビリス(Pseudomonas paucimobilis)菌(ジャーナル・オブ・バクテリオロジー(J. Bact., 173, 7950-7955(1991)))を用い、実施例1(2)に示した方法と同様にして分解活性を調べた。その結果、両者ともほぼ同程度の分解活性を示したが、シュードモナスでは基質が菌体内へ入る膜透過反応に時間がかかるため、分解反応時間は糸状菌のほうが遥かに早いことが判明した。
Comparative Example 1: Comparison of Bacteria and Filamentous Fungi in Lignin Degradation Reaction Substrate-1 was used as a lignin model compound, and Trichoderma sp. F5053 was known as a degrading bacterium and a bacterium that cleaves β-allyl ether bond . Pseudomonas paucimobilis bacterium (Journal of Bacteriology (J. Bact., 173 , 7950-7955 (1991))) is used in the same manner as in Example 1 (2). The degradation activity was examined. As a result, both showed almost the same level of degradation activity, but it was found that Pseudomonas takes much longer time for the membrane permeation reaction in which the substrate enters the cells, and the degradation reaction time is much faster for filamentous fungi.
本発明は、リグニン分解性糸状菌の培養物またはその処理物を用いてリグニンの主要分子内結合であるβ−アリルエーテル結合を特異的に切断するリグニンの分解方法及びリグニン処理剤を提供したものである。
特に本発明者らが見出したトリコデルマ・エスピー(Trichoderma sp.)f5053株(FERM P-17251)、アルスリニウム・エスピー(Arthrinium sp.)f5518株(FERM P-17253)、フミコーラ・エスピー(Humicola sp.)f5342株(FERM P-17252)、糸状菌f5520株(Strain f5520)(FERM P-17254)または糸状菌2BW−1株(strain 2BW−1)(FERM P-17266)は、リグニン分子内のβ−アリルエーテル結合のみを切断し、またその活性も高いため、本菌株を用いることにより、リグニンをバイオマス資源として利用可能である。さらに本発明のリグニン分解方法及びリグニン処理剤は、製紙工業、産業廃棄物処理工業、土壌改良などの分野で有効に利用できる。
The present invention provides a lignin decomposition method and a lignin treatment agent that specifically cleaves β-allyl ether bond, which is the main intramolecular bond of lignin, using a culture of lignin-degrading filamentous fungi or a processed product thereof. It is.
In particular, the inventors found Trichoderma sp. F5053 strain (FERM P-17251), Arthrinium sp. F5518 strain (FERM P-17253), Humicola sp. The f5342 strain (FERM P-17252), the filamentous fungus f5520 strain (Strain f5520) (FERM P-17254), or the filamentous fungus 2BW-1 strain (strain 2BW-1) (FERM P-17266) is β- in the lignin molecule. Since only the allyl ether bond is cleaved and its activity is high, lignin can be used as a biomass resource by using this strain. Furthermore, the lignin decomposition method and lignin treatment agent of the present invention can be effectively used in fields such as the paper industry, the industrial waste treatment industry, and soil improvement.
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