Разложение лигнина
23.08.2012
Большинство исследователей, занимавшихся прямо или косвенно вопросом о судьбе лигнина растительных остатков в природных условиях, приходят к выводу о значительной устойчивости лигнина к разлагающему действию микроорганизмов по сравнению с более легко разлагающимися целлюлезой и гемицеллюлезами (в частности, пентозанами). Этот вывод, в связи с принимаемым принципиальным отличием строения лигнина от строения целлюлезы, лежит в основе лигнинной теории происхождения торфа, бурых и каменных углей, предложенной Фишером и Шрадером, которая оказала несомненное влияние и на современные взгляды о происхождении гумуса в почвах.
Некоторые из защитников лигнинной теории формулируют указанный вывод даже в более категорической форме, отрицающей вообще возможность микробиологического разложения лигнина в мертвых растительных остатках.
В полном противоречии с этим взглядом, однако, находятся такие факты, как очень незначительное накопление гумуса (и почти полное отсутствие лесной подстилки) в хорошо аэрируемых и наиболее производительных почвах наших лесов, несмотря на большие количества лигнина в ежегодном опаде.
О возможности значительного разложения лигнина при известных условиях свидетельствуют и имеющиеся в настоящее время данные экспериментальных исследований.
Изучение вопроса о разложении лигнина под влиянием микроорганизмов наталкивается на ряд затруднений, причинами которых являются, во-первых, невозможность получения препаратов неизмененного природного лигнина для постановки опытов подобно тому, как это проделано с целлюлезой, и, во-вторых, ненадежность методов количественного определения лигнина в продуктах разложения при применении в качестве объектов изучения естественных лигнинсодержащих материалов. Опыты по разложению препаратов лигнина, полученных по Вильштеттеру, дали отрицательные результаты: микроорганизмы на этих препаратах не развивались, а прибавка лигнина Вильштеттера к почве не вызывала увеличения выделяющейся СО2. «Щелочной» лигнин в опытах Принсгейма и Фукса, а также Ваксмана обнаруживал способность к значительному разложению, особенно в начале опыта. Однако эта способность, по Ваксману, должна быть отнесена к гемицеллюлезам, содержащимся в значительном количестве в препаратах щелочных лигнинов.
О сравнительной устойчивости природного лигнина при разложении растительных остатков имеется ряд указаний Розе, Лиссе и других исследователей.
Экспериментальные исследования Брея и Эндрьюса, а также Филлипса над разложением древесины чистыми культурами некоторых бактерий и грибов показали, что целлюлеза быстро разлагается, тогда как лигнин остается практически нетронутым. Однако было бы неправильным из этих результатов делать общий вывод о неспособности лигнина к разложению, ввиду незначительного числа испытанных чистых культур микроорганизмов.
Многочисленные данные о сравнительной устойчивости лигнина при разложении растительных остатков в экспериментальных условиях получены Ваксманом с сотрудниками. Общий вывод, который делает на основании их Ваксман, может быть сформулирован следующим образом. Лигнин является наиболее устойчивым соединением против разлагающего действия главных групп микроорганизмов, особенно в анаэробных условиях, так как при этом активность грибов и актиномицетов равна нулю. При аэробных условиях лигнин разлагается, но медленнее, чем целлюлеза. На разложение лигнина оказывают также влияние состав разлагающегося материала и температура.
Так, в анаэробных условиях лигнин люцерны не обнаружил разложения, а лигнин стеблей кукурузы разложился (в течение 500 дней) на 30%.
При температуре 37° разложение лигнина в аэробных условиях происходит довольно быстро - в девять месяцев исчезает 50-60%, тогда как при 7° лигнин сохраняется почти целиком.
Природа микроорганизмов, разлагающих лигнин, еще мало выяснена. Энергичные разрушители лигнина - некоторые грибы из класса базидиальных (Basidiomycetes). В зависимости от природы участвующих в разложении микроорганизмов разложение лигнина может происходить с различной быстротой. Например, Фальк различает два типа микробиологических процессов разложения древесных остатков в лесных почвах - деструкцию, характеризующуюся разложением целлюлезы и пентозанов и сохранением лигнина, и коррозию, при которой происходит разложение целлюлезы вместе с лигнином, причем последний иногда разлагается даже быстрее целлюлезы.
К числу грибов, вызывающих коррозионное разложение, относится Agaricus nebularis, распространенный в лиственных и смешанных лесах. Примером такого случая являются, по-видимому, скопления гнилого дерева «Раlo podrido» в лесах Южного Чили, которые содержали 84% целлюлозы и 3,3% пентозанов. Это коррозионное разложение древесины, сопровождающееся разрушением лигнина, вызывается плесневым грибком Mucor chlamydosporus racemosus. Ваксман нашел, что шампиньон (Agaricus campestris) разлагает в первую очередь лигнин и протеины и только в незначительной степени гемицеллюлезу и целлюлезу.
Кроме грибной коррозии, в природе существует и бактериальная коррозия, при которой также происходит уменьшение лигнина, хотя и не в такой степени, как при коррозии грибами.
Из этих примеров, во всяком случае, можно сделать вывод, что в почвах, несомненно, имеется ряд специфических микроорганизмов, обладающих способностью разлагать лигнин наряду с целлюлезой и гемицеллюлезами или даже интенсивнее последних.
Убедительное доказательство в пользу этого вывода - опыты Филлипса, Вейхе и Смита над разложением лигнинсодержащих материалов при заражении их почвенной вытяжкой в аэробных условиях при нейтральной реакции. Эти опыты, продолжавшиеся сравнительно короткий срок (1-2 месяца), обнаружили значительное разложение лигнина, причем в некоторых случаях даже более значительное по сравнению с пептаганами и целлюлезой (табл. 2).
Одновременно с этим опыты названных авторов обнаружили, что разложение лигнина происходит с различной скоростью в зависимости от природы разлагающегося материала.
По Норману, заметное уменьшение лигнина наблюдается уже через шесть - восемь недель опыта; за год потеря, при аэробном разложении овсяной соломы, достигала 40-50%.
Недавно Хан-Денхо (1936) установил интересный факт, что разложение лигнина зависит от реакции среды; при нейтральной и щелочной реакции лигнин разлагался медленнее целлюлезы, тогда как при кислой реакции (рН 4,5), наоборот, быстрее последней.
Необходимо отметить, что почти во всех упомянутых работах по экспериментальному изучению процессов разложения лигнина под влиянием микроорганизмов определение остаточного лигнина производилось методом Вильштеттера или Кенига (в различных видоизменениях). Следовательно, к неизмененному лигнину причислялись (в значительной мере) и образующиеся при разложении гуминовые вещества.
Исследования Гросскопфа, который наряду с определением лигнина по Вильштеттеру учитывал также содержание в нем гуминовых веществ, применяя ацетил-бромид, показали, что по мере разложения содержание неизмененного лигнина убывает вначале быстрее, а затем почти параллельно с убыванием целлюлезы, тогда как содержание гуминовых веществ возрастает.
В качестве объектов для изучения последовательных стадий разложения Гросскопф взял еловую хвою, верхний слой еловой подстилки (Streu), затем полуразложившийся средний слой (Moder) и нижний гумифицированный слой; кроме того, в качестве дальнейших стадий гумификация были взяты торф лесного болота и бурый уголь.
Полученные Гросскопфом результаты приведены в табл. 3.
Из этих данных Гросскопф делает вывод, что гуминовые вещества образуются за счет лигнина, так как увеличение содержания их идет в обратном отношении к уменьшению содержания лигнина. Целлюлеза номере разложения превращается в темный аморфный продукт, который можно наблюдать под микроскопом и который получается при определении целлюлезы по Кроссу и Бивену, но этот «гумоидный» продукт отличается от настоящих гуминовых веществ способностью гидролизоваться в 42% НСl с образованием сахара, К сожалению, Гросскопф не определял азота, поэтому в его работе осталось неизвестным, какую часть гуминовых веществ можно считать производной лигнина и какая часть приходится на долю азотистых соединений, в образовании которых, несомненно, приняли участие грибы и бактерии.
Переход лигнина при аэробных условиях разложения в гуминовые вещества (или в гуминовую кислоту) наблюдался рядом исследователей, которые одновременно установили отсутствие образования этих веществ при разложении целлюлезы. К выводу о том, что образование темных гуминовых веществ происходит от изменения лигнина, а не целлюлезы и пентозанов, пришли также Дю Туа и Пэдж. Сопоставляя величину гумификации (на основании колориметрических определений) с процентом потери лигнина, целлюлезы и пентозанов при разложении, они нашли, что эта величина находится в довольно постоянном соотношении с процентом потери лигнина (в среднем, как 1:2,5), тогда как соотношение с разложившейся целлюлезой и пентозанами колебалось в очень широких пределах. В опытах с препаратами отдельных веществ гумификация наблюдалась только в случае лигнина и притом в одинаковой степени как при заражении почвенной микрофлорой, так и в стерильных условиях.
Таким образом, наряду с более или менее заметным разложением лигнина в аэробных условиях, остающаяся часть его подвергается изменениям, ведущим к образованию гуминовых веществ.
