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1、中華林學季刊 (Quarterly Journal of Chinese Forestry) 43(1):181189（2010） 181 學術論述 淺談真菌降解木材機制與環境友善型 木材防腐劑 陳永龍1 陳載永2 吳志鴻3* （收件日期：民國 98 年 8 月 28 日、接受日期：民國 98 年 10 月 26 日） 【摘要】 長久以來，木材被廣泛應用於建築及製漿造紙等工業上；然而在適當的環境下，木材卻易受真菌等微生物的危害而造成生物降解，因而造成木材在應用上之困擾。雖然木材經防腐處理可降低微生物的危害，並延長木材的使用年限，但此亦會造成其對人體健康及環境等衝擊。因此，為滿足上述需求並開發對
2、環境友善且對人體無害之木材防腐劑，瞭解真菌降解木材之機制為木材防腐劑開發之重要依據。早期僅知真菌可分泌纖維素分解酶等胞外酵素來降解木材，但近年來發現，除了胞外酵素之外，真菌亦會利用氫氧自由基等自由基來降解木材。因此，若能抑制真菌分泌的胞外酵素活性，或是捕捉真菌所產生的自由基，應可達到木材防腐之效果。 【關鍵詞】真菌、生物降解、木材防腐劑、環境友善 INTRODUCTION OF THE MECHANISM OF WOOD DEGRADATION BY FUNGI AND THE ENVIRONMENTALLY BENIGN WOOD PRESERVATIVE Yong-Long Chen1 T
3、sai-Yung Chen2 Jyh-Horng Wu3* （Received: August 28, 2009; Accepted: October 26, 2009） 【Abstract】Wood, widely utilized in building and paper-pulp manufacturing, is susceptible to fungal biodegradation under appropriate environment conditions. Thus, the biodegradation is supposed to be one of the majo
4、r challenges in wood utilization. Proper preservative treat-ments can reduce the microbial damage and increase the service life of wood, but health and 1 國立中興大學森林學系研究生。 Graduate Student, Department of Forestry, National Chung Hsing University. 2 國立中興大學名譽教授。 Emeritus Professor, National Chung Hsing U
5、niversity. 3 國立中興大學森林學系助理教授，通訊作者。 Assistant Professor, Department of Forestry, National Chung Hsing University. Corresponding Author, E-mail: ericnchu.edu.tw 182 淺談真菌降解木材機制與環境友善型木材防腐劑 environment issues are also to be emphasized. Accordingly, in order to develop environ-ment-friendly and health harm
6、less wood preservatives, understanding the mechanism of wood biodegradation is very important. In the past, it was thought that wood biodegradation just caused by extracellular enzymes such as cellulose secreted by fungi. Recently, however, free radicals such as hydroxyl radical are also conformed t
7、o be involved in fungi biodegradation. Accordingly, wood biodegradation should be prevented by inhibiting the activity of extracel-lular enzymes and/or scavenging the free radicals secreted by fungi. 【Key words】Fungi, Biodegradation, Wood preservative, Environment-friendly I、前言 木材為一天然、可再生的生物性材料，其具有優
8、異的強度性質、吸脫濕性及美觀的外表等優點，因此，自古以來廣泛受到人們喜愛與利用。在理想的環境下，木材可使用數十年至數百年之久，但是在現實生活中，木材會受到陽光、水分、大氣污染物、臭氧、二氧化硫及酸雨等環境因子影響，而加速劣化。然而，除了上述非生物性危害之外，木材亦會受到細菌、真菌、蛀蟲、白蟻及海蟲等生物性危害；其中，因真菌所導致的木材腐朽，據估計已造成數十億歐元的損失（Martnez et al., 2005）。因此，為了提升木材的耐腐朽性與耐久性，常會在木材表面塗裝，以避免木材受到陽光等非生物性危害；或是對木材進行防腐處理，以避免木材受到真菌等生物性危害（Forest Products La
9、boratory, 1999）。早期使用的木材防腐劑多具有劇烈的毒性，其雖能有效提升木材的耐腐朽性，卻亦會造成環境污染並影響人體健康（Hall, 2002；Katz and Salem, 2005）。因此，目前世界各國均致力於研究真菌降解木材之機制，並藉由抑制或阻斷真菌降解木材機制的運行，以開發對環境友善、不會影響人體健康且能有效提升木材耐腐朽性的木材防腐劑。然而，現階段國內對真菌降解木材機制之介紹甚少，故本文將針對胞外酵素系統與自由基系統兩種真菌降解木材機制以及當前木材防腐劑的研究現況，進行概略性之整理及介紹。 II、木材腐朽機制酵素系統 事實上，要開發新型木材防腐劑，首先需瞭解木材腐朽菌降
10、解木材之機制。許多研究報告指出，部分微生物能利用酵素系統攻擊纖維素非結晶區（Amorphous region）與結晶區（Crystalline region），造成纖維素的降解。而木材腐朽菌主要係利用纖維二糖水解酶（Cellobiohydrolase）、內切型葡萄糖分解酶（Endoglucanase）及外切型葡萄糖分解酶（Exoglucohydrolase）等胞外酵素，攻擊木材纖維素。其中，內切型葡萄糖分解酶主要會水解纖維素非結晶區及結晶區中結晶度較低的區域而造成纖 維 素 的 斷 裂 ， 並 形 成 寡 糖（Oligosaccharide）。而纖維二糖水解酶，則會從寡糖之非還原端往還原端反應
11、而形成纖維二糖（Cellobiose），最後再藉由 -葡萄糖苷酶 （-Glucosidase） 將纖維二糖降解成葡萄糖（圖 1）（Eaton and Hale, 1993；Prez et al., 2002）。 中華林學季刊 (Quarterly Journal of Chinese Forestry) 43(1):181189（2010） 183 Amorphous regionsCrystalline regionsBGBGBGBGBGBGBGBGBGBGBGCelluloseOligosaccharidesCellobioseGlucose圖 1 酵 素 降 解 纖 維 素 之 機 制
12、（ ：Endoglucanases；：Cellobiohydrolase；BG：-Glucosi- dase）（Eaton and Hale, 1993） Fig. 1 The mechanism of cellulose biodeg- radation by enzymes 此外，木材腐朽菌亦能利用木質素過氧化酶（Lignin peroxidase，LiP）及錳依賴型過氧化酶（Manganese-dependent per-oxidase，MnP）等高氧化還原能力之木質素分解酶（Ligninase）來降解木質素。其中，LiP 能分解木質素中 90%的非酚類單元，而 MnP 則會產生 Mn3
13、+，並透過脂質過氧化的反應分解木質素中酚類及非酚類單元（Martnez et al., 2005；Prez et al., 2002）。而漆酶（Laccase）、芳香醇氧化酶（Aryl-alcohol oxidase，AAO）、乙二醛氧化酶（Glyoxal oxidase）、芳香醇去氫酶（Aryl-alcohol dehydrogenase，AAD）及醌還原酶（Quinone reductase）等胞外酵素，均可分解木質素衍生物而造成木質素之降解（Martnez et al., 2005；Prez et al., 2002）。其中，漆酶會造成木質素的氧化而產生芳香環自由基（Aromatic r
14、adical），並促使 C4 醚鍵的斷裂、芳香環的開環、C-C的 斷 裂 以 及 去 甲 氧 基（Demethoxylation） 等反應的發生。此外，真菌透過 AAO 及 AAD 的氧化還原反應，使得木質素因 C-C的斷鏈而釋出具芳香環之醛類化合物（Aromatic aldehyde）或使木質素降解產物重新合成。 至於 C4 位置斷裂所產生的酚自由基，如果沒有被 AAO 氧化成酚類化合物，則可能再聚合於木質素聚合物上；而被AAO 氧化所產生之酚類化合物，則能被漆酶或木質素過氧化酶再次的氧化。另一方面 ， 酚自由基也可能進一步產生 C-C斷裂而生成醌類化合物（Quinone）。而不論從何途徑所
15、生成的醌類化合物，都可能進一步受到醌還原酶、漆酶及木質素過氧化酶影響，產生氧化還原反應而將木材中 Fe3+還原成 Fe2+，而此 Fe2+則可進一步促使芬頓反應（Fenton reaction，Eq. 1）的進行，而形成氫氧自由基（Hydroxyl radical）。此外，木質素在降解過程中會生成過氧化氫（Hydrogen peroxide）及超氧自由基（Superoxide radical），而此兩種活性氧分子（Reactive oxygen species，ROS）彼此亦可藉由哈柏魏斯反應（HaberWeiss reac-tion，Eq. 2）形成氫氧自由基。這些反應所生成之氫氧自由基，其
16、本身為強氧化劑，能對未腐朽木材之木質素進行攻擊進而造成木材的降解（圖 2）。 Fe2+ + H2O2 Fe3+ + OH- + OH (1) O2- + H2O2 O2 + OH- + OH (2) 184 淺談真菌降解木材機制與環境友善型木材防腐劑 AAOAADLaccase PeroxidaseQRLaccase PeroxidasePeroxidaseLaccase H2O2O2-.Fe2+OH.MeOHAAO?OOCH3HCHOCH2HCH2CLigninOCHH2COHC=OH3COOHOOCH3HCOHHCHOCH2OOCH3HCOHHC LigninHOCH2LigninOCH3OHCOHHCH2COHLigninROCH3 O.HCHCH2COHLigninOCH3 OHHCHCH2COHLigninOCH3OHHCOHHCH2COHLigninO OHCOCH3O ROCH2OHOCH3OROHOCH3OHOOOCH3圖 2 酵素降解木質素之機制（Martnez et al.,
