Введение к работе
Актуальность темы. Загрязнение окружающей среды в последнее время приобрело характер биосферного процесса. Это повнсило требования к безопасности производств, в том числе и целлюлозно-бумажным предприятиям.
Сульфатные и сульфитные традиционные технологии получения целлюлозы, все еще приоритетно использующиеся в России, позволяют вырабатывать целлюлозу высокого качества, но при этом включают в технологическую схему серо- и хлорсодержащие соединения, которые в процессах варки и отбелки превращаются в дурнопахнущие, токсичные и канцерогенные вещества (меркаптаны, диоксины), представляющие большую опасность для окружающей среды. Необходимость перевода целлюлозно-бумажных предприятий в ранг экологически безопасных стимулирует поиск альтернативных варочных процессов и бесхлорных способов отбелки.
Одно их новых направлений создания экологически безвредного процесса переработки древесины в целлюлозу связано с использованием микроорганизмов (грибов белой гнили) и их ферментов в качестве де-лигнифицирукщих агентов.
Разработки технологий биоделигнификации для целлюлозно-бумажной промышленности активно ведутся за рубежом (Финляндия, США, Япония и др.) начиная с 80-х годов. За этот короткий промежуток времени на основе работ но химии и физиологии биоразложения лигнина и фенолов создана база теоретических знаний, позволяющая подойти к решению практических задач. Пристальное внимание исследователей к этой проблеме, выражающееся почти ежегодными международными конференциями (последняя была в Финляндии в 1995 г.), и быстрый научный прогресс этого направления связаны с достоинствами энергосберегающей и экологически безопасной технологии биоделигнификации, которая может быть реализована при условии рационально подобранных культур и ферментов определенного действия.
К началу наших исследований процессы биоделигнификации изучались с использованием узкого круга лигнинолитических культур, преимущественно гриба Phanerochaete chrysosporluin, поэтому вовлечение в сферу исследования других культур, изучение их индивидуальных особенностей биосинтеза ферментов и воздействия на лигноцеллюлозные
4 субстраты было и в настоящее время остается актуальным.
Всесторонее изучение проблемы биоделигнификации важно не ко для разработки научных основ новой технологии, но имеет и стоятельное теоретическое значение - создание цельной картины деградации лигнина в природе.
Целью настоящего исследования явилось изучение структуры мических превращений ароматической компоненты древесины - лиги при микробиологическом воздействии, исследование механизма фе тативной деструкции лигнина и поиск оптимальных условий селект делигнификации лигноцеллюлоз. Для достижения цели были поста следующие задачи:
изучение особенностей химического строения субстратов -нина лиственницы и осины, химических связей лигнина с углевод] лигноуглеводной матрице древесины;
скрининг активных лигниндеструктирующих базидиомицетов;
изучение реакций и механизма биотрансформации лиги ароматических соединений, моделирующих отдельные фрагменты и лигнина;
изучение состава внеклеточных ферментов грибов;
исследование регуляции лигнинолитической способности I и оптимизация условий ее максимального проявления;
- разработка основных подходов к технологическим прої
варки и отбелки целлюлозы с включением стадии биоделигнификаці
Методы исследований. Для изучения реакций, происходящих с кином в древесине и небеленой целлюлозе при микробиологичес] энзиматическом воздействии, использованы классические химиче современные спектральные (Ж, УФ, ЯМР 1Н и 13С, ЭПР) и хромат фические (гель-хроматография. ТСХ, ІЖ, ВЭЮС) методы, а также спектрометрия. Значительное внимание уделено усовершенствован! вестных, разработке новых методик анализа и получению с их пс количественной информации. Использован прием моделирования ре на соединениях, репрезентативно представляющих фрагменты и лигнина. Для этого синтезированы арилпропаноЕые и диарилпрош соединения с (3-0-4 связью, а также использованы лигнановые и і фененовые гликозиды, выделенные нами ранее из хвои листеєї пихты и сосны.
Научная новизна работы. Впервые получены количественные характеристики внутримолекулярных C-0-G, С-С и СОО-связей и структурообразующих фрагментов в макромолекулах лигнинов лиственницы и осины. Установлены некоторые типы химических связей, формирующих ЛУ сетку лигноуглеводной матрицы древесины осины и лиственницы.В качестве селективных деструкторов лигнина отобраны и впервые изучены высокоактивные лигнолитики - грибы Trametes villosus и Phanerochaete san-guinea. Установлены пути биотрансформации лигнина осины, лиственницы и ароматических соединений, моделирующих структурные звенья лигнина, под действием выбранных грибов, а также комплекс и механизм протекающих при этом химических реакций. Доказана возможность реакции восстановления С^=0 —» Сс^-ОН, предшествующей разрыву С^-С* связи, и реакцій поликонденсации, протекающих In vivo. Впервые исследован состав внеклеточных ферментов грибов Phanerochaete sangul-пеа и Trametes villosus. Установлена сопряженная регуляция лигнин-и целлюлозразрушащей способности грибов и найдены оптимальные условия проявления микроорганизмами избирательной лигнинразрушающей способности и биосинтеза ферментов лигшшолитического и гемицеллю-лазного действия.
Практическая значимость работы. Сложившиеся в результате исследований представления о процессах деструкции лигнина грибами и выявление сопряженной регуляции лигнин- и целлюлозразрушающей способности грибов имеют общетеоретическое значение и вносят существенный вклад в научные основы новой технологии, использущей микроорганизмы и их ферменты в процессах делигнификации. Теоретически обоснована и практически подтверждена возможность, эффективность и перспективность введения биологических стадий в технологию получения целлюлозы органосольвентным способом и технологию пероксидной отбелки. Эти исследования защищены патентом, авторским свидетельством и являются основой для разрабатываемой бесхлорной технологии пероксидной отбелки целлюлозы, включающей биологическую стадию.
Апробация работы. Результаты работы были представлены и доложены на научном семинаре "Превращения древесины при энзиматическом и микробиологическом воздействиях",* Рига, 1988 г.; Всесоюзной конференции "Основные направления и координация работ в области химии древесины и гемицеллюлозы до 2000 года", Ленинград, 1988 г.; Всесоюзном семинаре "Проблемы окислительно-восстановительных преЕраще-
6 ний компонентов древесины", Архангельск, 1990 г., 1992 г.; Всесоюз ном симпозиуме по молекулярной жидкостной хроматографии, Рига, 19S г.; Международном симпозиуме "Экологически безопасный завод будуще го в целлюлозно-бумажной промышленности, Іенинград, 199! г.; конфе ренции "Комплексное использование древесного сырья и пути решени экологических проблем на целлюлозно-бумажных предприятиях", Братск 1991 г.; 7 Всесоюзном симпозиуме "Инженерная энзимология", Москвг 1991 г.; 6 Межреспубликанской школе-семинаре "Исследования в облас ти химии древесины", Рита, 1991 г.; Международной конференции Рар For-93, С.-Петербург, 1993 г.; 7 и 8 Международных симпозиумах "Ъ>. мия древесины и получения бумажной массы", Пекин, 1993 г.; Хельсиь ки, 1995 г.; региональной конференции "Производство экологическ чистой целлюлозы", Братск, 1995 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 48 печатных рг бот, получено одно авторское свидетельство и одно положительное ре шение о выдаче патента.
Структура и оОЪвм работы. Диссертация состоит из введения 8 глав, выводов, списка цитируемой литературы из 440 наименований приложения. Работа изложена на 470 страницах машинописного текста включает 54 таблицы, 127 рисунков. Выносимые на защиту результат содержатся в главах 1-7, в главе 8 описана техника эксперимента.
