生物防治木材變色研究現(xiàn)狀及展望

楊蘇蘇 吳小龍 邱 堅(jiān) 秦 磊

（西南林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650224）

木材出現(xiàn)變色不僅會(huì)影響木材的美觀(guān)，還會(huì)影響木材制品的商品價(jià)值[1]。引起木材變色的原因一般可分為4類(lèi)，即化學(xué)性變色、物理性變色、生理性變色和微生物性變色[2]。其中，對(duì)木材材色破壞最嚴(yán)重的是微生物性變色，其主要由變色菌、霉菌和腐朽菌引起。真菌菌絲不僅存在于木材表面，在條件適宜的情況下還會(huì)通過(guò)紋孔從一個(gè)細(xì)胞蔓延到另一個(gè)細(xì)胞，并深入木材內(nèi)部，使木材顏色從表面到內(nèi)部發(fā)生變化。因此，尋找一種無(wú)毒環(huán)保且效果持久的木材防變色方法已經(jīng)成為木材保護(hù)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向。本文旨在通過(guò)對(duì)目前木材變色相關(guān)研究?jī)?nèi)容的概述，為木材變色的生物防治提供理論依據(jù)，并提出了基于活立木防治木材變色的展望。

1 木材變色真菌研究概況

1.1 易導(dǎo)致木材變色的真菌種類(lèi)

木腐菌、霉菌和變色菌均會(huì)引起木材變色，但變色原因與變色程度有所不同。

常見(jiàn)的可以引起木材變色的霉菌有木霉屬(Trichoderma)、青霉屬(Penicillium)、曲霉屬(Aspergillus)等。受到霉菌侵害的針葉材會(huì)出現(xiàn)黑色或淡綠色斑點(diǎn)，闊葉材則會(huì)出現(xiàn)黑色斑點(diǎn)，但霉菌孢子一般只在木材表面繁殖生長(zhǎng)，不會(huì)深入木材內(nèi)部。因此，霉菌引起的木材變色可以使用刷子清除或通過(guò)表面刨切清除。然而，被霉菌侵染后，木材的滲透性增加，為木腐菌和變色菌的侵染提供了條件。木腐菌分為白腐菌、褐腐菌和軟腐菌，在多種酶的作用下會(huì)破壞木材中的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等主要化學(xué)結(jié)構(gòu)單元，嚴(yán)重危害木材的材性。在木材腐朽初期，其邊材大多會(huì)出現(xiàn)紅斑，針葉材紅褐色，有時(shí)出現(xiàn)紫色；闊葉材中呈現(xiàn)白色或暗褐色。與霉菌與變色菌引起的木材變色有較大區(qū)別。

木材變色菌主要屬于子囊菌亞門(mén)和半知菌亞門(mén)，如子囊菌亞門(mén)的長(zhǎng)喙殼屬(Ceratocystis)，半知菌亞門(mén)的粘束孢屬(Graphium)、色二孢屬(Diplodia)、鐮孢屬(Fusarium)和球二孢屬(Lasiodiplodia)等[3]。被真菌侵染后的木材顏色因木材種類(lèi)、變色菌種類(lèi)及周?chē)h(huán)境差異的不同而異，如藍(lán)變、褐變、黃變、紅變、綠變等[4]。同時(shí)，變色菌的菌絲會(huì)深入木材內(nèi)部，因此不像霉菌引起的變色那樣能夠輕易去除。圖1為可可球二孢侵染橡膠木的掃描電子顯微鏡圖，可以在木材的細(xì)胞腔內(nèi)看到粗壯、橫穿細(xì)胞壁的菌絲，這些菌絲穿透了射線(xiàn)薄壁細(xì)胞和導(dǎo)管，但其并不會(huì)明顯降低木材的強(qiáng)度[5]。

1.2 變色菌引起木材變色的原因

木材的變色菌變色主要是由于真菌的菌絲以及真菌的次生代謝產(chǎn)物引起顏色變化。真菌侵染過(guò)程中，其分泌的色素通常是使木材表面或內(nèi)部的顏色產(chǎn)生變化的主要原因[6]。木材的多尺度孔隙結(jié)構(gòu)為變色菌的生長(zhǎng)提供了空間，其中含有的糖類(lèi)、蛋白質(zhì)等物質(zhì)也可為變色菌的生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)。不同菌種間的協(xié)同或拮抗作用會(huì)產(chǎn)生不同的色素分泌，出現(xiàn)不同的色斑。菌種與不同木材之間復(fù)雜的相互作用又會(huì)影響菌落的生長(zhǎng)和色素的分泌，從而在木材上呈現(xiàn)不同的色素分泌情況。

木材中真菌色素通常以結(jié)合在真菌細(xì)胞壁內(nèi)和釋放到細(xì)胞外這兩種形式存在，長(zhǎng)喙殼屬(Ceratocystis)和Ophiostoma的真菌的色素通常是結(jié)合在真菌細(xì)胞壁內(nèi)，其中藍(lán)變色是黑色素沉積在細(xì)胞壁上引起的，而Arthrographis cuboidea產(chǎn)生的紅變色素通常是真菌釋放到細(xì)胞外的。通常，釋放到細(xì)胞外的色素要比結(jié)合在細(xì)胞壁上的色素具有更強(qiáng)的穿透木材的能力。

1.3 木材變色真菌的傳播途徑

真菌存活的必要條件是真菌孢子的自由傳播，許多擔(dān)子菌和子囊菌的孢子可主動(dòng)彈射到空氣中借助氣流傳播。昆蟲(chóng)和其他節(jié)肢動(dòng)物是真菌孢子的主要傳播媒介[7]。木材表面的變色菌能產(chǎn)生大量分生孢子和少量粘性孢子，大量分生孢子和菌絲體通過(guò)風(fēng)、雨水飛濺等非生物方式在木材間傳播，這些粘性孢子可輕易黏附在節(jié)肢動(dòng)物身上，隨節(jié)肢動(dòng)物活動(dòng)而傳播。大量文獻(xiàn)已確定并描述了世界許多地區(qū)的小蠹蟲(chóng)與變色真菌之間的關(guān)聯(lián)，相關(guān)證據(jù)表明，在有小蠹蟲(chóng)的情況下，枯死和受損樹(shù)木中的變色程度更高，在沒(méi)有小蠹蟲(chóng)的條件下，變色很少[8]。

不同昆蟲(chóng)傳播的真菌種類(lèi)也有所區(qū)別，大小蠹屬(Dendroctonus)、齒小蠹屬(Ips)等屬的小蠹蟲(chóng)主要傳播邊材變色菌(Leptographium;Pesotum)的分生孢子。華山松大小蠹(Dendroctonus armandi)及其伴生藍(lán)變菌(Ceratocystis polonica)會(huì)分解華山松(Pinus armandi)木質(zhì)部組織，堵塞木質(zhì)部組織的樹(shù)脂管，引起樹(shù)脂和水的代謝混亂，其對(duì)華山松的危害不容忽視[9]。

2 木材變色的生物防治

木材變色的防治方法經(jīng)歷了物理方法、化學(xué)方法，近年來(lái)轉(zhuǎn)向了更為環(huán)境友好的生物防治方法。其中，物理防治方法主要是將木材置于一個(gè)不利于變色菌生長(zhǎng)的環(huán)境中，比如干燥法、水存法和濕存法，但其不能解決木材再次吸濕而產(chǎn)生的變色問(wèn)題[10]?；瘜W(xué)防治方法主要通過(guò)化學(xué)藥劑配成的溶液噴淋或浸泡木材，使木材表面覆蓋一層化學(xué)藥劑，但由于化學(xué)藥劑有毒性，污染環(huán)境甚至危害人體健康，不宜推廣使用[11]。生物防治在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用已較為普遍，是利用微生物拮抗、競(jìng)爭(zhēng)等種間關(guān)系形成的一種“以菌治菌”的方法，是一種持久且效益穩(wěn)定的方法[12-13]。

2.1 主要的生物防治菌株

生物防治木材變色的方法最早于20世紀(jì)40年代由美國(guó)林產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室提出，并在80年代成為研究熱點(diǎn)。各國(guó)學(xué)者在生防菌株的來(lái)源、篩選、作用機(jī)制、生防性能、生防制劑的應(yīng)用等方面開(kāi)展了大量的研究[14]。木霉屬(Trichoderma)、青霉屬(Penicilium)和曲霉屬(Aspergillus)已被報(bào)道可用作變色菌的生物控制劑。Behrendt等[15]發(fā)現(xiàn)大隔孢擬射脈菌(Phlebiopsis gigantea)可以抑制導(dǎo)致紅松(Pinus resinosa)邊材變色的藍(lán)變菌。張雨[16]測(cè)試了6種木霉對(duì)藍(lán)變菌的拮抗能力，篩選出康氏木霉(Trichoderma koningii)和桔綠木霉(Trichoderma citrinoviride)作為防治木材藍(lán)變的生物控制菌種。Schroede等[17]在室內(nèi)條件下研究發(fā)現(xiàn)Ophiostoma piliferum的白化菌株具有高水平的群體競(jìng)爭(zhēng)能力，可抑制由真菌生長(zhǎng)引起的木材變色。雜交及單孢分離和使菌株基因突變的方法被用來(lái)獲得在木片上生長(zhǎng)不產(chǎn)生色素的無(wú)色菌株，以防治變色菌引起的木材變色[18-19]。細(xì)菌菌株對(duì)變色菌和霉菌的生物控制能力已在早期得到證實(shí)，芽孢桿菌(Bacillus)，尤其是枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)，是世界市場(chǎng)上幾乎一半生物農(nóng)藥的活性劑，對(duì)變色菌也有著顯著的抑制作用[20]。假單胞菌(Pseudomonas)、乳酸桿菌(Lactobacillus)、鏈霉菌(Streptomyces)等細(xì)菌屬也在實(shí)驗(yàn)室和野外試驗(yàn)中進(jìn)行了控制變色菌的研究并取得了一定的防治效果[21-22]。Graeme等[23]在體外測(cè)試了幾種酵母菌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些酵母菌及其殺傷毒素能夠顯著抑制某些木腐擔(dān)子菌和植物病原真菌的生長(zhǎng)，具有作為新型抗真菌生物控制劑的潛力。Payne等[24]經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，5種酵母菌分離株都能顯著減少霉菌和變色菌引起的木材變色。

2.2 生物防治木材變色的機(jī)理

在已經(jīng)報(bào)道的生物防治技術(shù)研究中，大部分集中在抑菌菌種的分離、提純、鑒定及抑菌物質(zhì)的分離鑒定上，而對(duì)于抑菌物質(zhì)如何干擾變色菌的生長(zhǎng)代謝等機(jī)理的研究相對(duì)較少。孫薇等[25]從形態(tài)、生理、能量代謝和物質(zhì)代謝4個(gè)方面，探索了枯草芽孢桿菌B26-10對(duì)變色菌的抑制機(jī)理，發(fā)現(xiàn)其代謝產(chǎn)物會(huì)使病原菌菌絲出現(xiàn)畸形、扭曲、斷裂、原生質(zhì)收縮、內(nèi)含物溢出等異?，F(xiàn)象。劉媛等[26]研究發(fā)現(xiàn)木材藍(lán)變生物控制菌康氏木霉產(chǎn)生的胞外幾丁質(zhì)酶可以有效抑制病原菌的生長(zhǎng)。有研究發(fā)現(xiàn)：一些生物控制菌株中產(chǎn)生的蛋白酶、昆布多糖酶和鐵載體抗生素等對(duì)木材變色菌有抑制作用[27]。

2.3 內(nèi)生真菌防治變色菌

由于內(nèi)生真菌具有與樹(shù)木長(zhǎng)期進(jìn)化而適應(yīng)樹(shù)木內(nèi)在的某些抗生物質(zhì)，與樹(shù)木之間存在著密切的互利共生關(guān)系,可與病原菌直接相互作用等優(yōu)勢(shì)，因此篩選出的拮抗菌對(duì)所用環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。分離和篩選內(nèi)生真菌并將其應(yīng)用于病原菌的生物防治上成為了篩選生防菌的一種重要手段，并頗有成效。鄭鵬等[28]從橡膠樹(shù)枝條中分離篩選出ITBB2-2對(duì)香蕉枯萎病菌(Fusarium oxysporum)和橡膠炭疽病菌(Colletotrichum gloeosporioides),發(fā)現(xiàn)有明顯的拮抗作用。羅鑫[29]從馬尾松中分離篩選出4株對(duì)立枯病致病菌尖孢鐮刀菌(Fusarium oxysporum)具有顯著抑制作用的內(nèi)生真菌，其中長(zhǎng)枝木霉的防治率達(dá)82.52%。圖2為篩選出的橡膠木內(nèi)生真菌里氏木霉(Trichoderma reesei)與變色菌可可球二孢(Lasiodiplodia theobromae)的平板拮抗示意圖。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，里氏木霉對(duì)可可球二孢的生長(zhǎng)有明顯抑制作用?；诖?，內(nèi)生真菌的這些抑菌優(yōu)勢(shì)使其能更好地發(fā)揮拮抗和生物防治作用。

圖2 里氏木霉與可可球二孢第2、 7、 15 天平板拮抗示意圖Fig.2 Schematic diagram of plate antagonism between Trichoderma reesei and Lasiodiplodia theobromae on days 2,7 and 15

3 生物學(xué)特性分析

對(duì)變色真菌及其生物控制菌株的生物學(xué)特性進(jìn)行研究，明確其對(duì)基本環(huán)境條件的要求，可以更好地利用生物控制菌株展開(kāi)生物防治，并為其進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)和利用提供理論依據(jù)，也為深入研究木材變色機(jī)理及進(jìn)一步防治木材變色提供參考。

3.1 變色菌的生物學(xué)特性

曹翠等[30-31]研究發(fā)現(xiàn)，藍(lán)變菌株(Ophiostoma spp.)最適生長(zhǎng)溫度為25 ℃，最適pH為5.5，最佳碳源為果糖，最佳氮源為甘氨酸。蒲曉娟等[32]研究發(fā)現(xiàn)，華山松藍(lán)變真菌秦嶺細(xì)粘束孢(Leptographium qinlingensis)的最適生長(zhǎng)溫度為27.5 ℃，最適pH為5，最適培養(yǎng)基為麥芽汁培養(yǎng)基。劉媛等[33]發(fā)現(xiàn)，藍(lán)變菌株可可球二孢(Lasiodiplodia theobromae)的最適溫度為30 ℃，最適pH為5，最佳碳源為蔗糖，最佳氮源為酵母浸膏。鏈格孢(Alternaria spp.)最適生長(zhǎng)溫度為25 ℃，最適pH為9, 群生小穴殼(Dothiorella gregaria Sacc.)最適生長(zhǎng)溫度為30 ℃，最適pH為7, 多隔鐮刀菌(Fusarium decemcellulare Brick) 最適生長(zhǎng)溫度為25 ℃，最適pH為6，長(zhǎng)喙殼(Ceratocystis adiposa)最適生長(zhǎng)溫度為25 ℃，最適pH為7[34]?？偨Y(jié)發(fā)現(xiàn)變色菌株的最適生長(zhǎng)溫度與pH值的范圍較為集中。因此，在進(jìn)行生防菌的篩選時(shí)，可以有針對(duì)性地選擇主要變色菌最適生長(zhǎng)條件范圍外的菌株。

3.2 控制菌株的生物學(xué)特性

韓麗等[35]研究發(fā)現(xiàn)，白樺木材藍(lán)變生防菌枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis) B26的最適生長(zhǎng)溫度為35 ℃，最適pH為7，最佳碳源為半乳糖，最佳氮源為牛肉膏。況再銀[36]等發(fā)現(xiàn),生防菌球孢白僵菌(Beauveria bassiana)最適生長(zhǎng)溫度為27 ℃，最佳濕度為100%，此時(shí)孢子萌發(fā)率最大，菌株生長(zhǎng)狀況最好。里氏木霉(Trichoderma reesei)最適生長(zhǎng)溫度為30 ℃，且其在40 ℃的高溫下仍能生長(zhǎng)，此外，桔綠木霉(Trichoderma citrinoviride)在40 ℃的高溫下長(zhǎng)勢(shì)良好?；诖耍谶M(jìn)行變色菌防治時(shí)可以將基本環(huán)境條件控制在有利于控制菌株生長(zhǎng)時(shí)的條件。

4 結(jié)論

由真菌引起的木材變色由于菌種和樹(shù)種以及環(huán)境因素的不同而有所差異，為保證木材的價(jià)值，需要采取必要的防護(hù)措施，減少真菌對(duì)木材的侵染。木材變色生物防治技術(shù)的推廣使用可以彌補(bǔ)物理防治方法和化學(xué)防治方法的不足，符合綠色可持續(xù)發(fā)展的理念。其中，生物控制菌株的篩選方面已開(kāi)展了大量的研究，一些無(wú)色真菌菌株（木霉屬、青霉屬和曲霉屬）、細(xì)菌菌株和酵母菌菌株針對(duì)木材變色菌具有良好的抑制作用。對(duì)于其防變色機(jī)理也展開(kāi)了大量的研究分析，主要集中在控制菌株的代謝產(chǎn)物、菌株間動(dòng)態(tài)的相互作用和外界環(huán)境條件的影響等方面。但目前仍有大量工作需要進(jìn)一步研究，主要概括為以下3點(diǎn)：1）高效生防菌株的篩選；2）不同生防菌與木材間的相互作用機(jī)制；3）基于活立木的木材變色防治研究。

目前，將生物控制菌株作用于活立木上的研究還未見(jiàn)報(bào)道，但“以菌抑菌”的生物防治木材變色技術(shù)以其無(wú)毒環(huán)保的巨大優(yōu)勢(shì)，已然成為木材防變色的必然發(fā)展方向和關(guān)注重點(diǎn)。利用樹(shù)木的水分流動(dòng)和蒸騰作用，使改性藥液隨樹(shù)液一起向上流動(dòng)的特性活立木改性技術(shù)投資小、節(jié)能環(huán)保、適合推廣使用。然而，關(guān)于活立木防變色改性等方面的研究開(kāi)發(fā)工作在國(guó)內(nèi)外還鮮有報(bào)道。因此，嘗試在活立木中進(jìn)行木材變色的生物防治具有廣闊的研究空間。