生物高分子(第1卷)--木质素、腐殖质和煤

《生物高分子》第一卷论述了最难研究的生物大分子：木质素、黑色素及其生物地球化学转化产物——腐殖质和煤。从生态学角度看，它们是键合有机碳的巨大储库，所以对地球碳循环具有全局性意义。从经济角度看，它们也很重要。煤是地球上最大的矿物燃料资源，原油一旦枯竭，它将再次成为化学工业主要的原材料资源。作为基本未被使用的再生性原材料，木质素也将引起工业界重视。土壤和水中腐殖质为生物圈中最大的有机碳库，其储量为大气层中二氧化碳库的3倍以上。重要的是，腐殖质对土壤肥沃影响很大，为植物生长所必需。本书将用若干章节介绍上述生物高分子的各种功能及其应用。
木质素、黑色素、腐殖质、煤和相关物质的结构复杂，这不断地对研究人员如何开发合适的表征手段提出了挑战。本书在部分章节中介绍了某些重要的方法。这些生物高分子通常具有复杂的芳香结构，各组分间通过共价键或多或少地以无规方式连接，大多数为不能水解的化学键。这些结构难以被微生物降解，只有在大分子内部生成自由基的氧化酶体系才能有效地发挥作用。其中部分章节讨论了芳香族聚合物分解的降解原理。
尽管难以在一本书中论述木质素、腐殖质和煤有关的所有方面，也不可能参考已有的所有研究成果，但编者相信已将重要的数据和知识收载在本书中，这卷《生物高分子》将对这些复杂天然物质的化学特性、起源及在生物学和经济学上的意义进行充分的、深刻的阐述，以促进对它们进一步的研究。
很明显，从一开始，我们的立题范围就促使我们汲取很多科学家的专业知识。我们也知道，一本书有多个作者参与编写将对全书风格的一致性和完成时间产生负面影响。然而，总览全书，我们相信本书的总体质量和效用将表明，邀请全世界的同行们共同完成它是正确的。非常感谢他们自愿贡献他们的才智，尽管他们还承担着许多其他的责任和义务，但他们还是将专业知识、热情和时间倾注在各个章节中。我们感谢WILEYVCH以他们卓越的专业素质出版了《生物高分子》。特别感谢Karin Dembowsky和他的同事们，没有他们始终如一的努力，本书是不可能出版的。

M霍夫里特（芬兰，赫尔辛基）A斯泰因比歇尔（德，蒙斯特）200121木质素的分布、功能和生物合成1
Bernard Monties博士、教授，Kazuhiko Fukushima博士

《生物高分子》系列图书由该领域的国际知名专家撰写、国内相关领域的学者翻 译，涵盖了各种生物高分子的存在形式与代谢机理，讲述生物高分子的生物技术生产方法、从生物体中分离与修饰方法、材料特性以及它们在众多领域中的应用，如日用品工业、医药工业、食品工业、农业、纺织品工业、化学工业和包装工业。同时概述了生物高分子的发展前景。本卷是《生物高分子》丛书的第一卷，依次论述了木质素、孢粉质、黑色素、腐殖质以及煤等生物高分子。书中对这些生物高分子在自然界的分布、生物合成、生物转化或改性、生物降解、结构及其表征方法、应用及在生物学和经济学上的意义等进行了充分的、深刻的阐述。反映了当今国外对这类生物高分子研究工作的最新成果和进展，为地球化学家、生态学家、植物学家、微生物学家、生化学家、医师、药剂师等及其他感兴趣的人们提供了全面的、最新的和有益的信息，有利于推动交叉学科发展。

11引言1
12历史概况3
13植物中木质素的分布6
131在不同植物中的分布6
132在不同植物组织中的分布9
133对干物质成分的影响11
134每年木质素合成的变化13
14木材和木质纤维素的超微结构16
141木质素在生物高分子基质中的作用16
142与其他细胞壁高分子的相互作用18
15木质素的功能22
151植物组织的稳定性22
152防止生物降解27
153调节水的输送30
154与植物进化和分类学有关的其他功能32
16生物合成的前体34
161生物合成34
162运输36
17已知的合成途径38
171自由基聚合38
172标记实验41
173最新进展41
18木质化的调节43
181酶和基因的表达43
182遗传操作的效应46
19专利48
110缩略语49
111参考文献50
2转基因植物和突变体中木质素的合成71
Jeffery FDDean博士
沈圆圆张春娜郭圣荣译
21引言71
211潜在应用73
212挑战75
22历史概况76
221化学76
222生物学77
23木质素突变体77
231棕色中脉单子叶植物77
232火炬松78
233拟南芥79
24木质素转基因学81
241莽草酸途径和苯丙氨酸氨裂解酶81
242肉桂酸4羟化酶和4豆香酸3羟化酶82
2434香豆酰辅酶A连接酶83
244O甲基转移酶84
245肉桂酰辅酶A还原酶86
246阿魏酸5羟化酶87
247肉桂醇脱氢酶88
248松柏苷β葡萄糖苷酶89
249超氧化酶及其他氧化物酶89
2410转录因子和其他靶标90
25前景与展望90
26专利91
27缩略语91
28参考文献92
3木质素结构的鉴定方法99
Gosta Brunow博士、教授
沈圆圆郭圣荣译
31引言99
32历史概况99
33木质素的制备100
331概述100
332碾碎木材的木质素101
34木质纤维素中总木质素的确定101
35木质素分子量的测定方法102
351概述102
352凝胶渗透色谱103
353蒸气压渗透法104
354光散射104
355超滤104
36木质素分析的降解方法104
361概述104
362酸解和硫代酸解105
363高锰酸盐氧化106
364硝基苯和氧化铜氧化106
365臭氧裂解107
366衍生化后的还原裂解107
367官能团分析108
37木质素分析的非降解方法110
371概述110
372官能团111
373芳香核和支链结构111
38结构模型113
381概述113
382软木木质素113
383硬木木质素116
384非木材木质素（麦秆和草）116
39专利118
310缩略语118
311参考文献119
附录123
4木质素作为原材料的应用和用途129
Paul Wünning
沈圆圆郭圣荣译
41引言和历史概况129
42化学结构、起源和功能131
43技术生产132
431制浆过程132
432生产者133
44应用133
441木质素磺酸盐134
442硫酸盐木质素134
45专利138
451原料138
452制浆过程138
453加工技术138
46前景与展望139
47参考文献139
5木质素的生物降解141
Annele Hatakka博士、教授
沈圆圆郭圣荣译
51引言141
52历史概况143
53细菌和微真菌147
531放线菌147
532其他细菌148
533软腐真菌和其他微真菌148
54褐腐担子菌150
55白腐担子真菌153
55114C标记木质素的矿化155
552木质素分解酶156
56初级降解产物的分解代谢180
57前景与展望182
58专利184
59缩略语185
510参考文献187
6木质素降解真菌（白腐真菌）的生物技术应用201
Gary MScott博士、教授,Masood Akhtar博士
沈圆圆郭圣荣译
61引言201
62历史概况202
621生物制浆203
622生物漂白205
623废水处理206
63生物制浆207
631机械制浆207
632化学制浆214
64生物漂白216
65废水处理218
66木质素分解酶的应用219
661漂白220
662废水处理220
67前景与展望220
68专利222
69专利举例223
610缩略语225
611参考文献226
7孢粉质231
Rolf Wiermann博士、教授,Friedhelm Ahlers博士,
Ina SchmitzThom博士
宋磊沈圆圆郭圣荣译
71引言231
72历史概况232
73孢粉质或类孢粉质壁组分的产生233
74化学结构234
741分离纯化234
742化学分析235
743结论241
75孢粉质生物合成的生化研究242
751抑制剂实验242
752示踪实验242
76孢粉质的功能243
77孢粉质的应用244
78孢粉质的生物降解244
79前景与展望245
710专利245
711缩略语246
712参考文献246
8黑色素251
Joan MHenson博士、教授
沈圆圆郭圣荣译
81引言251
82历史概况252
83分布和结构253
831真菌253
832动物255
833其他生物体256
84功能258
85合成261
851前体261
852途径261
853酶、基因及其调节262
86生物降解264
87生产和应用264
88前景与展望265
89专利265
810缩略语266
811参考文献266
9土壤腐殖质273
Nicola Senesi博士、教授，Elisabetta Loffredo博士
沈圆圆宋磊郭圣荣译
91引言273
92起源274
921木质素蛋白质理论275
922糖胺理论276
923多酚理论276
93萃取、分级和纯化278
931萃取方法278
932分级过程281
933纯化过程283
934连续萃取/分级过程284
935国际腐殖质协会提出的综合分离过程284
94化学组成、性质和结构285
941元素组成285
942官能团286
943电荷特性和阳离子交换能力287
944分子量、尺寸和形状290
945结构组分294
946分子模型305
947不规则碎片性质307
95土壤肥沃功能309
951物理功能309
952化学功能310
953营养方面310
954生物作用311
96环境功能312
961与有机污染物的相互作用312
962与痕量金属的相互作用315
97总结319
98缩略语321
99参考文献323
10水生腐殖质331
Fritz H.Frimmel博士、教授
沈圆圆郭圣荣译
101引言和历史概况331
102水生腐殖质的分布332
103疏水和亲水部分333
104化学结构335
1041元素组成336
1042分子大小分布和电荷338
1043光谱吸光度和荧光340
1044红外光谱342
1045质谱344
1046核磁共振345
1047软水解346
105腐殖质与其他水生组分的相互作用347
106水技术应用中的腐殖质348
107水生生态系统中的功能349
108缩略语349
109参考文献351
11表征腐殖质结构的方法357
André Amblès博士、教授
沈圆圆郭圣荣译
111引言357
112历史概况358
113化学分析359
1131元素分析359
1132化学降解360
114热裂解GC/MS366
1141分析型和制备型热裂解367
1142分析型和制备型热化学分解367
1143土壤有机物研究中的应用368
115光谱方法370
1151紫外线/可见光光谱370
1152红外光谱370
1153核磁共振谱371
1154其他光谱方法374
116分子量分析375
1161凝胶过滤375
1162超滤技术375
117其他方法376
118前景与展望376
119缩略语377
1110参考文献379
12腐殖质的生物降解385
Matthias Kstner博士、教授，Martin Hofrichter博士
沈圆圆郭圣荣译
121引言385
122腐殖质的起源和稳定性387
123HS降解概述389
124HS的需氧降解390
1241评估HS微生物降解的方法390
1242细菌392
1243真菌396
125HS的厌氧转化404
126前景与展望409
127缩略语411
128参考文献411
13腐殖质的医疗作用和应用419
Renate Klcking博士、教授，Bjrn Helbig博士
沈圆圆郭圣荣译
131引言419
132历史概况420
133腐殖质的药效和在医药中的潜在用途421
1331抗病毒活性421
1332抗炎效应和促炎性质424
1333对血液凝结和纤维蛋白溶解的影响425
1334雌激素活性426
134腐殖质在兽医学中的应用426
135腐殖质和环境健康427
1351诱变性427
1352防止电离辐射427
1353黑脚病428
136前景与展望428
137缩略语429
138参考文献430
14煤的微生物降解和改性435
Martin Hofrichter博士，René MFakoussa博士
张春娜沈圆圆郭圣荣译
141引言435
142历史概况438
143硬煤的改性440
1431细菌440
1432真菌441
144褐煤的生物转化445
1441机理：溶解、解聚、应用445
1442生物体448
1443褐煤的溶解449
1444氧化酶对褐煤的解聚作用452
145煤转化的厌氧途径和其他途径460
146前景与展望462
147专利462
148缩略语464
149参考文献464
15煤脱硫475
Bernd Bogenschneider博士，Ralf Günter Jung博士，
Jürgen Klein博士、教授
张娜沈圆圆郭圣荣译
151引言475
152煤中硫的起源和种类477
153煤脱硫的方法478
154机械方法479
1541选矿技术中原料性质的重要性479
1542除去黄铁矿的机械方法483
1543成本和成本效率486
1544结论487
155化学过程488
156生物技术方法489
1561黄铁矿的除去489
1562有机硫化合物的除去495
157结论499
158缩略语500
159参考文献500
16煤生物技术转化成高级产品505
Horst Meyrahn博士,Alexander Steinbüchel博士、教授
张娜沈圆圆郭圣荣译
161引言505
162历史概况506
163褐煤生物技术转化成液态产品507
1631化学及生物技术转化507
1632水溶液中褐煤的化学转化508
1633酶诱导的煤化学转化508
1634采用酶法将煤转化为液体512
1635生物技术液化褐煤用于发电514
1636生物技术液化褐煤用作炼油厂的原料515
164生物技术液化褐煤用作生产生物塑料的化学原料515
1641研究将煤生物转化为PHA的原因515
1642筛选在褐煤解聚产物上生长及将其转化为PHA的
实验室菌株516
165前景与展望518
166专利518
167缩略语518
168参考文献519
17煤的化学转化521
Helmut Schmiers博士
张春娜沈圆圆郭圣荣译
171引言521
172历史概况522
173燃料525
1731固体燃料526
1732液体燃料527
1733气体燃料529
174焦油530
1741硬煤高温焦油530
1742褐煤低温焦油531
175化学原料534
1751石蜡534
1752酚类535
1753吡啶类535
1754多环芳香族化合物和杂芳族化合物535
176其他产品536
1761褐煤蜡536
1762腐殖酸536
177前景与展望537
178缩略语537
179参考文献538
索引541