劉東 張春玉 闞君滿 宋笛 郭立泉

摘要：我國(guó)是玉米秸稈產(chǎn)出大國(guó)，玉米秸稈資源非常豐富。由于玉米秸稈結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，木質(zhì)纖維素含量較高，造成應(yīng)用困難的。研究對(duì)我國(guó)玉米秸稈資源開發(fā)和降解方法發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，系統(tǒng)的介紹物理、化學(xué)和生物降解方法。重點(diǎn)指出生物法降解玉米秸稈的優(yōu)勢(shì)、降解機(jī)理和影響因素，以期為研究玉米秸稈的綜合利用提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：玉米秸稈；木質(zhì)纖維素；降解；微生物

玉米是世界上主要的糧食、經(jīng)濟(jì)和飼料兼用作物，在食用部位成熟采摘后，剩余的莖葉部位即為玉米秸稈。人類雖然不能食用玉米秸稈，但是通過研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈的化學(xué)組成豐富，具有潛在的工業(yè)和農(nóng)業(yè)價(jià)值，可以作為原料進(jìn)一步加工成燃料、飼料、肥料等物質(zhì)[1]。目前常用的玉米秸稈降解處理的方法主要包括：化學(xué)法、物理法和生物法共三大類，其中生物法研究開展最晚，但是具有綠色、環(huán)保、高效的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為目前玉米秸稈降解研究的重點(diǎn)方向[2]。傳統(tǒng)的生物降解方法降解木質(zhì)纖維素的能力較弱，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)換效率較低，限制了玉米秸稈的大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用。因此，生物降解方法成為目前研究重點(diǎn)。本文對(duì)我國(guó)目前玉米秸稈主要的降解方法和生物法降解玉米秸稈的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，為提高玉米秸稈的綜合應(yīng)用提高理論支持。

1玉米秸稈資源與應(yīng)用概況

我國(guó)玉米的種植面積持續(xù)增漲較快，在玉米產(chǎn)量提升的同時(shí)，產(chǎn)生大量的玉米秸稈，但是僅有不到20%的玉米秸稈被有效加工，絕大部分的玉米秸稈被不恰當(dāng)?shù)姆绞教幹?，玉米秸稈生物質(zhì)燃燒價(jià)值巨大，并且每年可以持續(xù)產(chǎn)生，是目前最有前景的可再生能源[3]。

2玉米秸稈降解方法發(fā)展現(xiàn)狀

目前主要的降解方法包括：物理處理法、化學(xué)處理法和生物處理法。

2.1物理處理法

物理降解方法是通過機(jī)械加工的方法破壞木質(zhì)纖維素，主要包括以下幾方面：（1）粉碎加工，是指通過粉碎的方式，使玉米秸稈顆粒變小，達(dá)到分子級(jí)別，（2）高壓蒸汽爆破，是指將水和玉米秸稈一起放在密閉容器中，保持在一定的溫度和壓力下，作用一段時(shí)間，然后采用突然降壓爆破的方法，達(dá)到破壞木質(zhì)纖維層的效果。（3）膨化處理：將水和玉米秸稈混合后，輸入擠壓腔，通過摩擦、擠壓的作用，產(chǎn)生較大的壓力和熱量，通過類似蒸汽爆破的方法，破壞木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)；（4）電子束輻照處理：利用電子束的高能射線對(duì)玉米秸稈進(jìn)行處理，降低玉米秸稈中木質(zhì)纖維素的結(jié)晶度，提高降解效率。該方法在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)應(yīng)用中降解效率較高，雖然仍然存在成本高的問題，但發(fā)展前景較好[4]。

2.2化學(xué)處理法

化學(xué)方法是通過化學(xué)試劑與玉米秸稈共同作用，對(duì)其中難以應(yīng)用物質(zhì)進(jìn)行降解，主要方法包括以下幾方面：（1）酸處理法，是指使用甲酸、磷酸、鹽酸和硫酸等試劑降解玉米秸稈。酸處理后的殘留對(duì)環(huán)境、營(yíng)養(yǎng)均造成嚴(yán)重破壞，因此目前已經(jīng)停止使用[5]；（2）堿處理法，主要是指使用氫氧化鈉處理玉米秸稈，這種方法處理的玉米秸稈也存在顯著的殘留，目前已經(jīng)很少使用；（3）氨化處理法，主要是應(yīng)用尿素對(duì)秸稈進(jìn)行處理，破壞纖維素間的化學(xué)鍵，提高玉米秸稈的降解效率，是目前較為常用化學(xué)處理手段；（4）氨堿復(fù)合處理，該方法將氨化處理法和堿處理法進(jìn)行組成，匯集兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，已成為最佳的化學(xué)處理方法；（5）氧化處理法，是指使用過氧化氫、臭氧等氧化劑，通過氧化分解作用處理木質(zhì)纖維素。氧化劑的殘留可能對(duì)反芻動(dòng)物瘤胃造成影響，影響飼料的安全性[6]。

2.3生物處理方法

生物處理玉米秸稈的方法主要是使用一種或幾種微生物共同作用，在生物酶等多種手段的協(xié)作下，改善玉米秸稈的理化性質(zhì)，降解木質(zhì)纖維，從根本上提高提高玉米秸稈的營(yíng)養(yǎng)組成。目前主要的生物處理方法主要有傳統(tǒng)法和酶解法方式，其中傳統(tǒng)法主要是以青貯、微貯的形式體現(xiàn)，應(yīng)用最廣泛。

青貯是指將玉米秸稈處于厭氧環(huán)境中，利用秸稈自身的有益的厭氧菌株進(jìn)行分解，通過產(chǎn)酸的方式殺死或抑制有害菌，提高玉米秸稈飼料的保存時(shí)間。微貯是指通過添加微生物的方法處理玉米秸稈，是目前重點(diǎn)推廣的處理手段[6]。酶解處理法是目前應(yīng)用最成熟的生物降解方法，是使用目前已知的多種纖維素水解酶類協(xié)同處理玉米秸稈，實(shí)現(xiàn)玉米秸稈中纖維素含量的下降，最終提高玉米秸稈中可溶性含糖量的提高。

3降解玉米秸稈的生物體系研究進(jìn)展

3.1細(xì)菌降解體系

目前已知的具有木質(zhì)纖維素降解作用的細(xì)菌主要有：生胞噬纖維菌屬（Sporocytophage）、堆囊菌屬（Sorangium）、原粘桿菌屬（Promyxobecterium）、微球菌屬（Micrococcus）、梭菌屬（Clostridium）、纖維桿菌屬（Culmolnoas）、纖維粘菌屬（Cytophaga）、弧菌屬（Vibrio）、瘤胃球菌屬（Ruminococcus）、纖維單胞菌屬（Cellulomonas）、假單胞菌屬（Pseudomonas）、芽孢桿菌屬（Bacillus）和螺旋體屬（Spirochaeta）。這些細(xì)菌可以有效的降解纖維素，同時(shí)由于細(xì)菌體積較小，具有較小的比表面積，可以快速進(jìn)入木質(zhì)纖維間隙，對(duì)木質(zhì)纖維進(jìn)行改性，使結(jié)晶狀態(tài)的木質(zhì)纖維快速降解為低分子量的木質(zhì)纖維片段，因此細(xì)菌降解體系的研究最為深入[7]。

3.2真菌降解體系

真菌是降解纖維素、半纖維素和木質(zhì)素效果最強(qiáng)微生物，這是因?yàn)檎婢慕到馐侄尉哂卸鄻有蕴攸c(diǎn)，不僅可以分泌纖維素降解酶，還可以分泌具有機(jī)械穿插作用的絲狀菌絲，它們均可以有效穿透木質(zhì)纖維素的角質(zhì)層，可以顯著提高纖維素和對(duì)應(yīng)的降解酶的接觸幾率，改善纖維素的降解效率。目前已知的具有纖維素降解作用的真菌主要包括：毛殼霉屬（Chaetomium），漆斑霉屬（Myrothecium），康氏木霉（Trichodermakoningii），根酶屬（Rhizopus），黑曲霉（Aspergillusniger），木霉屬（Trichoderma），意大利青霉（Penicilliumitaly），脈胞霉屬（Neurospora）等，雖然目前已有多種真菌應(yīng)用于玉米秸稈的降解研究中，但是由于真菌生長(zhǎng)條件嚴(yán)格，生長(zhǎng)速度較慢，在實(shí)際應(yīng)用中受限明顯[8]。

3.3放線菌降解體系

放線菌在繁殖速度上低于細(xì)菌，在降解效率和降解范圍上低于真菌，但是在高溫和高堿性等惡劣環(huán)境下的可以有效降解木質(zhì)素，具有顯著的降解效果。放線菌的主要降解機(jī)制是對(duì)于不溶性的玉米秸稈纖維基質(zhì)，其可以有效穿透，在高溫和高堿性環(huán)境下提高玉米秸稈的水溶性，提高玉米秸稈的降解效率。具有典型代表性的放線菌為節(jié)桿菌屬（Arthrobucter）、高溫放線菌屬（Thermoactinomyces）、鏈霉菌屬（Streptomyces）、小單孢菌屬（Micronomospora）、諾卡氏菌屬（Nocardia）等，放線菌在玉米秸稈降解的應(yīng)用開展較晚，但是其適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，非常適合在實(shí)際工作應(yīng)用，具有較好的發(fā)展前景[8]。

3.4影響生物降解玉米秸稈的主要因素

3.4.1有機(jī)質(zhì)含量

不同微生物利用的有機(jī)質(zhì)種類有一定差異，并隨著有機(jī)質(zhì)的分解過程，微生物的各項(xiàng)指標(biāo)會(huì)發(fā)生改變。如果在玉米秸稈降解過程中，由于微生物降解體系組成問題，造成單一有機(jī)質(zhì)用量過大，將會(huì)顯著影響降解效率。

3.4.2氧含量

玉米秸稈降解過程中，通氣情況顯著影響微生物的降解效率。好氧微生物需要在10%的氧氣含量以上時(shí)，才能維持適當(dāng)?shù)幕顒?dòng)和繁殖。然而，氧氣的濃度也不能過高，如超過15%，將會(huì)引起降解體系溫度過低，抑制微生物生長(zhǎng)[9]。

3.4.3含水量

在微生物降解玉米秸稈的過程中，水分含量是影響降解效率的關(guān)鍵因素。如果含水量過高，將會(huì)導(dǎo)致有機(jī)物供氧不足，出現(xiàn)缺氧環(huán)境，使微生物處于厭氧狀態(tài)，在降低生物活性的同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生不良?xì)怏w。如果含水量過低，也會(huì)抑制微生物的生長(zhǎng)，影響降解效率。研究指出，在玉米秸稈降解過程中，控制含水量在50%左右較為合適，但在實(shí)際的工作中，需要根據(jù)玉米秸稈的干燥程度進(jìn)行調(diào)整。

3.4.4碳氮比

微生物的生長(zhǎng)需要適當(dāng)?shù)牡孜锾嫉龋跃S持正常的生命活動(dòng)。因此，良好的玉米秸稈降解效率需要適合的碳氮比組成。研究指出，當(dāng)碳氮比維持在2030，玉米秸稈的降解效率最高。

3.4.5溫度

溫度可以反應(yīng)微生物的活動(dòng)效率，同時(shí)也是玉米秸稈有效降解的保證。在降解初期，降解體系內(nèi)溫度不高，但隨著降解過程進(jìn)行，微生物開始利用秸稈中的有機(jī)物，溫度逐步提高。然而，一旦溫度超過50℃，不耐高溫菌開始受到抑制、死亡，耐高溫菌開始生長(zhǎng)。不加以控制，溫度將會(huì)繼續(xù)升高，造成體系中的絕大部分微生物菌受到抑制，出現(xiàn)休眠或死亡。研究指出，在4050℃的范圍內(nèi)，可降解玉米秸稈的微生物處于較高的降解活性。

玉米秸稈中富含大量的纖維素，是玉米秸稈細(xì)胞壁的主要成分，占干重的40%以上。由纖維素組成的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且質(zhì)地結(jié)實(shí)緊密，普通的方法難以有效降解利用。生物法較物理法和化學(xué)法具有較為理想的發(fā)展前景，其中選育菌株、構(gòu)建降解體系是最重要的環(huán)節(jié)。只有充分了解微生物降解玉米秸稈的機(jī)理和影響因素，才能有效的創(chuàng)造降解環(huán)境，加快玉米秸稈的降解效率。

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基金項(xiàng)目：“玉米秸稈的飼料轉(zhuǎn)化及其示范基地建設(shè)研究”，吉林省教育廳項(xiàng)目吉教科合字[2015]第427號(hào)資助

作者簡(jiǎn)介：劉東（1986），男，吉林長(zhǎng)春人，預(yù)防獸醫(yī)學(xué)博士，吉林工商學(xué)院講師，主要從事生物工程領(lǐng)域研究；張春玉（1972），女，吉林長(zhǎng)春人，生物學(xué)博士，長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品生物技術(shù)分院教授，主要從事生物工程領(lǐng)域研究；闞君滿（1971），男，吉林長(zhǎng)春人，信息工程碩士，吉林工商學(xué)院教授，主要從事生物信息領(lǐng)域的研究；宋笛（1983），女，吉林長(zhǎng)春，生物學(xué)碩士，長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品生物技術(shù)分院講師，主要從事生物工程領(lǐng)域研究。

*通訊作者：郭立泉（1971），女，吉林長(zhǎng)春人，生物學(xué)博士后，吉林工商學(xué)院教授，糧油食品深加工吉林高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，主要從事生物工程領(lǐng)域研究。