摘 要 秸稈包含3個主要成分：纖維素、半纖維素與木質(zhì)素，在自然條件下降解緩慢。從秸稈降解的現(xiàn)狀出發(fā)，提出了當(dāng)前秸稈利用的3種方式，即直接田間焚燒、農(nóng)業(yè)化利用、工業(yè)化利用。就秸稈降解技術(shù)，著重分析了物理降解工藝、化學(xué)降解工藝和生物降解工藝的具體方法和存在的不足，指出未來在秸稈降解研究中，應(yīng)深入了解降解的機理，針對秸稈降解后的不同用途，選擇合適的菌群進行降解，重點應(yīng)挖掘新的高效降解木質(zhì)素的微生物和復(fù)合菌群。

關(guān)鍵詞 農(nóng)作物秸稈；降解技術(shù)；微生物降解

中圖分類號：S217.5 文獻標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.23.023

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)秸稈資源豐富，以小麥、玉米、水稻為主的糧食作物中，玉米秸稈的數(shù)量最多。每年全國秸稈的收集量大約在8.24億t，總的綜合利用率在81.68%左右[1-2]。隨著社會進步與居民生活方式的變遷，曾經(jīng)作為生活必需燃料的秸稈，人們已不再使用，導(dǎo)致大量秸稈出現(xiàn)過剩。由于秸稈本身難以在自然條件下降解[3]，提升秸稈資源的利用率及實現(xiàn)綠色能源開發(fā)已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點問題[4]。本研究從物理、化學(xué)、生物3方面的秸稈降解技術(shù)進行綜述，討論秸稈降解機制和當(dāng)前的前沿技術(shù)，并對未來秸稈降解的研究方向進行展望，旨在為后續(xù)相關(guān)研究提供理論基礎(chǔ)。

1" 發(fā)展現(xiàn)狀

秸稈作為一種可再生資源，含有豐富的有機質(zhì)和生物生長必不可少的營養(yǎng)元素，如硫、氮、鉀、鎂等[5]。據(jù)相關(guān)研究表明，秸稈可以用作發(fā)電、制熱，以此代替化石燃料的使用；還可以制成生物有機肥，減少化學(xué)肥料的使用量，從而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[6]。常見的秸稈利用方式有3種：直接田間焚燒、農(nóng)業(yè)化利用、工業(yè)化利用。直接焚燒秸稈后產(chǎn)生的煙霧和灰塵中會含有苯并芘等致癌物質(zhì)，容易造成空氣污染，甚至對人體造成危害[7-8]。農(nóng)業(yè)化利用最主要的是秸稈還田，該方式可以改善土壤的理化性質(zhì)，有利于土壤中有機污染物多環(huán)芳烴的去除[9]，土壤中有益菌的數(shù)量逐漸增多，作物的長勢變好，但自然條件下秸稈降解周期長，長時間的積累會產(chǎn)生大量有害細菌，使作物的生長受到阻礙[6]。工業(yè)化利用則是利用微生物、酶等處理秸稈產(chǎn)生乙醇等可利用的資源，但酶解條件較嚴(yán)苛，降解成本高，難度大。相較而言生物降解技術(shù)符合近年來的綠色發(fā)展理念，但酶降解技術(shù)上還存在不足需要進一步完善。

2" 秸桿降解工藝

2.1" 物理降解工藝

物理降解工藝就是利用物理手段減小秸稈尺寸，進一步增大秸稈的轉(zhuǎn)化率。在秸稈制作為肥料和飼料時，主要會用到切斷粉碎、膨化、蒸汽爆破和輻照等預(yù)處理方法。將秸稈切斷、粉碎是飼料加工過程的初處理，經(jīng)過初加工的秸稈直徑減小，比表面積增大，作為飼料喂養(yǎng)給動物時與胃液的接觸面積增大，秸稈利用率增高。在韓浩然的實驗研究中表明，切斷粉碎后的秸稈被反芻動物吸收的量可提高20% ～ 30%[10]，該方法簡單易操作，但秸稈的利用率影響因素較多，包括飼養(yǎng)對象的種類和所處時期等。

膨化與切斷粉碎的方法相比，秸稈的利用率有所提高。在該過程中要經(jīng)歷高溫高壓，能殺死有害細菌，有效延長秸稈的保質(zhì)時間。秸稈表面的蠟質(zhì)膜被破壞后，細胞壁組成纖維斷裂[11]，同時蛋白質(zhì)在高溫下會發(fā)生變性，中長鏈結(jié)構(gòu)變成短鏈，動物取食后更易消化，但在膨化過程中要注意嚴(yán)格控制加水量，避免秸稈焦糊后產(chǎn)生浪費[12]。

蒸汽爆破法作為一種新型的秸稈處理方法，降解秸稈效率高。為了破壞半纖維素和木質(zhì)素對纖維素的包裹作用，把秸稈進行瞬間的加溫加壓處理后再將其恢復(fù)至常壓的狀態(tài)，秸稈中纖維內(nèi)部的氫鍵結(jié)構(gòu)遭到破壞，從而提高秸稈的降解率。國內(nèi)已經(jīng)進行了許多有關(guān)蒸汽爆破的實驗，在張歡等的研究中，蒸汽爆破處理后的秸稈木質(zhì)纖維素的結(jié)晶度降低[13]。在張鋒瑞等的實驗中利用蒸汽爆破對棉花秸稈進行處理，通過多組對比研究，探究蒸汽爆破和尿素結(jié)合處理后對棉花秸稈營養(yǎng)成分的影響，最終顯示處理后的秸稈中木質(zhì)素（ADL）含量顯著降低 ，粗蛋白（CP）含量增加，秸稈降解率增加[14]。杜春梅在蒸汽爆破處理小麥秸稈的實驗中同樣發(fā)現(xiàn)，處理后小麥秸稈的半纖維素和木質(zhì)素的連接鍵會被打斷，不斷產(chǎn)生可發(fā)酵物質(zhì)，小麥秸稈中性洗滌纖維（NDF） 和酸性洗滌纖維（ADF） 在 72 h 瘤胃的降解率分別增加 28.78%和 18.02%，提高了秸稈中NDF的有效降解率[15]。雖然蒸汽爆破過程條件嚴(yán)苛，需要注意對壓強和水分的嚴(yán)格控制 [13]，但相比其他物理處理法，已成為生物高效利用中的一種主要處理手段。輻照會使木質(zhì)素、纖維素內(nèi)部產(chǎn)生自由基，這些自由基通過一系列反應(yīng)最終會誘發(fā)木質(zhì)素、纖維素的降解[16]。輻照對秸稈結(jié)構(gòu)的破壞作用大，經(jīng)過輻照處理后的過篩粒徑相較其他方法的更小，且該方法條件溫和，對環(huán)境污染作用小，符合當(dāng)代綠色發(fā)展理念[17]。

2.2" 化學(xué)降解工藝

近年來，將秸稈通過水解、發(fā)酵等方法制作成乙醇、沼氣等資源，因其原材料低價易得，目前已成為國內(nèi)外的研究熱點[18]。王曉惠等將秸稈粉末通過微波加熱處理，提取出秸稈中的纖維素，進行多組實驗[19]，其中運用到的主要原理是讓物體內(nèi)部分子通過一系列運動，將吸收的微波能轉(zhuǎn)化成熱能。秸稈通過微波處理后，纖維素的反應(yīng)活性和可及性明顯增加，秸稈降解率提升。該方法成本較高，需要國家財政的支持，廣泛應(yīng)用目前難以實現(xiàn)[20]。為了提升秸稈的降解率，還可用酸堿處理法，堿化處理和酸化處理都可以提升秸稈養(yǎng)分的釋放率。酸化處理通常用乙酸等對秸稈進行處理，利用酸性試劑破壞秸稈木質(zhì)素、纖維素的內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，提高降解率。酸性試劑本身腐蝕性較強，濃度過低導(dǎo)致秸稈的降解率過低，而濃度過高則會腐蝕設(shè)備，使成本提高，因此條件嚴(yán)格的酸化處理不能成為最優(yōu)的化學(xué)處理方法[21]。

不同秸稈種類的應(yīng)用上，氨化處理和堿化處理對秸稈的降解效果不同[20]。馬玉林等的實驗研究表明，秸稈在通過氨化處理后， CP含量會提高，纖維結(jié)構(gòu)被破壞，內(nèi)部的氫鍵結(jié)構(gòu)不牢固，秸稈內(nèi)NDF和ADF的含量降低，秸稈在反芻動物的瘤胃中發(fā)酵更快，從而提高秸稈的降解率[22]。欒偉東分別采用堿化、氨化和氨化加堿化的處理方法，最終結(jié)果顯示，氨化加堿化復(fù)合處理后的粗飼料營養(yǎng)價值更高，動物的吸收效果更好[23]。因此，需要依據(jù)秸稈處理后的用途，選擇不同的處理方法，進而將秸稈的降解率提高到最大。

2.3" 生物降解工藝

在生物降解工藝中，微生物降解成為秸稈降解的一種新的研究方向[24]，不僅提高了秸稈的降解率，而且降解后的有機物可重新回到土壤中繼續(xù)被作物利用，實現(xiàn)綠色、可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)理念，成為秸稈降解問題的主要研究方向[25]。

2.3.1" 秸稈的主要成分分析

秸稈中含量最多的成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，還有少量脂肪、蛋白質(zhì)、有機酸等[26]。纖維素是多個葡萄糖分子鏈接而成的高分子化合物，主要存在于植物的細胞壁中，排列整齊緊密，被裹在半纖維素和木質(zhì)素構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，主要阻礙降解菌降解的結(jié)晶區(qū)部分硬度強、密度大，由氫鍵和范德華力聚集而成[27]。半纖維素含量略低于纖維素，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、聚合度低、親水性強，是一種由多種單糖構(gòu)成的異質(zhì)多聚體，呈現(xiàn)出非結(jié)晶態(tài)。有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，降解纖維素的微生物與降解半纖維素的微生物不完全重合，會導(dǎo)致兩者降解時的速度與效果不同[28]。半纖維素與纖維素、木質(zhì)素緊緊相連，增加了秸稈降解的難度。木質(zhì)素是由苯丙烷單體組成的芳香族物質(zhì)，是一種天然聚合物，該結(jié)構(gòu)極其穩(wěn)定，難以破壞。為防止纖維素與半纖維素發(fā)生脫聚現(xiàn)象，木質(zhì)素嵌入纖維素與半纖維素結(jié)構(gòu)中，從而形成復(fù)雜的異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，又因為自身具有的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所以木質(zhì)素的天然降解十分緩慢，成為最難降解的成分[29]。

因為纖維素、半纖維素、木質(zhì)素三者之間存在大量的共價鍵和非共價鍵，均為難溶于水與有機溶劑的物質(zhì)，如何破壞秸稈中的三維結(jié)構(gòu)成為提高微生物對秸稈降解率的最主要問題。

2.3.2" 微生物降解

為解決秸稈物理降解產(chǎn)生的能耗高和化學(xué)降解會摻入化學(xué)試劑的問題，研究者們發(fā)現(xiàn)微生物降解優(yōu)勢更大。早期的研究中，通過對環(huán)境中存在的大量可降解秸稈微生物的逐層篩選，得到多種純培養(yǎng)降解菌株[30]。纖維素主要在多種酶的協(xié)同作用下降解，如內(nèi)切酶、β-葡萄糖苷酶的多種酶系、外切酶等[31]。環(huán)境中廣泛存在的真菌、細菌等也都具有良好的降解纖維素的能力[32]。木質(zhì)素因自身的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)且具有疏水性，成為最難降解的部分[33]。目前的研究中，因為真菌能產(chǎn)生多種降解酶[34]，可使木質(zhì)素內(nèi)在結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分發(fā)生改變[35]，所以真菌成為木質(zhì)素降解中的主要的微生物。常見的有白腐菌、褐腐菌、軟腐菌等，白腐菌因其降解秸稈木質(zhì)素成分更多成為研究的主要菌種[36]。白腐菌可產(chǎn)生木質(zhì)素分解酶起到降解作用，自身也具有3種主要的氧化酶（LiP、MnP、Lac）構(gòu)成專門負(fù)責(zé)降解木質(zhì)素的系統(tǒng)[37]。王益等在實驗中發(fā)現(xiàn)，將白腐菌和噬熱性側(cè)孢霉2種菌株進行復(fù)配后，對棉花秸稈的降解結(jié)果優(yōu)于單一菌株的降解效果[38]。在解決真菌降解中降解周期長、條件嚴(yán)格等問題時，許多學(xué)者開始進一步研究能夠穩(wěn)定降解木質(zhì)素的相關(guān)方法。沈毅等從黑翅土白蟻的腸道中篩選出具有降解秸稈潛力的共生菌，得到的結(jié)果是當(dāng)黑曲霉和灰孔多年臥孔菌結(jié)合時，水稻秸稈中被分解的成分含量增多[39]，該方法也為微生物降解秸稈提供了研究的新方向。秸稈在南方的收割時期處于氣溫較低的季節(jié)，降解酶的活性不高，降解效率低下。針對微生物對環(huán)境溫度的嚴(yán)格要求，篩選出耐低溫的降解菌也是研究的新方向之一。劉曉輝等在低溫15 ℃的環(huán)境下，篩選出適宜玉米秸稈的降解菌L-13，為北方冬季的秸稈還田提供了基礎(chǔ)[40]。

3" 技術(shù)難點與展望

針對秸稈降解后的不同用途，選擇合適的菌群進行降解。物理方法大多是對秸稈的簡單處理，秸稈降解并不徹底；化學(xué)處理要求較為嚴(yán)格，成本相對更高，普及推廣困難；微生物降解具有降解較徹底且不會對環(huán)境產(chǎn)生污染等優(yōu)點，是秸稈降解的首選手段。挖掘新的高效降解秸桿的微生物或復(fù)合菌群尤為重要，單株菌降解的效率沒有復(fù)合菌群的效率高，但微生物復(fù)合菌系的構(gòu)建過程復(fù)雜。尋找一種集齊多種優(yōu)點、能促進秸稈降解的復(fù)合菌群是一個漫長的過程，也需要更多的研究者投身到微生物復(fù)合菌群的研究中。

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