孙丽娜, 马欣雨, 刘克斌, 郑学昊, 张鸿龄, 荣璐阁

(沈阳大学 a. 区域污染环境生态修复教育部重点实验室, b. 环境学院, 辽宁 沈阳 110044)

1 秸秆资源概述

我国是农业大国,2016年粮食产量达到6.16×108t,其中谷物占83.49%,高产的背后,意味着大量秸秆类农业固体废弃物的产生.秸秆固废问题是全球性问题,有报道指出全球每年秸秆产生总量约为70×108t[1],根据我国农业部统计,2015年我国主要农作物秸秆年产量居世界第一位,已经超过了9×108t[2].我国不同种类秸秆年产量占总秸秆产量比例如图1所示[3],其中玉米、水稻、小麦3者总量之和所占比例为总产量的86%.在空间分布上如图2所示[3],其中55%以上的秸秆集中在我国的中东部地区,如河南、四川、山东等省份,而西北地区的秸秆分布量较少[4].总体来说,我国秸秆分布的主要特点是中东部地区较集中,沿海和西部地区较少,秸秆的种类与数量也存在较大差异,而且农作物品种和产地不同,各组分的含量也存在着一些差异,秸秆中的难降解物质主要为木质纤维素类物质包括纤维素、半纤维素和木质素等,由于木质纤维素类物质分子量高,且具有相对稳定的分子结构,在自然环境中很难降解.目前由于技术缺乏造成秸秆资源利用乏力进而导致严重的环境压力,秸秆处置问题是我国乃至世界面临的难题,因此应继续开发秸秆利用技术对秸秆进行处置或利用[5].

图1 我国秸秆组成Fig.1 The composition of crop straw in China

图2我国秸秆分布
Fig.2 The distribution of crop straw in China

2 秸秆资源利用现状

秸秆是放错位的资源,早年间就已出现秸秆资源化技术,例如秸秆沼气、堆肥及用作工业原料等.但大部分秸秆由于耕作者在实际生产中赶农时、抢播种的原因,处理方式主要为就地集中焚烧[6],在东北等地区其主要是被用作冬季取暖的燃料.秸秆燃烧产生了大量烟雾和细微灰尘,其中包含苯并芘、二噁英等有害致癌物质,严重影响了空气质量,进而威胁人体健康.近年来,关于禁止焚烧秸秆的法律法规相继出台,过去的技术由于地域气候的限制和可处理量低等原因,已不适合对大量秸秆进行生态化处理.目前对于农业秸秆无害化处理的技术较为缺乏,前人对秸秆的研究主要集中在秸秆资源化的研究上.

2.1 物理化学技术处理及其应用

(1) 用作畜牧饲料.随着我国畜牧业的快速发展,饲料资源短缺问题日益凸显,并逐渐成为畜禽养殖过程中急需改善或解决的核心问题.秸秆机械化粉碎后经腐化处理,加工成块状或粒状,制成饲料[7],在一定程度上缓解了饲料资源短缺的压力.但不同部位的秸秆营养价值不同,例如,在玉米秸秆中,叶、苞叶和茎髓的营养价值优于其他部位[8].

(2) 制备化工产品.秸秆通过处理、水解、发酵等过程可制备工业乙醇和生物乙醇等.近年来,由于我国各大能源消费量增加,新的产能技术研究等相关投入不断加大,秸秆制备生物乙醇技术由于制备材料廉价易得,受到了众多研究者的关注,但其生产过程较为复杂,目前使用秸秆制备乙醇是国内外研究的热门领域[9].微波加热的原理是物体吸收微波能,使物体内部偶极分子做连续高频往复运动,经加热而运动的分子间相互碰撞产生大量摩擦热量,微波能被转换成了热能,秸秆在微波处理过程中,纤维素分子间连接的氢键发生部分断裂,生成的粉末没有胀润性[10].经微波预处理过的纤维素,其反应活性和可及性明显增加,故微波处理能够有效提高基质浓度,得到较高浓度的糖化液,处理时间短,操作简单[11].对秸秆进行微波辐射能够促进秸秆降解,有研究报道在辐照功率700 W条件下处理6 min,原料中的纤维素降解率可达到93.76%,产糖率可达到37.68%[12].

另外,随着生物质固体废物的增多和目前土壤污染问题的日益严峻,实现生物质资源的合理利用已成为当前学者的研究热点,催化热解被认为是改变生物质热解条件及热解产物分布和性质的最有效办法.秸秆热裂解的原理在于高温使秸秆中木质素结晶度降低,从而达到提高秸秆消化率、利用率的目的[13].近年来,有许多研究者利用秸秆高温热解、裂解方式制备生物炭,由于其具有造价低廉、制备技术简单的特点,在活性炭市场有较大的发展空间.郭平利用秸秆在550 ℃条件下制备的生物炭达到最优吸附性能[14],有研究已经验证了生物质制备的生物炭在向土壤中施加后可以改善土质,进而促进植物生长[15].杨建成等借助催化剂对高粱秸秆进行双热解处理(热解+裂解),发现高温2段热裂解能够有效地促进焦油裂解重整,显著增加H2产率[16].

2.2 生物技术处理及其应用

(1) 沼气制备.秸秆制备沼气技术曾在我国南方及西部地区进行过较广泛的推广,在东北地区因为地域、气候等原因,微生物发酵效率较低.较新的科研成果表明,其制沼气处理单元和辅助单元加剧了全球变暖趋势,而且在发酵过程中伴随电力消耗及有机副产品的产生,实际产生的净效益较低[17].

(2) 用做食用菌基质.将农作物秸秆粉碎用作养殖食用菌基质是一项新型食品方面相关技术.有研究者用棉花秸秆分别选香菇和平菇供接种培养,发现两菌种均能够降低培养基中的纤维素成分,提高粗蛋白含量和干物质消化率[18],此类研究也为真菌消化秸秆纤维素提供思路.宋海燕在实验中发现,用油菜秸秆栽培食用菌金针菇,实验中菌丝生长良好、快速,而且出菇率和产量均较理想,并且利用油菜秸秆作为原材料,价格合理、生产周期相对较短,具有一定经济效益[19].此类应用虽然是秸秆资源化的一项重要举措,但使用量小,无法成为主要的秸秆消耗方法.

(3) 秸秆腐熟堆肥.秸秆用作肥料具有腐熟周期短、产量高等优点,相对于物理和化学应用节省人力物力、安全环保,且成本较低[20],秸秆中有机物质腐殖化后,其中的微量元素、有机物以及速效N、P、C还能够回归土壤、增加土壤肥力、避免二次污染,符合绿色环境发展要求[6].其主要问题在于操作条件较为严格且纤维素降解率低[21],但这种利用微生物降解秸秆是未来秸秆无害化处理的一个重要研究思路.

3 秸秆微生物降解

通过对比上述技术可以发现,物化技术对秸秆降解的环境要求较为苛刻,需要耗费一定的人力物力,且成本较高,并且有些方法还伴随着大量副产品的产生,破坏土壤中的部分有机质,随之而来的是农产品质量严重下降.上述问题使国家和社会越来越重视农作物秸秆的处理,秸秆还田的重要性逐渐体现出来.而生物应用的主要问题在于秸秆的消耗量较小,不适合大面积秸秆的综合处理.近年来微生物秸秆降解技术在国内外被广泛报道,环境中的微生物具有分布广泛、种类繁多、数量巨大、功能多样等特点,因此,利用微生物处理农作物秸秆后再还田,不仅使农作物秸秆中的纤维素、半纤维素分解为可溶性的糖类,秸秆中的木质素经过微生物降解后,大大提高了秸秆消化率[22],而且将分解后的糖类、有机物质等继续还田有利于提高土壤质量,符合绿色可持续发展理念,逐渐成为秸秆生态处理的研究前沿.

3.1 秸秆降解菌种类

由于秸秆主要组成物质分子量大且质地细密,微生物难以通过胞吞的方式将其转移至细胞膜内进而进行代谢,所以秸秆一般被微生物胞外分泌的纤维素酶氧化分解,目前被发现可以降解纤维素类物质的微生物有细菌和真菌[23].细菌包括:芽孢杆菌(Bacillus)[24]、纤维杆菌(Cellulomonus)、梭状芽孢杆菌(Clostridium)[25]、噬纤维菌(Cytophaga),热杆菌(Caldibacillus)[26],生孢嗜纤维菌(Sporacytophga) 等[27].真菌包括:木霉(Trichderma),青霉(Penicillium),毛壳霉(Chaetomium)、曲霉(Aspergillus)、根霉(Rhizopus)、草酸青霉(Penicillium)、白腐真菌(Phanerochaete)和康氏木酶(Trichodermakoniggi)等[28],它们被应用于工业酶的生产中,促进纤维素降解,以提高纤维素类物质的资源转化率.

3.2 秸秆微生物降解机理

秸秆组成中主要含有纤维素、半纤维素、木质素和少量脂肪、蛋白质、醛、酮、醇类、有机酸等[29].其中,半纤维素和木质素通过共价键连结成网状结构,将纤维素包裹起来,要降解纤维素就要先打破由半纤维素和木质素组成的“保护网”,需要不同的酶系,下文将分别对纤维素、木质素和半纤维素的降解酶学机理进行说明.

(1) 纤维素的结构及生物降解.纤维素是由多个葡萄糖分子通过β-1,4-糖苷键连接而成的直链高分子化合物,具有结构致密、排列有序等特点[30].在植物细胞壁中,纤维素以分子丝形式存在,包埋于半纤维素和木质素形成的网状结构中,因而具有不溶于水且无还原性的稳定化学性质,也很难发生水解反应,只有在催化剂的作用下,水解反应才显著进行.可见其降解是极其困难的.

纤维素的降解是CX酶(内切型葡聚糖酶),C1酶(外切型葡聚糖酶)和Ch酶(β-葡萄糖昔酶)等酶协同作用的结果[31],内切葡聚糖酶的主要作用是为外切葡萄糖酶及β-葡萄糖苷酶创造酶切位点,通过随机水解β-1,4-糖苷键过程中截断长链纤维素分子,同时暴露出大量带有非还原性末端的小分子纤维素,随后外切葡聚糖酶作用于这些纤维素线状分子末端,切下纤维二糖分子,再由β-葡萄糖苷酶将其水解成葡萄糖分子[32].

(2) 半纤维素的结构及生物降解.半纤维素是秸秆木质纤维素中的第2大成分,广泛存在于植物中,含量略少于纤维素,在单子叶植物的叶中含量尤其高,可达80%～85%[33].半纤维素的结构极其复杂,是植物细胞壁的重要组成部分,它是由五碳糖,六碳糖等几种不同类型的单糖构成的异质多聚体,包括木糖、半乳糖和阿拉伯糖等,其单糖之间通过共价键、氢键、醚键和脂键相连接,它们与壁酶、纤维素、果胶伸展蛋白等其他结构蛋白构成具有一定硬度和弹性的植物细胞壁.同时,半纤维素将纤维素连成微纤丝,并将其与木质素相连,为细胞壁结构强度提供了复杂的网络连接,因而呈现较稳定的化学结构[34].

自然界中半纤维素分解较快,纤维素的分解一般发生在已经有较多的半纤维素被分解以后.但从最终的分解程度上来看,纤维素分解较彻底,而半纤维素则往往会残留一些抵抗性的难分解部分.原因在于大部分具有降解纤维素能力的微生物,一般都能够分解半纤维素,并且其胞外酶活性较高[35],但是具有降解半纤维素能力的微生物则不一定能够降解纤维素,这就是导致纤维素以及半纤维素降解速度和效果不同的原因.半纤维素降解菌中,极具代表性的有:纤维单胞菌、黑曲霉、焦曲霉、烟色曲霉、绿色木霉等[36];张丽霞[37]将筛选出的黑曲霉、青霉、木霉与黄孢原毛平革菌组合,测定纤维素、半纤维素、木质素的降解率分别为29.60%、12.02%、29.10%.

(3) 木质素的结构及生物降解.木质素是由聚合的芳香醇构成的物质,主要表现为木质组织中的胶质作用,并通过与纤维素、半纤维素形成交织网状结构来硬化细胞壁,起到抗压作用[38].在对秸秆的结构进一步进行研究分析以后,人们发现导致秸秆难降解的主要原因是木质素与半纤维素之间形成的天然屏障难以被打破,促使纤维素酶等不易与纤维素分子接触[39].

参与木质素降解的酶系主要有3种:木质素过氧化物酶(LiP)、锰过氧化物酶(MnP)和漆酶(Lac),其中木质素过氧化物酶和锰过氧化物酶都是血红素糖蛋白,降解木质素的同时均需要过氧化氢存在.木质素的完全降解过程是真菌、细菌、放线菌以及相关微生物菌群共同作用的结果,在能够降解木质素的微生物中,真菌起着重要的作用,其中降解木质素的酶系产生菌主要为白腐真菌[40],白腐真菌能够将木质素分解为CO2和水,细菌和放线菌起协同作用,部分地改变木质素分子结构,如脱甲基作用,木腐菌是木质素降解研究的热点,研究较多的有软腐细菌、裂褶菌、变色真菌、软腐真菌、褐腐菌[41].李红亚等从牛粪中筛选出了长势强,分泌酶活性高的产芽孢的木质素降解菌MN-8,通过玉米秸秆堆积发酵16 d后,木质素降解率达到24%[42].刘云鹏等研究了白腐菌和裂褶菌对玉米秸秆中木质素的降解机制及降解产物,通过GC/MS结果表明,玉米秸秆中的木质素降解过程生成了小分子芳香醇、葡萄糖等[43].

4 强化微生物降解措施

4.1 酸碱处理法

秸秆直接还田不但腐化时间较长,而且破坏土壤性质,影响下一季作物生长,在作物秸秆还田之前进行酸碱预处理,可以在断开木质素与半纤维素之间共价键的同时增大秸秆表面粗糙度,降低纤维素分子间结晶度,增大纤维素与酶的接触面积,提高纤维素类物质降解速率[44].张珺穜[45]认为秸秆酸化处理还可以影响秸秆腐解与养分的释放,在硝酸和硫酸2种预处理方式的对照实验中,通过对比各预处理方式下的玉米秸秆腐解速率和释放的N、P、K元素含量最终收到在酸化预处理下秸秆降解速率达91.68%的良好效果,培养300 d,在结束时发现酸化处理后的秸秆比对照组多释放了7.73%的钾和6.34%的磷.可见玉米秸秆在机械还田前进行适当酸化处理可促进其腐解,提高养分释放速率,但具体田间操作及表现仍需具体问题具体分析.张典典等使用CaO2对秸秆进行预处理后调节温度等其他条件,最终秸秆木质素降解率有较大提高,最高可达65.18%[46].在余坤等的实验中,对秸秆进行氨化预处理后进行翻压还田,经过210d,秸秆残留量为48.46%,较未处理时降低了24.31%[47],在酸碱预处理的对比研究中,研究者们更倾向于使用碱类溶液对秸秆进行处理,原因在于碱的腐蚀性较酸表现更弱,所需的条件也更易于实现[48].

4.2 深度强化微生物降解手段

(1) 添加营养物质.在秸秆微生物降解的过程中往往需要另外添加营养物质来强化降解效果,添加营养物质在强化菌群修复场地污染过程中也有较为广泛的应用[49],其中营养物质包括:碳源、氮源、无机盐等生长因子.

以木质素为例,其在土壤中不能作为微生物的碳源被直接代谢[50],需要通过施加调控因子刺激土壤微生物释放酶以共代谢的方式来促进木质素的降解,碳源物质通过微生物的分解利用,为其生长发育提供碳架来源,和生命活动中的能量,促进木质纤维素类物质的转化,常用的微生物碳源物质有:糖类、醇类、脂类、有机酸等.另外,氮素也是秸秆在田间降解的重要因素之一,氮素不足,微生物对还填的秸秆降解缓慢,且微生物在缓慢降解秸秆的过程中同作物争夺土壤中原有的有效氮,造成土壤贫瘠,不利于作物生长发育.在杨小丽的实验中添加硫酸铵、尿素组成的有机无机复合氮源,结果发现当氮源补加量为15 g·L-1时,秸秆降解率达到最大值,相当于每kg秸秆补充11.6 g的氮素[28].在国外报道的秸秆堆肥发酵工程应用中,也有使用尿素以促进秸秆发酵的案例[51].

(2) 添加表面活性剂.添加表面活性剂可促进秸秆类纤维素降解的机理在于可促进微生物分泌有效降解酶,增强降解菌基因表达等[52],而且某些表面活性剂还可以增加生物膜的通透性,加速蛋白质类物质跨膜运输速度,此类行为皆可加速微生物分泌降解酶.可达到上述目标的表面活性剂主要以生物表面活性剂为主,刑军[53]的研究发现,大豆磷脂、PEG20000、甜菜碱等表面活性剂对纤维素降解酶和小麦秸秆干物质降解率都有一定提高,在孟杰等[54]的实验中,向玉米秸秆降解体系中加入不同种类的生物菌剂,改善了堆肥环境,提高了纤维素酶解产糖量,进而证明生物表面活性剂的加入在玉米秸秆微生物降解的过程中起重要的增效作用.除此之外,用一些表面活性剂对秸秆进行预处理也可以加速木质素的去除[55].表面活性剂强化生物降解的优点在于表面活性剂可生物降解,一些表面活性剂即使施加于土壤中也不会对土壤造成二次污染,为未来强化秸秆菌剂原位降解处理提供思路.

5 展 望

(1) 目前已经发现了很多微生物菌剂对秸秆具有很好的降解作用,并且秸秆降解菌工程选育方法也日渐成熟,速腐菌剂的制备也得到完善,现阶段应加强不同菌剂的最有效配施比例研究.

(2) 目前有关木质纤维素降解菌存在菌种酶活性不高,降解能力不强等问题,且大部分是以纯培养方法分离和筛选或者只是几种菌的简单组合,因此,专性高效纤维素降解菌的选育还有待进一步研究.

(3) 秸秆微生物降解过程不仅限于依赖原始的现存的微生物,未来还应将研究重点放在基因工程手段与分子生物学手段相结合上,构建酶活性高且遗传稳定的突变体菌株.

(4) 秸秆快速降解是一项长期而重大的工程,秸秆还田还存在着很多困难,还应继续探索,如何提高降解效率,如何延长秸秆降解菌复合菌剂的保质期等问题都将是下一步努力的方向.

(5) 为推广秸秆腐熟剂的大面积使用,还需进一步做关于腐熟剂对土壤影响及对下茬作物的影响等相关方面研究.

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