汤昀 朱教宁 庞震鹏 刘月 李永平 史向远

摘    要：根據原料木质纤维素的降解程度及处理后的发酵产气试验，筛选适宜的菌剂和添加量。选取市场上常见的7种复合菌剂，将其活化后接到玉米秸秆中，对预处理后的玉米秸秆进行纤维素含量测定，结合滤纸条崩解试验结果得出，菌剂1和菌剂5的纤维素、半纤维素降解率较高，分别为21.98%，19.86%，故选取菌剂1和菌剂5作为产气发酵潜力试验的预处理剂。将2种菌剂分别设置5个接种浓度（0.2%，0.5%，1.0%，2.0%，5.0%）处理，以未处理的秸秆发酵组合作为对照，将玉米秸秆与牛粪（VS）比为5∶5比例后混合进行厌氧发酵，经测定，菌剂1和菌剂5最佳预处理量为菌占干秸秆量的2.0%。菌剂1在此用量下，累积产气量、VS产气量及产甲烷总量是所有组合里最高的，分别为10 403.4 mL，326.52 mL·g-1，5 892.66 mL，高出对照18.83%，19.32%，21.44%。菌剂5在此用量下，日产气量为647.34 mL·d-1，累积产气量为10 329.13 mL，产甲烷总量为5 807.28 mL。综上，菌剂对玉米秸秆预处理后，可加快降解纤维素、半纤维素的分解速度，和牛粪混合后进行厌氧发酵，对累计产气量、VS产气量和产甲烷总量均有促进效果，对提高厌氧发酵效率，提升畜禽粪污处理速度，降低环境污染具有重要意义。

关键词：厌氧发酵;菌剂;预处理;混合发酵;产气性能

中图分类号：S216.4          文献标识码：A         DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2022.06.011

Effect of Straw Microbial Agent Pretreatment on Biogas Production Performance by Anaerobic Co-digestion of Cow Manure and Straw

TANG Yun1，2， ZHU Jiaoning1，2， PANG Zhenpeng1，2， LIU Yue3， LI Yongping1，2， SHI Xiangyuan1，2

（1. Shanxi Academy of Organic Dryland Agriculture， Shanxi Agricultural University， Taiyuan， Shanxi 030031， China; 2. Research Center of Modern Agriculture， Shanxi Academy of Agricultural Sciences， Taiyuan， Shanxi 030031， China;3. College of Resources and Environment， Shanxi Agricultural University， Taigu， Shanxi 030800， China）

Abstract： The optimum microbial agent and additive amount were determined in this study according to the degradation of lignocellulose and biogas production performance of anaerobic co-digestion of straw pretreated with microbial agent and cow manure. Seven groups of microbial agent were selected， activated and added to the corn straw. The results of cellulose-hemicellulose content determination and filter paper strip disintegration test of pretreated corn straw indicated that microbial agent 1 and microbial agent 5 showed the highest cellulose-hemicellulose degradation rate of 21.98% and 19.86%， respectively. Therefore， microbial agent 1 and agent 5 were selected as pretreatment agents for the biogas potential test. Experiments with cow manure and corn straw （mixture with volatile solid） ratio 5∶5 at different inoculation concentration 0.2%，0.5%，1.0%，2.0%，5.0% of agent 1 and agent 5 were carried out， while the experiment with cow manure and untreated corn straw was set as the control group. A series of indicators were determined， it could be concluded that the best pretreatment amount of both agent 1 and agent 5 was 2.0% of the dry straw amount. The cumulative biogas production， VS biogas production and methane production of agent 1 at inoculation concentration of 2.0% were the highest， reached 10 403.4 mL， 326.52 mL·g-1， 5 892.66 mL， which were 18.83%， 19.32% and 21.44% higher than that of the control group， respectively. While the agent 5 was inoculation concentration of 2.0%， the daily biogas production cumulative biogas production and methane production were 647.34 mL·d-1， 10 329.13 mL， 5 807.28 mL， respectively. In conclusion， the pretreatment of corn straw with microbial agent can accelerate the degradation rate of cellulose as well as hemicellulose， anaerobic co-digestion of cow manure and pretreated corn straw can promote the cumulative biogas production， VS biogas production and total methane production， which is of great significance to improve the efficiency of anaerobic digestion， promote the processing speed of livestock manure， and reduce environmental pollution.

Key words： anaerobic fermentation; microbial agent; pretreatment; co-digestion; biogas production performance

我国是农业大国，每年产生的秸秆达7亿t[1]，其中约25%作为燃料直接燃烧，20%作为饲料，其余的秸秆资源未得到有效利用[2]。厌氧发酵可以达到将秸秆能源回收、环境保护和物质循环等效果，且近年来这种方式受到政府的重视和支持[3]。但秸秆中半纤维素、纤维素和木质素含量占干物质总量的80%[4]，这导致在厌氧发酵过程中，大分子相互纠缠而难以降解，厌氧菌消化困难，发酵系统启动慢，产气效率低[5-6]。如何提高秸秆在厌氧发酵中的利用率成为研究的热点问题之一。

秸秆预处理可以打破半纤维素、纤维素和木质素之间的连接，使秸秆进行一定程度的预降解，这种方式可以提高秸秆厌氧发酵效率，实现秸秆规模化能源及物质转化[7]。国内外常见的秸秆预处理方法有物理法、化学法和生物法等[8]。但相比物理法与化学法，生物法条件更加温和，而且不污染环境。有研究表明，生物预处理可以有效降解木质素[9]，而且单一菌降解效果不如复合菌的共同作用，尤其是木质纤维素的完全降解，是微生物菌系共同作用下的结果[10]。国内外许多学者研究使用复合菌来预处理秸秆，以期达到使木质纤维素快速降解的目的[11-12]。

目前，市面上已有许多在售的复合菌剂是用来对秸秆进行预处理的，但效果有好有差，用量也很模糊。所以，本研究选择了市面上常见的且销售良好的7种复合菌剂，通过纤维素降解能力对其进行筛选，并经发酵产气试验确定最适合的用量，以期为沼气工程提供数据参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

本研究采用的玉米秸秆取自山西省农科院中试基地大田玉米地，晒干后使用切草机粉粹，过60目筛备用;菌剂选择市场上销售良好的7种复合菌剂，具体见表1。

1.2 试验装置

采用山西省农科院现代农业研究中心沼气技术实验室自制1 L小型厌氧发酵发生器进行试验。该发生器由上下两部分组成，下部为料液反应区，将发酵物料由进料口灌装后用具有橡胶垫圈的螺旋瓶塞拧紧，确保不漏气，上部为注水区，上下部分导气管连通，玻璃隔层分开。下部反应区待物料发酵后产生的沼气，经导气管进入上部，由排水集气法原理可知，随着沼气量的增加，上部注水区的水从导水管不断排出，并将排出的水收集到广口瓶内，然后称质量，以此确定沼气产量。由采气口连接的铝箔集气袋收集气体，然后经气相色谱仪分析沼气气体组分及含量。混合厌氧发生器见图1。

1.3 试验方法

1.3.1 菌剂的活化 菌剂活化培养基配方：（NH4）2SO4 1.0 g·L-1，MgSO4·7H2O 0.5 g·L-1，KH2PO4 1.0 g·L-1，酵母膏0.1 g·L-1，紅糖10 g·L-1，pH值 7.0。每个三角瓶中装入130 mL菌剂活化培养基，分别取0.1 g菌剂1、菌剂2、菌剂3、菌剂4，取1 mL菌剂5、菌剂6、菌剂7、清水（CK）置于三角瓶中，30 ℃恒温环境培养1周。

1.3.2 滤纸条崩解试验 滤纸条崩解培养基配方：KH2PO4 0.1 g，MgSO4·7H2O 0.04 g，（NH4）2SO4 0.3 g，酵母粉0.01 g，H2O 100 mL，121 ℃灭菌20 min。按上述配方制备培养基，每个三角瓶中装入130 mL培养基，分别接种0.1 g菌剂1、菌剂2、菌剂3、菌剂4，1 mL菌剂5、菌剂6、菌剂7，每个三角瓶中加入3张长5 cm，宽1 cm的滤纸条。以清水为对照，30 ℃恒温环境培养30 d，观察滤纸条崩解情况。

1.3.3 菌剂接种 取40 g玉米秸秆，加入20 mL浓度为1 g·L-1的尿素和130 mL上述活化后的培养基，在培养箱中恒温（30 ℃）培养30 d，保持秸秆含水率在70%左右。

1.3.4 秸秆纤维素测定 将不同菌剂处理的秸秆取出后烘干处理，为了保证纤维素含量测定时秸秆样品粒径的一致性，将烘干的秸秆样品过筛分选，使测定纤维素用的秸秆大小为5 mm。

1.3.5 预处理秸秆与牛粪厌氧发酵产气试验 按照滤纸条崩解试验效果和菌剂处理秸秆后纤维素降解情况，筛选出适宜的菌剂。按照菌剂占秸秆（干基）量分别为0.2%，0.5%，1.0%，2.0%，5.0%的浓度梯度配制菌剂液，均匀喷洒在秸秆上，置于恒温培养箱，在30 ℃处理30 d后取出备用。将按不同浓度菌剂预处理后的玉米秸秆与牛粪按VS比5∶5配混后进行厌氧发酵试验，试验装置采用自制1 L厌氧发生器，物料浓度均为8%，接种物干物质量（TS）占比为30%，物料总量650 g，发酵温度控制在中温（35±1 ℃），厌氧发酵试验周期40 d。每个处理重复3次。

1.4 测定指标

1.4.1 TS测定 将牛粪和玉米秸秆、接种物取样置于恒温鼓风干燥箱中，设置温度为105 ℃，烘干水分，采用差重法计算TS。

1.4.2 挥发性固体量（VS）测定 将烘干后的样品于马弗炉中进行600 ℃高温灼烧，去除有机成分，得到灰分，采用差重法计算挥发性有机物固体质量。

1.4.3 原料纤维素、半纤维素及木质素测定 将烘干后的样品用ANKOMA2000i全自动纤维分析仪测定。

1.4.4 沼气组分测定 使用铝箔气体采样袋收集每日各处理产生的气体，用安捷伦7890B气相色谱仪对气体成分进行测定。色谱条件：色谱柱为HP-INNOWAX，60 μm×530 μm×1 μm，载气为氢气，流量5 mL·min-1，压力7.244 3 psi，平均线速度35.701 cm·s-1，滞留时间2.80 min;FID检测器：温度300 ℃，空气流量400 mL·min-1，氢气燃气流量30 mL·min-1，尾吹气流量（N2）25 mL·min-1;TCD检测器：温度250 ℃，参比流量40 mL·min-1，尾吹气流量（H2）2 mL·min-1。1.5 数据分析

采用Excel 2010进行数据处理和图表绘制，采用DPS统计软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 菌剂筛选结果

如表2所示，通过木质纤维素降解率的测定及滤纸条崩解试验的结果表明，处理效果较好的是菌剂1及菌剂5。纤维素、半纤维素的降解率分别是21.98%，19.86%，二者之间没有显著性差异;木质纤维素降解率各处理相比差别不大。所以，选择菌剂1和菌剂5作为下一步混合发酵的秸秆预处理的复合菌剂。

滤纸条崩解试验结果判定标准： “+”滤纸边缘膨胀;“+ +”滤纸整齐膨胀并下弯;“+ + +”滤纸不定形;“+ + + +”滤纸完全成糊状。

将上述结果表现较为出色的2组（菌剂1和菌剂5）预处理后的玉米秸秆与牛粪（VS）比为5∶5混合进行厌氧发酵试验，40 d后进行产气潜力分析。各处理具体见表3。

2.2 秸秆预处理对混合厌氧发酵系统产气性能的影响

2.2.1 秸秆预处理后与牛粪混合厌氧发酵对日产气量的影响 由图2可以看出，除了未处理以外，各处理的日产气量的趋势大体相同，均在第4天达到产气高峰，而后下降，在发酵第9天又达到第2个产气高峰。而未处理CK则是在第2天达到第1个产气高峰，然后同样在第9天达到第2个产气高峰。原因可能是干秸秆投料后吸水膨胀后造成气体外溢，所以会比其他处理更早达到第1个产气高峰。所有处理在达到产气高峰时，1T4处理的日产气量最高，为688.92 mL·d-1，其次是5T4处理，日产气量为647.342 mL·d-1，最少的是未处理CK，日产气量仅为554.44 mL·d-1。这是由于复合菌剂对秸秆的预处理破坏了秸秆中纤维素、半纤维素及木质纤维素之间的连接，增加了发酵底物中可被产酸菌利用的可溶性有机物，促使产气量提高。这一结果与陈羚等[13]的研究一致。

2.2.2 秸秆预处理后与牛粪混合厌氧发酵对累积产气量的影响 各处理厌氧发酵的累积产气量见图3。所有处理的累积产气量的变化趋势相同，均是先快速上升后趋于平稳。菌剂1和菌剂5的5种梯度处理均呈先增大后趋于平稳的趋势。其中，累积产气量最高的为1T4（10 403.04 mL），其次是5T4（10 329.13 mL），二者之间没有显著性差异，且分别高出未处理CK（8 754.48 mL）18.83%，17.99%。由此可以看出，经过微生物复合菌剂处理后的秸秆与牛粪混合后进行厌氧发酵时，产气性能得到了提高。这是由于在进行预处理的过程中，复合菌剂中的微生物，有能使木质纤维素更好降解的菌（如木霉菌等），这些菌系将秸秆中的木质纤维素降解成了易于厌氧微生物利用的小分子物质，从而提高了发酵底物的消化率和产气率。此结果与前学者研究一致[9，14]。

2.2.3 秸秆预处理后与牛粪混合厌氧发酵對VS产气量的影响 厌氧发酵系统中发酵物料产气潜力可以由VS产气量这一指标来衡量，该值越大，则表示单位质量的该物料有机质成分产气量越多，即产气潜力越大。由图4可知，VS产气量在菌剂1和菌剂5的各处理中均呈现单峰趋势，极值出现在1T4和5T4。其中VS产气量最高的是1T4（326.52 mL·g-1），其次是5T4（324.20 mL·g-1），分别高于未处理CK19.32%，18.47%。从图4中还可以看出，菌剂预处理过的处理，VS产气量均显著高于未处理CK（273.65 mL·g -1）。

2.2.4 秸秆预处理后与牛粪混合厌氧发酵对甲烷含量的影响 发酵系统每日所产出的甲烷在日总产气中所占的比例称之为甲烷含量，这一指标可以衡量发酵体系的产气效果，每日所产气体的甲烷含量越高，产气效果亦越好[15]。由图5可知，各处理甲烷含量的变化趋势大体一致，初期均随着发酵天数的增加而增加，10 d之后趋于平缓。各处理发酵6～7 d可达到60%以上，发酵后期，各处理均稳定在60%左右，整个发酵过程各处理的平均甲烷含量均在57%左右。

2.2.5 秸秆预处理后与牛粪混合厌氧发酵对产甲烷总量的影响 如图6所示，每种菌剂随着处理含量的增加，产甲烷总量呈先上升后下降的趋势，但所有处理的产甲烷总量均高于未处理CK。其中最高的是1T4（5 892.66 mL），其次是5T4（5 807.28 mL），这2个处理的产甲烷总量没有显著性差异，分别高出对照未处理CK（4 852.46 mL）21.44%，19.68%。

3 结论与讨论

通过纤维素、半纤维素降解率及滤纸条崩解试验可以确定2种复合菌剂预处理秸秆效果较好，分别是秸秆发酵剂（洛阳欧克拜克生物技术股份有限公司）和有机物料发酵剂（中国农科院肥料应用工程技术研究中心）。这2种菌剂预处理玉米秸秆后，木质纤维素降解率分别为21.98%，19.86%，滤纸条崩解试验结果也较为优秀。这说明添加复合菌剂，可以有效降解纤维素和半纤维素。有研究表明，半纤维素主要由易降解的糖类物质组成，其组成和结构可变性较强，预处理过程较易被降解[14]。纤维素是由β-1-4糖苷键连接的小分子葡萄糖组成的聚合物[16]，相比半纤维素，纤维素较难被复合菌剂降解。木质素是复合的多苯基芳香族化合物，由酯键连接，与纤维素、半纤维素紧密结合，形成植物的一、二级细胞壁[17]。本研究的纤维素检测结果中木质素基本没有被降解，故选取纤维素、半纤维素的降解率作为初筛菌剂的依据。

筛选出适宜预处理玉米秸秆的复合菌剂类型后，还要进一步优化确定该菌剂的适宜预处理添加量。胡致远等[18]探究了生物强化菌系添加量对餐厨垃圾厌氧发酵性能的影响，结果表明，在食微比为0.5，1.0时，生物强化效率随菌系添加量的增加先升高后降低，最大生物强化效率在15%的剂量下获得。本研究将不同添加量的菌剂处理玉米秸秆后进行混合厌氧发酵试验，结果显示，当菌剂的预处理添加量为2%时，菌剂1和菌剂5的不同处理均表现出较好的产气效果，菌剂1在此添加量下的累积产气量、VS产气量及产甲烷总量均高于其他处理，分别达10 403.4 mL，326.52 mL·g-1，5 892.66 mL。菌剂5在此添加量下，累积产气量、VS产气量和产甲烷总量分别为10 329.12 mL，324.20 mL·g-1，

5 807.28 mL，高于同一菌剂处理下的其他处理。发酵物料的VS产气量与菌剂处理添加量的变化密切相关，随着菌剂添加量的增大先增加后降低，不同菌剂处理均在添加量2%时表现出较强的产气效能。原因可能在于当菌剂加入不足时，微生物难以在短时间内形成优势菌群，影响秸秆中木质纤维素的降解效率，从而导致厌氧发酵体系内反应底物不足，降低产气量;当菌剂加入过多时，虽然可以增加木质纤维素的降解量，但是菌群过多也会同时消耗作为厌氧发酵水解阶段底物的部分有机物，从而降低水解阶段反应速率，且在实际生产中过量添加复合菌剂也会增加秸稈预处理的经济成本。因此采用菌剂1和菌剂5预处理玉米秸秆时，适宜的菌剂添加量为菌占干秸秆量的2%，将有助于提高发酵产气量和提升物料产气潜力，同时可以避免菌剂的过量使用，降低处理成本。

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