玉米秸稈生物降解研究進展

劉東 張春玉 闞君滿 宋笛 郭立泉

摘要：我國是玉米秸稈產出大國，玉米秸稈資源非常豐富。由于玉米秸稈結構穩定，木質纖維素含量較高，造成應用困難的。研究對我國玉米秸稈資源開發和降解方法發展現狀進行分析，系統的介紹物理、化學和生物降解方法。重點指出生物法降解玉米秸稈的優勢、降解機理和影響因素，以期為研究玉米秸稈的綜合利用提供參考依據。

關鍵詞：玉米秸稈；木質纖維素；降解；微生物

玉米是世界上主要的糧食、經濟和飼料兼用作物，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，但是通過研究發現，玉米秸稈的化學組成豐富，具有潛在的工業和農業價值，可以作為原料進一步加工成燃料、飼料、肥料等物質[1]。目前常用的玉米秸稈降解處理的方法主要包括：化學法、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、環保、高效的優勢，已經成為目前玉米秸稈降解研究的重點方向[2]。傳統的生物降解方法降解木質纖維素的能力較弱，營養物質轉換效率較低，限制了玉米秸稈的大規模開發應用。因此，生物降解方法成為目前研究重點。本文對我國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狀進行綜述，為提高玉米秸稈的綜合應用提高理論支持。

1玉米秸稈資源與應用概況

我國玉米的種植面積持續增漲較快，在玉米產量提升的同時，產生大量的玉米秸稈，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的方式處置，玉米秸稈生物質燃燒價值巨大，并且每年可以持續產生，是目前最有前景的可再生能源[3]。

2玉米秸稈降解方法發展現狀

目前主要的降解方法包括：物理處理法、化學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械加工的方法破壞木質纖維素，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，達到分子級別，（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，作用一段時間，然后采用突然降壓爆破的方法，達到破壞木質纖維層的效果。（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，產生較大的壓力和熱量，通過類似蒸汽爆破的方法，破壞木質纖維結構；（4）電子束輻照處理：利用電子束的高能射線對玉米秸稈進行處理，降低玉米秸稈中木質纖維素的結晶度，提高降解效率。該方法在實驗室和工業應用中降解效率較高，雖然仍然存在成本高的問題，但發展前景較好[4]。

2.2化學處理法

化學方法是通過化學試劑與玉米秸稈共同作用，對其中難以應用物質進行降解，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。酸處理后的殘留對環境、營養均造成嚴重破壞，因此目前已經停止使用[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，目前已經很少使用；（3）氨化處理法，主要是應用尿素對秸稈進行處理，破壞纖維素間的化學鍵，提高玉米秸稈的降解效率，是目前較為常用化學處理手段；（4）氨堿復合處理，該方法將氨化處理法和堿處理法進行組成，匯集兩種方法的優點，已成為最佳的化學處理方法；（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纖維素。氧化劑的殘留可能對反芻動物瘤胃造成影響，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作下，改善玉米秸稈的理化性質，降解木質纖維，從根本上提高提高玉米秸稈的營養組成。目前主要的生物處理方法主要有傳統法和酶解法方式，其中傳統法主要是以青貯、微貯的形式體現，應用最廣泛。

青貯是指將玉米秸稈處于厭氧環境中，利用秸稈自身的有益的厭氧菌株進行分解，通過產酸的方式殺死或抑制有害菌，提高玉米秸稈飼料的保存時間。微貯是指通過添加微生物的方法處理玉米秸稈，是目前重點推廣的處理手段[6]。酶解處理法是目前應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同處理玉米秸稈，實現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展

3.1細菌降解體系

目前已知的具有木質纖維素降解作用的細菌主要有：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）。這些細菌可以有效的降解纖維素，同時由于細菌體積較小，具有較小的比表面積，可以快速進入木質纖維間隙，對木質纖維進行改性，使結晶狀態的木質纖維快速降解為低分子量的木質纖維片段，因此細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、半纖維素和木質素效果最強微生物，這是因為真菌的降解手段具有多樣性特點，不僅可以分泌纖維素降解酶，還可以分泌具有機械穿插作用的絲狀菌絲，它們均可以有效穿透木質纖維素的角質層，可以顯著提高纖維素和對應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用于玉米秸稈的降解研究中，但是由于真菌生長條件嚴格，生長速度較慢，在實際應用中受限明顯[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境下的可以有效降解木質素，具有顯著的降解效果。放線菌的主要降解機制是對于不溶性的玉米秸稈纖維基質，其可以有效穿透，在高溫和高堿性環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用開展較晚，但是其適應性強的特點，非常適合在實際工作應用，具有較好的發展前景[8]。

3.4影響生物降解玉米秸稈的主要因素

3.4.1有機質含量

不同微生物利用的有機質種類有一定差異，并隨著有機質的分解過程，微生物的各項指標會發生改變。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，造成單一有機質用量過大，將會顯著影響降解效率。

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，才能維持適當的活動和繁殖。然而，氧氣的濃度也不能過高，如超過15%，將會引起降解體系溫度過低，抑制微生物生長[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鍵因素。如果含水量過高，將會導致有機物供氧不足，出現缺氧環境，使微生物處于厭氧狀態，在降低生物活性的同時，也會產生不良氣體。如果含水量過低，也會抑制微生物的生長，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，但在實際的工作中，需要根據玉米秸稈的干燥程度進行調整。

3.4.4碳氮比

微生物的生長需要適當的底物碳氮比，以維持正常的生命活動。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

溫度可以反應微生物的活動效率，同時也是玉米秸稈有效降解的保證。在降解初期，降解體系內溫度不高，但隨著降解過程進行，微生物開始利用秸稈中的有機物，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。不加以控制，溫度將會繼續升高，造成體系中的絕大部分微生物菌受到抑制，出現休眠或死亡。研究指出，在4050℃的范圍內，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，是玉米秸稈細胞壁的主要成分，占干重的40%以上。由纖維素組成的結構較為復雜，并且質地結實緊密，普通的方法難以有效降解利用。生物法較物理法和化學法具有較為理想的發展前景，其中選育菌株、構建降解體系是最重要的環節。只有充分了解微生物降解玉米秸稈的機理和影響因素，才能有效的創造降解環境，加快玉米秸稈的降解效率。

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基金項目：“玉米秸稈的飼料轉化及其示范基地建設研究”，吉林省教育廳項目吉教科合字[2015]第427號資助

作者簡介：劉東（1986），男，吉林長春人，預防獸醫學博士，吉林工商學院講師，主要從事生物工程領域研究；張春玉（1972），女，吉林長春人，生物學博士，長春職業技術學院食品生物技術分院教授，主要從事生物工程領域研究；闞君滿（1971），男，吉林長春人，信息工程碩士，吉林工商學院教授，主要從事生物信息領域的研究；宋笛（1983），女，吉林長春，生物學碩士，長春職業技術學院食品生物技術分院講師，主要從事生物工程領域研究。

*通訊作者：郭立泉（1971），女，吉林長春人，生物學博士后，吉林工商學院教授，糧油食品深加工吉林高校重點實驗室主任，主要從事生物工程領域研究。