納米銀對秸稈腐解過程中元素和成分含量的影響

李 濤，王宏燕，鄭國香，李文哲*，孟 杰

（1.東北農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，哈爾濱 150030）

秸稈作為生物質(zhì)的重要組成部分，其應(yīng)用越來越受到人們的關(guān)注。目前，利用秸稈生產(chǎn)乙醇、沼氣和生物柴油以及發(fā)電的技術(shù)日趨成熟。然而由于秸稈能被微生物酶降解或轉(zhuǎn)化[1]，它的儲運問題逐漸顯現(xiàn)[2-3]。

銀離子消毒劑是一種無毒、無味、無刺激、無污染的“綠色殺菌制品”[4]，但由于普通銀制品具有材料成本高、游離態(tài)銀離子的化學性能不穩(wěn)定等缺點，使銀系殺菌材料的應(yīng)用受到了較大的限制[5]。納米技術(shù)的出現(xiàn)，使這一現(xiàn)狀得到了巨大的改變。由于納米銀粒子的比表面積比常規(guī)的銀粒子大得多，使得銀與微生物接觸幾率大大增加，從而具有高效防腐功能[6]。目前，納米銀系抗菌劑被廣泛應(yīng)用到建筑材料、陶瓷制品及纖維、塑料、涂料、醫(yī)療衛(wèi)生等諸多領(lǐng)域[7]。木質(zhì)纖維素類物質(zhì)是秸稈的主要組成部分，其構(gòu)成元素種類和組成比是重要因素，一般說來，生物質(zhì)的有機物含量越高（碳元素含量越高），生物質(zhì)的發(fā)熱量就越高[8]。文章通過對添加過納米銀溶液的玉米秸稈腐解過程中，元素和物質(zhì)成分含量的變化進行分析，初步研究納米銀在抑制秸稈腐爛方面上的應(yīng)用，旨在為生物質(zhì)秸稈工業(yè)化儲藏提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試材料

試驗所用材料為成熟的自然風干的玉米秸稈，將玉米秸稈用鍘草機（山東肥城市泰龍機械廠93ZP-8.0） 鍘成1～3 cm的小段，然后用粉碎機（天津泰斯特儀器有限公司FZ102）粉碎并過2 mm篩備用。試驗材料的性質(zhì)，全碳、全氮、半纖維素、纖維素、木質(zhì)素的百分含量分別為58.86%、0.59%、27.98%、49.86%、10.03%。

1.1.2 水溶性納米銀

水溶性納米銀購自上海滬正納米科技有限公司，用去離子水配置成質(zhì)量濃度分別為1‰、1%的溶液，備用。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗共設(shè)9個處理，每個處理3次重復(fù)。將處理后的玉米秸稈分別秤取100 g放入200 mL的廣口玻璃瓶中。添加納米銀溶液的量為秸稈質(zhì)量的5%（V/W）。

為了分析秸稈含水率對秸稈儲存的影響，本試驗又設(shè)加水和不加水處理，其中30%和60%分別為秸稈質(zhì)量的百分比（W/W），為了保持含水率基本不變，在試驗進程中每隔3 d用蒸餾水調(diào)整1次。在培養(yǎng)開始時，每個處理中加入5 mL纖維素降解復(fù)合菌系（由本實驗室從土壤中分離）。整個試驗進程均在25℃下進行，每隔7 d取樣1次，試驗進程共持續(xù)60 d。

表1 試驗處理Table 1 Experimental treatment

1.3 元素組成和物質(zhì)成分分析

①全碳的測定：用德國產(chǎn)LiquiTOC測定；②全氮的測定：凱氏定氮法測定。采用F0SS公司的Kjeltec 2300測定；③半纖維素、纖維素和木質(zhì)素的測定：范氏洗滌纖維分析法測定[9]。采用F0SS公司的Fibertec 1020測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel軟件對數(shù)據(jù)進行整理分析后，用SPSS13.0進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 納米銀對玉米秸稈碳元素含量動態(tài)變化的影響

在腐解過程中，秸稈中碳元素含量是逐漸下降的[10]。由圖1、2可知，各個處理的碳元素含量均降低了，但變化速率存在明顯差異。CK6處理的碳元素含量降低值最高，由最初的58.86%降低到56 d后的50.65%；H0處理的碳元素含量降低值最低，由最初的58.86%降低到56 d后的57.46%。56 d 后碳元素含量的降低值為 CK6＞T6＞H6＞CK3＞T3＞CK0＞T0＞H3＞H0，這說明添加納米銀溶液延緩了碳元素含量的降低。從方差分析（采用SPSS軟件13.0進行F檢驗，顯著性水平為0.05，下同）來看，添加1‰的納米銀的F=0.854，P=0.036；添加1%納米銀的F=5.937，P=0.019，因此添加1‰的納米銀和添加1%納米銀對碳元素的含量的影響均差異顯著。秸稈中含水與否也影響了秸稈中碳元素含量的變化。從方差分析上來看，添加1‰的納米銀的F=9.077，P=0.001；添加1%納米銀的F=10.532，P=0.001，因此含水率的高低對碳元素的含量的影響差異極顯著。

2.2 納米銀對玉米秸稈氮元素含量動態(tài)變化的影響

由圖3、4可知，各個處理的氮元素含量均不同程度升高，這與碳元素含量的降低不同。從氮元素含量升高值來看，CK6最大，H0最小。56 d后氮元 素 含 量 的 升 高 順 序 為 CK6＞CK3＞ T6＞CK0＞T3＞H6＞T0＞H3＞H0，56 d 后各個處理氮元素含量的升高同碳元素含量的降低趨勢大致相同。從方差分析來看，添加1‰的納米銀的F=4.771，P=0.034；添加1%納米銀的F=25.563，P=0.001，因而添加1‰的納米銀對氮元素的含量的影響差異顯著，而添加1%納米銀對氮元素的含量的影響差異極顯著。同時，添加1‰的納米銀的F=5.150，P=0.01；添加1%納米銀的F=5.926，P=0.005，說明含水率對氮元素含量的影響差異顯著，因此加水處理影響了氮元素含量的升高，秸稈中水分對其中的元素含量的變化存在影響。

圖1 CK和T處理試驗進程中碳元素動態(tài)變化Fig.1 Changes of C element content of CK and T during testing process

圖2 CK和H處理試驗進程中碳元素動態(tài)變化Fig.2 Changes of C element content of CK and H during testing process

2.3 納米銀對玉米秸稈木質(zhì)纖維素類物質(zhì)含量變化的影響

木質(zhì)纖維素類物質(zhì)含量的變化如圖5所示。

圖3 CK和T處理試驗進程中氮元素動態(tài)變化Fig.3 Changes of N element content of CK and T during testing process

圖4 CK和H處理試驗進程中氮元素動態(tài)變化Fig.4 Changes of N element content of CK and H during testing process

圖5 試驗進程中木質(zhì)纖維素類物質(zhì)含量的變化Fig.5 Changes of cellulose,hemicellulose and lignin contents during testing process

處理56 d后，CK6處理中半纖維素和纖維素含量的變化最明顯，分別由最初的27.98%和49.86%降低到14.79%和37.56%，其次是CK3處理，變化最不明顯的是H0處理，其半纖維素和纖維素由最初的27.98%和49.86%降低到24.95%和48.03%。而木質(zhì)素的百分含量在各個處理中的變化均不明顯，說明了木質(zhì)素的難降解性，這與前人的研究結(jié)果基本一致[11-12]。通過方差分析表明（見表2），添加1‰的納米銀和添加1%納米銀對秸稈中半纖維素（添加1‰的納米銀的F=3.608，P=0.098；添加1%納米銀的F=10.447，P=0.084）、纖維素（添加1‰的納米銀的F=9.536，P=0.091；添加1%納米銀的F=14.767，P=0.062）的影響均為差異顯著，而對木質(zhì)素含量（添加1‰的納米銀的F=4.728，P=0.162；添加1%納米銀的F=8.101，P=0.104）的影響均為差異不顯著。

表2 不同處理對木質(zhì)纖維素含量的方差分析結(jié)果Table 2 The ANOVA of different treatments to the content of lignocellulose

3 討 論

秸稈的主要組成成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，而木質(zhì)纖維素的含量是秸稈轉(zhuǎn)化為能源的主要影響因素。劉吉利等通過對玉米秸稈熱值與其組成成分的研究中發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈的熱值與其纖維素、木質(zhì)素含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系[13]。本試驗發(fā)現(xiàn)：添加納米銀溶液的處理纖維素、半纖維素含量的降低值均顯著低于不添加納米銀溶液的處理，添加和不添加納米銀溶液對木質(zhì)素的含量的影響不顯著，這說明納米銀延緩了秸稈中纖維素和半纖維素含量的降低。C、H、O和N是秸稈的主要化學組成成分，其中C的含量直接影響了秸稈的熱值[14]。在本研究中，發(fā)現(xiàn)添加納米銀溶液的處理C含量的降低值均顯著低于不添加納米銀溶液的處理，這表明納米銀抑制了秸稈中C含量的降低。

納米銀是一種新型、廣譜抗菌劑，已被廣泛應(yīng)用到諸多領(lǐng)域。劉偉等研究了納米銀對幾種常見細菌、酵母菌、霉菌的抑制作用。結(jié)果表明，納米銀對供試的大腸桿菌、枯草芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌、啤酒酵母、假絲酵母、黑曲霉、桔青霉和灰葡萄孢霉等有較為明顯的抑制作用，并且納米銀濃度越高，抑菌率就越高[6]；此外，張文鉦等的研究發(fā)現(xiàn)Ag+可強烈地結(jié)合病原菌的酶蛋白巰基，使酶失活，從而起到殺菌的作用[15]。在本研究中，添加納米銀溶液處理的C含量和纖維素、半纖維素含量降低的速率明顯低于不添加納米銀溶液的處理，而秸稈是被微生物產(chǎn)生的一系列酶降解或轉(zhuǎn)化的，這說明納米銀對環(huán)境中的微生物具有明顯的抑制作用。但由于本文是首次將納米銀應(yīng)用于秸稈防腐方面，因此納米銀在防腐方面應(yīng)用的最適濃度以及作用機理有待進一步研究。另外，秸稈腐解過程中元素和木質(zhì)素含量的變化，受許多因素的影響。由于受客觀試驗條件的限制，本試驗采取在室內(nèi)瓶裝靜態(tài)試驗的的方法對玉米秸稈腐解過程中C、N含量以及木質(zhì)素含量進行了分析，這樣就可能忽略了其他因素對玉米秸稈腐解過程中C、N含量以及木質(zhì)素含量的影響，因此在以后的研究中應(yīng)該盡可能的在多因素控制下探討納米銀對秸稈腐解過程中元素和木質(zhì)素含量的變化的影響。

4 結(jié)論

納米銀是一種新型抗菌劑，本試驗對添加過不同濃度納米銀溶液的玉米秸稈腐解過程中元素和物質(zhì)成分含量的變化進行了分析，從秸稈中元素的動態(tài)變化來看，納米銀對秸稈中碳元素含量的降低具有顯著的抑制作用，特別是其濃度在1%時尤為突出。納米銀溶液的加入也延緩了秸稈中氮元素含量的升高；從秸稈有機成分的變化來看，納米銀對木質(zhì)纖維素類物質(zhì)含量的降低具有明顯的抑制作用。

因此，可以確定，在25℃條件下，納米銀溶液對環(huán)境中的微生物有一定的抑制作用，尤其是納米銀溶液濃度是1%時。此外，秸稈中自身含水量的高低也影響了秸稈中元素和物質(zhì)成分含量的變化。

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