利用白腐真菌處理稻草秸稈的研究進(jìn)展

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院 韋麗敏 喬 梁

江蘇畜牧獸醫(yī)學(xué)院動(dòng)物科技學(xué)院 張 力＊ 張君勝 楊曉志

白腐真菌作為能徹底降解木質(zhì)素的微生物，已引起高度重視。利用白腐真菌生物降解秸稈對(duì)于擴(kuò)大飼料來(lái)源，減少環(huán)境污染，均具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。Zadrazil等（1982）研究了200多種白腐真菌后發(fā)現(xiàn)，有幾十種白腐真菌能夠顯著的改善秸稈的適口性，提高木質(zhì)素的降解率，大幅度提高秸稈瘤胃干物質(zhì)消化率（40%～60%）。楊國(guó)金和李育質(zhì)（1993）用白腐真菌等多種菌分別接種稻草、小麥秸、玉米芯粉，在20～30℃條件下培養(yǎng)7～10 d，發(fā)酵后秸稈的粗纖維降解率提高了19.0%～37.9%，粗蛋白質(zhì)增加了近1倍左右，同時(shí)還產(chǎn)生一些氨基酸和維生素。因此，深入研究白腐真菌處理秸稈的技術(shù)途徑，對(duì)我國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展、生存環(huán)境的保護(hù)與凈化以及粗飼料緊缺問(wèn)題的解決等方面均具有十分重要的意義。

1 白腐真菌降解木質(zhì)素的作用機(jī)制

白腐真菌對(duì)木質(zhì)素的降解是一個(gè)以自由基為基礎(chǔ)的鏈反應(yīng)過(guò)程。反應(yīng)的啟動(dòng)者是過(guò)氧化物酶（木質(zhì)素過(guò)氧化物酶、錳過(guò)氧化物酶和漆酶）。先是木質(zhì)素解聚，形成許多具有高度活性的自由基中間體，然后以鏈?zhǔn)椒磻?yīng)方式產(chǎn)生許多不同的自由基，導(dǎo)致各種連接鍵斷裂，使木質(zhì)素解聚成各種低分子量片段，再經(jīng)完全徹底氧化直到降解成CO2。這種自由基反應(yīng)是高度非特異性和無(wú)立體選擇性的，正好對(duì)應(yīng)與木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的多變性，才能完成這種異質(zhì)大分子高聚物的瓦解。

白腐真菌降解秸桿的具體過(guò)程是在適宜的條件下，白腐真菌的菌絲首先用其分泌的超纖維氧化酶溶解秸稈表面的蠟質(zhì)，然后菌絲進(jìn)入到秸稈內(nèi)部，合成多種酶，同時(shí)分泌到細(xì)胞外，構(gòu)成降解系統(tǒng)的主要成分。其中關(guān)鍵的兩類過(guò)氧化物酶是木質(zhì)素過(guò)氧化物酶和錳過(guò)氧化物酶，在分子氧的參與下，依靠自身形成的H2O2，觸發(fā)啟動(dòng)一系列自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)木質(zhì)素?zé)o特異性的徹底氧化，從而使秸稈變得易于消化吸收（Andrzej等，1999）。用白腐真菌處理秸稈時(shí)，秸稈無(wú)需進(jìn)行化學(xué)或物理的預(yù)處理。

2 白腐真菌在秸稈養(yǎng)畜中的應(yīng)用

2.1 提高秸稈的利用率 閩曉梅和孟慶翔（2000）研究表明，白腐真菌可使秸稈中木質(zhì)素降解率達(dá)到40%～60%，纖維素和半纖維素降解率達(dá)到20%～40%，干物質(zhì)損失10%～40%。用白腐真菌發(fā)酵切碎的麥秸，一個(gè)月后不僅粗蛋白質(zhì)含量有所提高，且秸稈的消化率可提高2～3倍。用白腐真菌發(fā)酵稻草時(shí)，發(fā)酵后其木質(zhì)素含量降低13.7%～29.9%，蛋白質(zhì)含量增加24.6%～72.4%（閩曉梅和孟慶翔，2000）。由于大部分木質(zhì)素被降解或破壞，秸稈質(zhì)地變?nèi)彳?，適口性改善，明顯提高了秸稈的體外干物質(zhì)消化率。

2.2 混菌發(fā)酵生產(chǎn)蛋白質(zhì)飼料 應(yīng)用白腐真菌處理秸稈，可以提高秸稈的利用率，但是一些降解產(chǎn)物仍得不到充分的利用。利用白腐真菌降解秸稈木質(zhì)素的能力和其他微生物發(fā)酵生產(chǎn)蛋白質(zhì)飼料或單細(xì)胞蛋白（SCP）的能力，進(jìn)行混菌發(fā)酵可生產(chǎn)蛋白質(zhì)飼料。陳慶森等（1999）以玉米秸稈為原料，利用多菌種混合發(fā)酵，經(jīng)測(cè)定發(fā)酵液中玉米秸稈的纖維素利用率達(dá)70%，粗蛋白質(zhì)得率在23%以上，大大提高了玉米秸稈的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。趙華等（2004）以酒糟和稻草為基質(zhì)進(jìn)行混菌發(fā)酵，分別比較了白腐菌單菌發(fā)酵、酵母菌單菌發(fā)酵和二者混菌發(fā)酵對(duì)蛋白質(zhì)含量的影響。結(jié)果表明，混菌發(fā)酵對(duì)蛋白質(zhì)提高的貢獻(xiàn)最大。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)白腐菌培養(yǎng)20 d后接入酵母可使蛋白質(zhì)含量達(dá)到6.45%。楊琳等（2000）試驗(yàn)表明，混菌發(fā)酵玉米秸稈不僅降低了木質(zhì)素的含量，同時(shí)提高了秸稈中蛋白質(zhì)的含量，從而證明了可以利用木質(zhì)素降解菌和其他微生物混合發(fā)酵秸稈生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)飼料。

3 白腐真菌降解秸稈的影響因素

目前的研究發(fā)現(xiàn)，影響白腐真菌對(duì)秸稈飼料有效利用的主要因素有：（1）白腐真菌菌種的選擇；（2）酸堿度；（3）碳源、氮源的選擇與限制培養(yǎng)；（4）在固體發(fā)酵中，培養(yǎng)物的氣體交換；（5）氣體在培養(yǎng)料中的穿透與擴(kuò)散；（6）白腐真菌開始生長(zhǎng)時(shí)需要基質(zhì)無(wú)菌和高度需氧環(huán)境。但實(shí)際生產(chǎn)中最主要的影響因素是以下幾個(gè)方面：

3.1 秸稈成分 碳元素和氮元素是構(gòu)成生命體的兩大基本元素。白腐真菌降解處理的秸稈需要為白腐真菌提供所需要的碳源和氮源，以保證白腐真菌的生命活動(dòng)。而對(duì)碳源和氮源的需要量，因白腐真菌菌種或生長(zhǎng)階段的不同而有差異。范寰等（2010）對(duì)兩種白腐真菌共同培養(yǎng)進(jìn)行了多組不同碳氮比的試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比得到了木質(zhì)素過(guò)氧化物酶、錳過(guò)氧化物酶和漆酶最佳活力的碳氮比，以及木質(zhì)素降解率最高的碳氮比。這表明碳氮比可以影響到白腐真菌酶活力，并且因碳氮比的不同而對(duì)木質(zhì)素產(chǎn)生不同的降解效果。由氣候和地理位置所導(dǎo)致的秸稈本身化學(xué)組成上的差異，也會(huì)對(duì)白腐真菌降解處理的效果產(chǎn)生一定影響。Arora和Sharma（2009）報(bào)道，來(lái)自 CZ（地區(qū)）（15 ～ 35 ℃）的小麥秸稈與 NEPZ（地區(qū)）（0～20℃）相比，木質(zhì)素含量較高并且消化率較低，僅短孢射脈菌不受因地域和氣候差異導(dǎo)致的小麥秸稈化學(xué)組成差異的影響，可提高小麥秸稈的體外消化率，而其他菌種表現(xiàn)較差。

3.2 溫度 由于溫度會(huì)影響白腐真菌菌體自身的生長(zhǎng)、繁殖，胞外酶的分泌以及胞外酶的活力，因此是影響降解的另一個(gè)至關(guān)重要的因素。溫度過(guò)高或過(guò)低，均會(huì)影響菌體的生長(zhǎng)和秸稈中木質(zhì)素的降解率。劉敏等（2008）研究了側(cè)耳在不同溫度下處理玉米秸稈后NDF和ADF的含量的差異變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，20～24℃為較適合側(cè)耳生長(zhǎng)的溫度，NDF和ADF降解率較高，而16℃研究低于該范圍，NDF和ADF降解率較低。

3.3 處理時(shí)間 合適的降解處理時(shí)間對(duì)于有效提高粗飼料的利用率意義重大。荊義等（2008）研究發(fā)現(xiàn)，在側(cè)耳菌降解玉米秸稈的過(guò)程處理中，隨時(shí)間的推移，NDF均呈下降趨勢(shì)，并且體外干物質(zhì)消化率均呈上升趨勢(shì)。這是由于處理時(shí)間過(guò)短，木質(zhì)素屏障無(wú)法被充分破壞；而時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，又會(huì)導(dǎo)致暴露的纖維素被降解，造成較大的營(yíng)養(yǎng)損失。任克寧等（2009）在糙皮側(cè)耳降解玉米秸稈的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，酸性洗滌木質(zhì)素（ADL）的降解發(fā)生在5～10 d，這表明此階段是木質(zhì)素分解酶大量分泌的時(shí)期。此后，酶逐漸失活，新酶分泌量減少以及代謝產(chǎn)物累積，造成ADL降解率速度減慢。另外，酸堿度、通氣量和氧分壓等條件也會(huì)對(duì)白腐真菌降解產(chǎn)生影響。

4 實(shí)際生產(chǎn)中需解決的問(wèn)題和應(yīng)用前景

國(guó)內(nèi)外有關(guān)利用白腐真菌降解處理秸稈的研究已經(jīng)開展多年，但是要真正做到利用白腐真菌大規(guī)模處理秸稈，生產(chǎn)飼料服務(wù)于畜牧生產(chǎn)，還需要很長(zhǎng)的一段路。今后，可在以下三個(gè)方面重點(diǎn)開展研究：使用物理和化學(xué)方法，利用野生型白腐真菌選育降解能力更加優(yōu)良的白腐真菌。Vijaya等（2009）利用經(jīng)紫外線和 X射線誘變處理得到的側(cè)耳，處理一種以稻秸等粗飼料組成的反芻動(dòng)物飼料，不僅木質(zhì)素?fù)p失量比野生型側(cè)耳高，而且紫外線誘變型的粗蛋白質(zhì)含量提高。（2）利用兩種或者兩種以上的白腐真菌復(fù)合發(fā)酵處理秸稈，利用不同菌種產(chǎn)生的酶協(xié)同作用，可以起到提高粗飼料消化率的作用。張洪生等（2009）研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合菌種發(fā)酵后的小麥秸稈木質(zhì)素降解率、NDF消化率和干物質(zhì)瘤胃消化率與單一菌種相比，分別提高了7.7%、14%和11%。范寰等（2010）利用兩種白腐真菌降解麥秸木質(zhì)素，發(fā)酵后木質(zhì)素含量提高了60.71%。此外，還可以將某種白腐真菌和其他種類的微生物進(jìn)行混菌發(fā)酵，這樣在白腐真菌降解木質(zhì)素的同時(shí)，還可以利用另一種微生物的發(fā)酵，提高粗蛋白質(zhì)或者可溶性糖類的含量。秦濤等（2010）研究表明，利用綠色木霉和黃孢原毛平革菌兩種微生物混合發(fā)酵處理秸稈，粗纖維的利用率達(dá)到69%。（3）從青貯和微貯等大規(guī)模處理秸稈的方法中借鑒經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)白腐真菌菌種自身特點(diǎn)，逐步探索大規(guī)模降解處理秸稈的技術(shù)。但目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究報(bào)道較少。

此外，目前有關(guān)利用白腐真菌提高秸稈營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的研究大多限于實(shí)驗(yàn)室。通常，處理前均對(duì)秸稈進(jìn)行滅菌處理，排除雜菌的干擾。但在實(shí)際生產(chǎn)中由于存在著大量霉菌和其他雜菌，在氧氣含量、溫度和濕度等適宜條件下，雜菌會(huì)迅速生長(zhǎng)，競(jìng)爭(zhēng)性抑制白腐真菌的正常生長(zhǎng)，使秸稈發(fā)霉變質(zhì)，從而影響白腐真菌處理秸稈的效果，這是當(dāng)前限制白腐真菌在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的重要因素之一。考慮到成本和操作方便，最切實(shí)可行的措施有以下兩種：（1）通過(guò)菌種篩選和選育，找到能在通常條件下迅速生長(zhǎng)，在與雜菌競(jìng)爭(zhēng)中可處于生物量絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的優(yōu)良品種；（2）在生產(chǎn)操作中，適當(dāng)增加白腐真菌接種劑量。

從秸稈處理發(fā)展的趨勢(shì)來(lái)看，由于白腐真菌處理秸稈具有能大幅度提高秸稈瘤胃干物質(zhì)消失率、能耗小、成本低、無(wú)污染、對(duì)家畜基本無(wú)危害等優(yōu)點(diǎn)，隨著研究的深入和技術(shù)的進(jìn)步，一旦幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)被攻克，白腐真菌將可廣泛地應(yīng)用于處理低質(zhì)的農(nóng)作物秸稈，使其變成反芻動(dòng)物合適的能量飼料，促進(jìn)草食家畜業(yè)的發(fā)展。

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