瘤胃微生物在生物質(zhì)廢物資源化領(lǐng)域應(yīng)用研究進(jìn)展

孫衍寧 牛梅紅 張學(xué)金 金光范 李 娜，，* 張 健

( 1. 大連工業(yè)大學(xué)輕工與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧大連，116034； 2. 浙江科技學(xué)院浙江省廢棄生物質(zhì)循環(huán)利用與生態(tài)處理技術(shù)重點實驗室， 浙江杭州，310023)

生物質(zhì)是指利用大氣、水、土地等并通過光合作用而產(chǎn)生的各種有機體，即一切有生命的可以生長的有機物質(zhì)統(tǒng)稱為生物質(zhì)，包括植物、動物和微生物。生物質(zhì)廢物是人類在利用生物質(zhì)的過程中生產(chǎn)和消費產(chǎn)生的廢棄物，它仍然屬于生物質(zhì)的宏觀范疇。根據(jù)不同的來源，可將生物質(zhì)廢物分為3類：城市生物質(zhì)廢物、農(nóng)作物廢物、禽畜糞便。城市生物質(zhì)廢物主要來源于餐廚垃圾、城市污水處理廠污泥等；而農(nóng)作物廢物主要是農(nóng)作物加工剩余物，如秸稈、谷殼、菜葉等。因此，對于城市生物質(zhì)廢物和農(nóng)作物廢物來說，其共同特點是富含大量植物纖維類物質(zhì)，這部分植物纖維類物質(zhì)屬于可再生生物質(zhì)資源，在目前全球能源緊張的大環(huán)境下，如何有效利用植物纖維素類物質(zhì)進(jìn)行能源的轉(zhuǎn)化已成為研究的熱點。全球每年產(chǎn)生大量此類生物質(zhì)廢物，如能有效利用，將對發(fā)展和促進(jìn)生物質(zhì)廢物資源化利用和緩解全球能源緊張具有重大意義。

瘤胃微生物是棲息在反芻類動物瘤胃中的微生物總稱，是迄今為止已知自然界中對植物纖維類物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率最高的天然微生物體系。利用瘤胃微生物這一特點促進(jìn)生物質(zhì)廢物厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的研究已經(jīng)進(jìn)行了幾十年，其卓越的降解能力和產(chǎn)甲烷性能已被多數(shù)實驗印證。本文將從瘤胃微生物對不同種類富纖維素固體廢棄物的水解能力及降解性能、產(chǎn)甲烷效率及厭氧反應(yīng)器研究現(xiàn)狀角度出發(fā)，對近些年來所取得的相關(guān)研究進(jìn)展做部分總結(jié)。

1 瘤胃微生物簡介

瘤胃微生物種類繁多，主要包括細(xì)菌、原蟲、真菌和噬菌體[1]。不同微生物之間互惠互生，處在一種即協(xié)同又制約的動態(tài)平衡下，這些微生物的共同作用能夠有效降解木質(zhì)纖維素類物質(zhì)[2- 3]，生成短鏈脂肪酸，如乙酸、丙酸、正丁酸及異丁酸等[4- 5]。

在植物纖維類物質(zhì)的降解過程中，90%以上的植物纖維是由瘤胃中的細(xì)菌降解并轉(zhuǎn)化生成短鏈脂肪酸和微生物蛋白。瘤胃中的細(xì)菌超過200種，活菌數(shù)高達(dá)1011個/mL[6]，其組成非常復(fù)雜[7]，主要由擬桿菌門、厚壁菌門和變形菌門組成[8]。其中，能分解纖維素的瘤胃細(xì)菌主要有：琥珀色擬桿菌(Bacteroidessuccinogenes)、小生纖維梭菌(Cl.Cellobioparus)、黃色瘤胃球菌(Ruminococcusflavefaciens)、白色瘤胃球菌(Ruminococcusalbus)、小瘤胃桿菌(Ruminobacterparvum)等。這些瘤胃細(xì)菌通過分泌纖維素水解酶來降解纖維素。目前，已從瘤胃細(xì)菌中分離出的纖維素水解酶包括β- 1,4-內(nèi)切葡聚糖酶、纖維二糖水解酶、β-葡糖苷酶等。

另外一種在植物纖維類物質(zhì)降解過程中起重要作用的微生物是瘤胃真菌。瘤胃內(nèi)厭氧真菌有 5 個屬，真菌孢子數(shù)量為 103～105個/mL[6]。由于厭氧真菌在瘤胃內(nèi)存在的百分比不高，僅約8%，因此之前被研究者所忽略。1977 年，Orpin 首次證明厭氧真菌能夠降解植物纖維細(xì)胞壁[9- 10]，之后大量實驗證明：厭氧真菌是食草動物消化道內(nèi)降解木質(zhì)纖維素最有效的微生物類群[11]。瘤胃真菌是專性厭氧菌，在降解植物纖維類物質(zhì)過程中可附著在植物木質(zhì)化組織上，真菌假根可刺穿并深入到植物纖維細(xì)胞壁內(nèi)，降低植物纖維組織的內(nèi)部張力，同時借助水解酶尤其是木質(zhì)纖維素降解酶對植物纖維細(xì)胞壁進(jìn)行消化，從而達(dá)到對植物纖維細(xì)胞壁的深度降解[12]。厭氧真菌作為植物木質(zhì)化組織的主要附著者[13]，與整個瘤胃微生物系統(tǒng)相比，也具有與之幾乎相同的附著葉片、降解纖維的速率和程度[14]。

2 瘤胃微生物在生物質(zhì)廢物資源化應(yīng)用中的研究進(jìn)展

生物質(zhì)廢物中因富含纖維類物質(zhì)而具有潛在的能源價值。在面臨礦產(chǎn)資源枯竭、環(huán)境污染日益嚴(yán)重的背景下，生物質(zhì)廢物的資源化不僅可解決其污染問題，更能夠有效開發(fā)利用其中的能源，因此成為世界各國政府和科學(xué)家關(guān)注的熱點[15]。

瘤胃微生物因具有卓越的植物纖維類物質(zhì)降解能力而在生物質(zhì)廢物資源化研究中備受關(guān)注。國內(nèi)外學(xué)者對瘤胃微生物體外降解生物質(zhì)廢物進(jìn)行了大量研究，為瘤胃微生物厭氧消化生物質(zhì)廢物產(chǎn)甲烷工藝奠定了一定的理論基礎(chǔ)，研究內(nèi)容主要集中在以下幾方面。

2.1 瘤胃微生物對不同生物質(zhì)廢物的降解性能研究進(jìn)展

Ganesh G等[16]通過向厭氧反應(yīng)器污泥中加入一定量的瘤胃微生物，加速了城市生物質(zhì)廢物的水解，反應(yīng)器上層水解液中COD、揮發(fā)性脂肪酸等產(chǎn)量都高于未添加瘤胃微生物的反應(yīng)器。Williams Allan G等[17]通過在試管中進(jìn)行的厭氧消化海藻產(chǎn)甲烷實驗發(fā)現(xiàn)，瘤胃微生物種群或分離出的代表性微生物產(chǎn)生的酶能夠促進(jìn)海藻的水解，提高利用海藻生產(chǎn)甲烷的效率。研究結(jié)果表明，瘤胃微生物能夠適應(yīng)外界環(huán)境的改變，其復(fù)雜多變的酶系使其能夠保持高效水解木質(zhì)纖維素的能力。Gijzen Huub J等[18]對利用瘤胃微生物厭氧發(fā)酵制漿造紙廠污泥進(jìn)行了研究；研究發(fā)現(xiàn)，瘤胃微生物能夠提高污泥的降解效率，在污泥停留時間僅為60 h，高進(jìn)料負(fù)荷34.4 g/(L·d) 的情況下，污泥的降解效率能達(dá)到60%～70%，其中木質(zhì)素降解率能達(dá)到48%；同時研究還發(fā)現(xiàn)，瘤胃微生物中內(nèi)毛蟲類纖蟲種群在生物污泥細(xì)胞的溶解中起到主要作用，而兩腰纖毛蟲屬種群在木質(zhì)纖維素類底物的降解中起主要作用。Yue Zheng-Bo等[19]對瘤胃微生物和傳統(tǒng)消化池污泥兩者的厭氧消化能力進(jìn)行了對比，在對原蘆葦和蒸汽爆破后的蘆葦都進(jìn)行厭氧消化實驗后發(fā)現(xiàn)，無論是對于原蘆葦還是蒸汽爆破后的蘆葦，瘤胃微生物的降解效率均高于傳統(tǒng)消化池污泥的降解效率。Zhao Bai-Hang等[20]對瘤胃微生物厭氧消化香蒲過程中木質(zhì)纖維素的降解動力學(xué)進(jìn)行了研究，建立了其降解動力學(xué)模型。Hu Zhen-Hu等[21]實驗發(fā)現(xiàn)，香蒲經(jīng)微波預(yù)處理后可以提高其在瘤胃微生物中的降解效率。Jin Wenyao等[22]研究了在試管中利用瘤胃微生物厭氧消化玉米秸稈；結(jié)果顯示，干物質(zhì)消化率達(dá)到73.76%，乙酸產(chǎn)量為1756 mg/L，并提出了這是一種非常經(jīng)濟有效的玉米秸稈處理方法。Gijzen等[23]研究了含有大量無機物質(zhì)的造紙廠污泥的厭氧消化情況，盡管底物中含有約58%的無機物，在接種了瘤胃微生物的反應(yīng)器中，污泥的水解率和產(chǎn)酸率都很高，在污泥負(fù)荷為34.2 g/(L·d)和固體停留時間為51 h時，中性洗滌纖維的降解率達(dá)62%。

2.2 瘤胃微生物對不同生物質(zhì)廢物產(chǎn)氣、產(chǎn)甲烷性能研究進(jìn)展

沼氣是厭氧消化的最終產(chǎn)物，通常由氫氣、二氧化碳和甲烷組成，其中甲烷是沼氣利用的主要有效成分。Yerima M等[24]研究了利用瘤胃微生物降解水生植物水葫蘆；實驗表明，1 g絕干水葫蘆經(jīng)瘤胃微生物厭氧發(fā)酵后產(chǎn)氣量可高達(dá)145 cm3。Aragaw Tamrat等[25]研究了利用瘤胃微生物處理牛糞和餐廚垃圾的混合物；結(jié)果表明，其甲烷的產(chǎn)量較傳統(tǒng)厭氧反應(yīng)池能提高24%～47%。Baba Yasunori等[26]開展了利用瘤胃微生物厭氧發(fā)酵廢紙以提高甲烷產(chǎn)量的研究；研究結(jié)果表明，在37℃下利用瘤胃微生物分別處理廢紙6 h和24 h后，產(chǎn)生了多種揮發(fā)性脂肪酸，其中乙酸的含量最高；在20天的半連續(xù)產(chǎn)甲烷實驗中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)6 h瘤胃微生物處理后廢紙單日產(chǎn)甲烷量最高，其產(chǎn)量是未經(jīng)瘤胃微生物處理廢紙的2.6倍，達(dá)到了理論甲烷產(chǎn)量的73.4%，并且經(jīng)過瘤胃微生物處理后，廢紙中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的降解率都有所提高。以上研究結(jié)果與Yu Han-Qing等[27]的觀點一致，其認(rèn)為瘤胃微生物發(fā)酵系統(tǒng)是富產(chǎn)甲烷發(fā)酵系統(tǒng)。

2.3 瘤胃微生物用厭氧反應(yīng)器研究進(jìn)展

厭氧反應(yīng)器是實現(xiàn)厭氧消化的重要設(shè)備，近幾十年，瘤胃微生物厭氧消化反應(yīng)器也成為了研究的熱點。連續(xù)流厭氧反應(yīng)器是早期應(yīng)用在瘤胃微生物厭氧消化研究中的一種反應(yīng)器，Kistner A等[28]應(yīng)用連續(xù)流厭氧反應(yīng)器對瘤胃微生物厭氧消化植物纖維進(jìn)行了定量研究。Yue Z-B等[27]指出， 研究瘤胃微生物新陳代謝時，連續(xù)流反應(yīng)器是比封閉孵化反應(yīng)器更接近試管實驗的一種方法。Barnes S等[29]開發(fā)了一種針對于瘤胃微生物接種液的厭氧序批反應(yīng)器；研究發(fā)現(xiàn)，長固體停留時間(SRT)有利于增加反應(yīng)器內(nèi)瘤胃微生物數(shù)量，而短水力停留時間(HRT)有助于減輕消化液中揮發(fā)性脂肪酸累積引起的酸化抑制作用。這些研究結(jié)果都為后續(xù)厭氧消化反應(yīng)器的設(shè)計指明了方向。在此基礎(chǔ)上，Hu Z-H等[30]開發(fā)了一種改進(jìn)的上流式厭氧污泥床反應(yīng)器，其通過控制進(jìn)料泵和固體排出泵實現(xiàn)了HRT和SRT的單獨控制，該系統(tǒng)能夠保持高瘤胃微生物數(shù)量，為瘤胃微生物厭氧消化系統(tǒng)的工業(yè)化應(yīng)用奠定了一定基礎(chǔ)。

3 結(jié) 語

瘤胃微生物是非常古老、復(fù)雜且功能強大的微生物共生體系。迄今為止，人們對于瘤胃微生物的研究還在不斷的進(jìn)行和深入。其具有強大的植物纖維類物質(zhì)降解能力及高效的產(chǎn)甲烷系統(tǒng)，因此在處理固體生物質(zhì)廢物中顯示出了卓越的性能和良好的應(yīng)用前景。但瘤胃微生物對富木質(zhì)纖維素生物質(zhì)廢物消化過程中的微生物演替規(guī)律及其對木質(zhì)纖維素降解的影響機制、降解木質(zhì)纖維素優(yōu)勢菌群等問題還需進(jìn)一步探究。研究結(jié)果將對實現(xiàn)瘤胃微生物功能菌劑的制備、加速生物質(zhì)廢物的資源化和無害化具有重大的推進(jìn)作用。

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