秸稈的微生物處理處置及強(qiáng)化技術(shù)研究進(jìn)展

孫麗娜, 馬欣雨, 劉克斌, 鄭學(xué)昊, 張鴻齡, 榮璐閣

(沈陽大學(xué) a. 區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, b. 環(huán)境學(xué)院, 遼寧 沈陽 110044)

1 秸稈資源概述

我國是農(nóng)業(yè)大國,2016年糧食產(chǎn)量達(dá)到6.16×108t,其中谷物占83.49%,高產(chǎn)的背后,意味著大量秸稈類農(nóng)業(yè)固體廢棄物的產(chǎn)生.秸稈固廢問題是全球性問題,有報(bào)道指出全球每年秸稈產(chǎn)生總量約為70×108t[1],根據(jù)我國農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計(jì),2015年我國主要農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量居世界第一位,已經(jīng)超過了9×108t[2].我國不同種類秸稈年產(chǎn)量占總秸稈產(chǎn)量比例如圖1所示[3],其中玉米、水稻、小麥3者總量之和所占比例為總產(chǎn)量的86%.在空間分布上如圖2所示[3],其中55%以上的秸稈集中在我國的中東部地區(qū),如河南、四川、山東等省份,而西北地區(qū)的秸稈分布量較少[4].總體來說,我國秸稈分布的主要特點(diǎn)是中東部地區(qū)較集中,沿海和西部地區(qū)較少,秸稈的種類與數(shù)量也存在較大差異,而且農(nóng)作物品種和產(chǎn)地不同,各組分的含量也存在著一些差異,秸稈中的難降解物質(zhì)主要為木質(zhì)纖維素類物質(zhì)包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等,由于木質(zhì)纖維素類物質(zhì)分子量高,且具有相對穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu),在自然環(huán)境中很難降解.目前由于技術(shù)缺乏造成秸稈資源利用乏力進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境壓力,秸稈處置問題是我國乃至世界面臨的難題,因此應(yīng)繼續(xù)開發(fā)秸稈利用技術(shù)對秸稈進(jìn)行處置或利用[5].

圖1 我國秸稈組成Fig.1 The composition of crop straw in China

圖2我國秸稈分布
Fig.2 The distribution of crop straw in China

2 秸稈資源利用現(xiàn)狀

秸稈是放錯(cuò)位的資源,早年間就已出現(xiàn)秸稈資源化技術(shù),例如秸稈沼氣、堆肥及用作工業(yè)原料等.但大部分秸稈由于耕作者在實(shí)際生產(chǎn)中趕農(nóng)時(shí)、搶播種的原因,處理方式主要為就地集中焚燒[6],在東北等地區(qū)其主要是被用作冬季取暖的燃料.秸稈燃燒產(chǎn)生了大量煙霧和細(xì)微灰塵,其中包含苯并芘、二噁英等有害致癌物質(zhì),嚴(yán)重影響了空氣質(zhì)量,進(jìn)而威脅人體健康.近年來,關(guān)于禁止焚燒秸稈的法律法規(guī)相繼出臺(tái),過去的技術(shù)由于地域氣候的限制和可處理量低等原因,已不適合對大量秸稈進(jìn)行生態(tài)化處理.目前對于農(nóng)業(yè)秸稈無害化處理的技術(shù)較為缺乏,前人對秸稈的研究主要集中在秸稈資源化的研究上.

2.1 物理化學(xué)技術(shù)處理及其應(yīng)用

(1) 用作畜牧飼料.隨著我國畜牧業(yè)的快速發(fā)展,飼料資源短缺問題日益凸顯,并逐漸成為畜禽養(yǎng)殖過程中急需改善或解決的核心問題.秸稈機(jī)械化粉碎后經(jīng)腐化處理,加工成塊狀或粒狀,制成飼料[7],在一定程度上緩解了飼料資源短缺的壓力.但不同部位的秸稈營養(yǎng)價(jià)值不同,例如,在玉米秸稈中,葉、苞葉和莖髓的營養(yǎng)價(jià)值優(yōu)于其他部位[8].

(2) 制備化工產(chǎn)品.秸稈通過處理、水解、發(fā)酵等過程可制備工業(yè)乙醇和生物乙醇等.近年來,由于我國各大能源消費(fèi)量增加,新的產(chǎn)能技術(shù)研究等相關(guān)投入不斷加大,秸稈制備生物乙醇技術(shù)由于制備材料廉價(jià)易得,受到了眾多研究者的關(guān)注,但其生產(chǎn)過程較為復(fù)雜,目前使用秸稈制備乙醇是國內(nèi)外研究的熱門領(lǐng)域[9].微波加熱的原理是物體吸收微波能,使物體內(nèi)部偶極分子做連續(xù)高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng),經(jīng)加熱而運(yùn)動(dòng)的分子間相互碰撞產(chǎn)生大量摩擦熱量,微波能被轉(zhuǎn)換成了熱能,秸稈在微波處理過程中,纖維素分子間連接的氫鍵發(fā)生部分?jǐn)嗔?生成的粉末沒有脹潤性[10].經(jīng)微波預(yù)處理過的纖維素,其反應(yīng)活性和可及性明顯增加,故微波處理能夠有效提高基質(zhì)濃度,得到較高濃度的糖化液,處理時(shí)間短,操作簡單[11].對秸稈進(jìn)行微波輻射能夠促進(jìn)秸稈降解,有研究報(bào)道在輻照功率700 W條件下處理6 min,原料中的纖維素降解率可達(dá)到93.76%,產(chǎn)糖率可達(dá)到37.68%[12].

另外,隨著生物質(zhì)固體廢物的增多和目前土壤污染問題的日益嚴(yán)峻,實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)資源的合理利用已成為當(dāng)前學(xué)者的研究熱點(diǎn),催化熱解被認(rèn)為是改變生物質(zhì)熱解條件及熱解產(chǎn)物分布和性質(zhì)的最有效辦法.秸稈熱裂解的原理在于高溫使秸稈中木質(zhì)素結(jié)晶度降低,從而達(dá)到提高秸稈消化率、利用率的目的[13].近年來,有許多研究者利用秸稈高溫?zé)峤?、裂解方式制備生物?由于其具有造價(jià)低廉、制備技術(shù)簡單的特點(diǎn),在活性炭市場有較大的發(fā)展空間.郭平利用秸稈在550 ℃條件下制備的生物炭達(dá)到最優(yōu)吸附性能[14],有研究已經(jīng)驗(yàn)證了生物質(zhì)制備的生物炭在向土壤中施加后可以改善土質(zhì),進(jìn)而促進(jìn)植物生長[15].楊建成等借助催化劑對高粱秸稈進(jìn)行雙熱解處理(熱解+裂解),發(fā)現(xiàn)高溫2段熱裂解能夠有效地促進(jìn)焦油裂解重整,顯著增加H2產(chǎn)率[16].

2.2 生物技術(shù)處理及其應(yīng)用

(1) 沼氣制備.秸稈制備沼氣技術(shù)曾在我國南方及西部地區(qū)進(jìn)行過較廣泛的推廣,在東北地區(qū)因?yàn)榈赜颉夂虻仍?微生物發(fā)酵效率較低.較新的科研成果表明,其制沼氣處理單元和輔助單元加劇了全球變暖趨勢,而且在發(fā)酵過程中伴隨電力消耗及有機(jī)副產(chǎn)品的產(chǎn)生,實(shí)際產(chǎn)生的凈效益較低[17].

(2) 用做食用菌基質(zhì).將農(nóng)作物秸稈粉碎用作養(yǎng)殖食用菌基質(zhì)是一項(xiàng)新型食品方面相關(guān)技術(shù).有研究者用棉花秸稈分別選香菇和平菇供接種培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)兩菌種均能夠降低培養(yǎng)基中的纖維素成分,提高粗蛋白含量和干物質(zhì)消化率[18],此類研究也為真菌消化秸稈纖維素提供思路.宋海燕在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),用油菜秸稈栽培食用菌金針菇,實(shí)驗(yàn)中菌絲生長良好、快速,而且出菇率和產(chǎn)量均較理想,并且利用油菜秸稈作為原材料,價(jià)格合理、生產(chǎn)周期相對較短,具有一定經(jīng)濟(jì)效益[19].此類應(yīng)用雖然是秸稈資源化的一項(xiàng)重要舉措,但使用量小,無法成為主要的秸稈消耗方法.

(3) 秸稈腐熟堆肥.秸稈用作肥料具有腐熟周期短、產(chǎn)量高等優(yōu)點(diǎn),相對于物理和化學(xué)應(yīng)用節(jié)省人力物力、安全環(huán)保,且成本較低[20],秸稈中有機(jī)物質(zhì)腐殖化后,其中的微量元素、有機(jī)物以及速效N、P、C還能夠回歸土壤、增加土壤肥力、避免二次污染,符合綠色環(huán)境發(fā)展要求[6].其主要問題在于操作條件較為嚴(yán)格且纖維素降解率低[21],但這種利用微生物降解秸稈是未來秸稈無害化處理的一個(gè)重要研究思路.

3 秸稈微生物降解

通過對比上述技術(shù)可以發(fā)現(xiàn),物化技術(shù)對秸稈降解的環(huán)境要求較為苛刻,需要耗費(fèi)一定的人力物力,且成本較高,并且有些方法還伴隨著大量副產(chǎn)品的產(chǎn)生,破壞土壤中的部分有機(jī)質(zhì),隨之而來的是農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量嚴(yán)重下降.上述問題使國家和社會(huì)越來越重視農(nóng)作物秸稈的處理,秸稈還田的重要性逐漸體現(xiàn)出來.而生物應(yīng)用的主要問題在于秸稈的消耗量較小,不適合大面積秸稈的綜合處理.近年來微生物秸稈降解技術(shù)在國內(nèi)外被廣泛報(bào)道,環(huán)境中的微生物具有分布廣泛、種類繁多、數(shù)量巨大、功能多樣等特點(diǎn),因此,利用微生物處理農(nóng)作物秸稈后再還田,不僅使農(nóng)作物秸稈中的纖維素、半纖維素分解為可溶性的糖類,秸稈中的木質(zhì)素經(jīng)過微生物降解后,大大提高了秸稈消化率[22],而且將分解后的糖類、有機(jī)物質(zhì)等繼續(xù)還田有利于提高土壤質(zhì)量,符合綠色可持續(xù)發(fā)展理念,逐漸成為秸稈生態(tài)處理的研究前沿.

3.1 秸稈降解菌種類

由于秸稈主要組成物質(zhì)分子量大且質(zhì)地細(xì)密,微生物難以通過胞吞的方式將其轉(zhuǎn)移至細(xì)胞膜內(nèi)進(jìn)而進(jìn)行代謝,所以秸稈一般被微生物胞外分泌的纖維素酶氧化分解,目前被發(fā)現(xiàn)可以降解纖維素類物質(zhì)的微生物有細(xì)菌和真菌[23].細(xì)菌包括:芽孢桿菌(Bacillus)[24]、纖維桿菌(Cellulomonus)、梭狀芽孢桿菌(Clostridium)[25]、噬纖維菌(Cytophaga),熱桿菌(Caldibacillus)[26],生孢嗜纖維菌(Sporacytophga) 等[27].真菌包括:木霉(Trichderma),青霉(Penicillium),毛殼霉(Chaetomium)、曲霉(Aspergillus)、根霉(Rhizopus)、草酸青霉(Penicillium)、白腐真菌(Phanerochaete)和康氏木酶(Trichodermakoniggi)等[28],它們被應(yīng)用于工業(yè)酶的生產(chǎn)中,促進(jìn)纖維素降解,以提高纖維素類物質(zhì)的資源轉(zhuǎn)化率.

3.2 秸稈微生物降解機(jī)理

秸稈組成中主要含有纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和少量脂肪、蛋白質(zhì)、醛、酮、醇類、有機(jī)酸等[29].其中,半纖維素和木質(zhì)素通過共價(jià)鍵連結(jié)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),將纖維素包裹起來,要降解纖維素就要先打破由半纖維素和木質(zhì)素組成的“保護(hù)網(wǎng)”,需要不同的酶系,下文將分別對纖維素、木質(zhì)素和半纖維素的降解酶學(xué)機(jī)理進(jìn)行說明.

(1) 纖維素的結(jié)構(gòu)及生物降解.纖維素是由多個(gè)葡萄糖分子通過β-1,4-糖苷鍵連接而成的直鏈高分子化合物,具有結(jié)構(gòu)致密、排列有序等特點(diǎn)[30].在植物細(xì)胞壁中,纖維素以分子絲形式存在,包埋于半纖維素和木質(zhì)素形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中,因而具有不溶于水且無還原性的穩(wěn)定化學(xué)性質(zhì),也很難發(fā)生水解反應(yīng),只有在催化劑的作用下,水解反應(yīng)才顯著進(jìn)行.可見其降解是極其困難的.

纖維素的降解是CX酶(內(nèi)切型葡聚糖酶),C1酶(外切型葡聚糖酶)和Ch酶(β-葡萄糖昔酶)等酶協(xié)同作用的結(jié)果[31],內(nèi)切葡聚糖酶的主要作用是為外切葡萄糖酶及β-葡萄糖苷酶創(chuàng)造酶切位點(diǎn),通過隨機(jī)水解β-1,4-糖苷鍵過程中截?cái)嚅L鏈纖維素分子,同時(shí)暴露出大量帶有非還原性末端的小分子纖維素,隨后外切葡聚糖酶作用于這些纖維素線狀分子末端,切下纖維二糖分子,再由β-葡萄糖苷酶將其水解成葡萄糖分子[32].

(2) 半纖維素的結(jié)構(gòu)及生物降解.半纖維素是秸稈木質(zhì)纖維素中的第2大成分,廣泛存在于植物中,含量略少于纖維素,在單子葉植物的葉中含量尤其高,可達(dá)80%～85%[33].半纖維素的結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜,是植物細(xì)胞壁的重要組成部分,它是由五碳糖,六碳糖等幾種不同類型的單糖構(gòu)成的異質(zhì)多聚體,包括木糖、半乳糖和阿拉伯糖等,其單糖之間通過共價(jià)鍵、氫鍵、醚鍵和脂鍵相連接,它們與壁酶、纖維素、果膠伸展蛋白等其他結(jié)構(gòu)蛋白構(gòu)成具有一定硬度和彈性的植物細(xì)胞壁.同時(shí),半纖維素將纖維素連成微纖絲,并將其與木質(zhì)素相連,為細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提供了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)連接,因而呈現(xiàn)較穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)[34].

自然界中半纖維素分解較快,纖維素的分解一般發(fā)生在已經(jīng)有較多的半纖維素被分解以后.但從最終的分解程度上來看,纖維素分解較徹底,而半纖維素則往往會(huì)殘留一些抵抗性的難分解部分.原因在于大部分具有降解纖維素能力的微生物,一般都能夠分解半纖維素,并且其胞外酶活性較高[35],但是具有降解半纖維素能力的微生物則不一定能夠降解纖維素,這就是導(dǎo)致纖維素以及半纖維素降解速度和效果不同的原因.半纖維素降解菌中,極具代表性的有:纖維單胞菌、黑曲霉、焦曲霉、煙色曲霉、綠色木霉等[36];張麗霞[37]將篩選出的黑曲霉、青霉、木霉與黃孢原毛平革菌組合,測定纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的降解率分別為29.60%、12.02%、29.10%.

(3) 木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)及生物降解.木質(zhì)素是由聚合的芳香醇構(gòu)成的物質(zhì),主要表現(xiàn)為木質(zhì)組織中的膠質(zhì)作用,并通過與纖維素、半纖維素形成交織網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來硬化細(xì)胞壁,起到抗壓作用[38].在對秸稈的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步進(jìn)行研究分析以后,人們發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致秸稈難降解的主要原因是木質(zhì)素與半纖維素之間形成的天然屏障難以被打破,促使纖維素酶等不易與纖維素分子接觸[39].

參與木質(zhì)素降解的酶系主要有3種:木質(zhì)素過氧化物酶(LiP)、錳過氧化物酶(MnP)和漆酶(Lac),其中木質(zhì)素過氧化物酶和錳過氧化物酶都是血紅素糖蛋白,降解木質(zhì)素的同時(shí)均需要過氧化氫存在.木質(zhì)素的完全降解過程是真菌、細(xì)菌、放線菌以及相關(guān)微生物菌群共同作用的結(jié)果,在能夠降解木質(zhì)素的微生物中,真菌起著重要的作用,其中降解木質(zhì)素的酶系產(chǎn)生菌主要為白腐真菌[40],白腐真菌能夠?qū)⒛举|(zhì)素分解為CO2和水,細(xì)菌和放線菌起協(xié)同作用,部分地改變木質(zhì)素分子結(jié)構(gòu),如脫甲基作用,木腐菌是木質(zhì)素降解研究的熱點(diǎn),研究較多的有軟腐細(xì)菌、裂褶菌、變色真菌、軟腐真菌、褐腐菌[41].李紅亞等從牛糞中篩選出了長勢強(qiáng),分泌酶活性高的產(chǎn)芽孢的木質(zhì)素降解菌MN-8,通過玉米秸稈堆積發(fā)酵16 d后,木質(zhì)素降解率達(dá)到24%[42].劉云鵬等研究了白腐菌和裂褶菌對玉米秸稈中木質(zhì)素的降解機(jī)制及降解產(chǎn)物,通過GC/MS結(jié)果表明,玉米秸稈中的木質(zhì)素降解過程生成了小分子芳香醇、葡萄糖等[43].

4 強(qiáng)化微生物降解措施

4.1 酸堿處理法

秸稈直接還田不但腐化時(shí)間較長,而且破壞土壤性質(zhì),影響下一季作物生長,在作物秸稈還田之前進(jìn)行酸堿預(yù)處理,可以在斷開木質(zhì)素與半纖維素之間共價(jià)鍵的同時(shí)增大秸稈表面粗糙度,降低纖維素分子間結(jié)晶度,增大纖維素與酶的接觸面積,提高纖維素類物質(zhì)降解速率[44].張珺穜[45]認(rèn)為秸稈酸化處理還可以影響秸稈腐解與養(yǎng)分的釋放,在硝酸和硫酸2種預(yù)處理方式的對照實(shí)驗(yàn)中,通過對比各預(yù)處理方式下的玉米秸稈腐解速率和釋放的N、P、K元素含量最終收到在酸化預(yù)處理下秸稈降解速率達(dá)91.68%的良好效果,培養(yǎng)300 d,在結(jié)束時(shí)發(fā)現(xiàn)酸化處理后的秸稈比對照組多釋放了7.73%的鉀和6.34%的磷.可見玉米秸稈在機(jī)械還田前進(jìn)行適當(dāng)酸化處理可促進(jìn)其腐解,提高養(yǎng)分釋放速率,但具體田間操作及表現(xiàn)仍需具體問題具體分析.張典典等使用CaO2對秸稈進(jìn)行預(yù)處理后調(diào)節(jié)溫度等其他條件,最終秸稈木質(zhì)素降解率有較大提高,最高可達(dá)65.18%[46].在余坤等的實(shí)驗(yàn)中,對秸稈進(jìn)行氨化預(yù)處理后進(jìn)行翻壓還田,經(jīng)過210d,秸稈殘留量為48.46%,較未處理時(shí)降低了24.31%[47],在酸堿預(yù)處理的對比研究中,研究者們更傾向于使用堿類溶液對秸稈進(jìn)行處理,原因在于堿的腐蝕性較酸表現(xiàn)更弱,所需的條件也更易于實(shí)現(xiàn)[48].

4.2 深度強(qiáng)化微生物降解手段

(1) 添加營養(yǎng)物質(zhì).在秸稈微生物降解的過程中往往需要另外添加營養(yǎng)物質(zhì)來強(qiáng)化降解效果,添加營養(yǎng)物質(zhì)在強(qiáng)化菌群修復(fù)場地污染過程中也有較為廣泛的應(yīng)用[49],其中營養(yǎng)物質(zhì)包括:碳源、氮源、無機(jī)鹽等生長因子.

以木質(zhì)素為例,其在土壤中不能作為微生物的碳源被直接代謝[50],需要通過施加調(diào)控因子刺激土壤微生物釋放酶以共代謝的方式來促進(jìn)木質(zhì)素的降解,碳源物質(zhì)通過微生物的分解利用,為其生長發(fā)育提供碳架來源,和生命活動(dòng)中的能量,促進(jìn)木質(zhì)纖維素類物質(zhì)的轉(zhuǎn)化,常用的微生物碳源物質(zhì)有:糖類、醇類、脂類、有機(jī)酸等.另外,氮素也是秸稈在田間降解的重要因素之一,氮素不足,微生物對還填的秸稈降解緩慢,且微生物在緩慢降解秸稈的過程中同作物爭奪土壤中原有的有效氮,造成土壤貧瘠,不利于作物生長發(fā)育.在楊小麗的實(shí)驗(yàn)中添加硫酸銨、尿素組成的有機(jī)無機(jī)復(fù)合氮源,結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)囱a(bǔ)加量為15 g·L-1時(shí),秸稈降解率達(dá)到最大值,相當(dāng)于每kg秸稈補(bǔ)充11.6 g的氮素[28].在國外報(bào)道的秸稈堆肥發(fā)酵工程應(yīng)用中,也有使用尿素以促進(jìn)秸稈發(fā)酵的案例[51].

(2) 添加表面活性劑.添加表面活性劑可促進(jìn)秸稈類纖維素降解的機(jī)理在于可促進(jìn)微生物分泌有效降解酶,增強(qiáng)降解菌基因表達(dá)等[52],而且某些表面活性劑還可以增加生物膜的通透性,加速蛋白質(zhì)類物質(zhì)跨膜運(yùn)輸速度,此類行為皆可加速微生物分泌降解酶.可達(dá)到上述目標(biāo)的表面活性劑主要以生物表面活性劑為主,刑軍[53]的研究發(fā)現(xiàn),大豆磷脂、PEG20000、甜菜堿等表面活性劑對纖維素降解酶和小麥秸稈干物質(zhì)降解率都有一定提高,在孟杰等[54]的實(shí)驗(yàn)中,向玉米秸稈降解體系中加入不同種類的生物菌劑,改善了堆肥環(huán)境,提高了纖維素酶解產(chǎn)糖量,進(jìn)而證明生物表面活性劑的加入在玉米秸稈微生物降解的過程中起重要的增效作用.除此之外,用一些表面活性劑對秸稈進(jìn)行預(yù)處理也可以加速木質(zhì)素的去除[55].表面活性劑強(qiáng)化生物降解的優(yōu)點(diǎn)在于表面活性劑可生物降解,一些表面活性劑即使施加于土壤中也不會(huì)對土壤造成二次污染,為未來強(qiáng)化秸稈菌劑原位降解處理提供思路.

5 展 望

(1) 目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多微生物菌劑對秸稈具有很好的降解作用,并且秸稈降解菌工程選育方法也日漸成熟,速腐菌劑的制備也得到完善,現(xiàn)階段應(yīng)加強(qiáng)不同菌劑的最有效配施比例研究.

(2) 目前有關(guān)木質(zhì)纖維素降解菌存在菌種酶活性不高,降解能力不強(qiáng)等問題,且大部分是以純培養(yǎng)方法分離和篩選或者只是幾種菌的簡單組合,因此,專性高效纖維素降解菌的選育還有待進(jìn)一步研究.

(3) 秸稈微生物降解過程不僅限于依賴原始的現(xiàn)存的微生物,未來還應(yīng)將研究重點(diǎn)放在基因工程手段與分子生物學(xué)手段相結(jié)合上,構(gòu)建酶活性高且遺傳穩(wěn)定的突變體菌株.

(4) 秸稈快速降解是一項(xiàng)長期而重大的工程,秸稈還田還存在著很多困難,還應(yīng)繼續(xù)探索,如何提高降解效率,如何延長秸稈降解菌復(fù)合菌劑的保質(zhì)期等問題都將是下一步努力的方向.

(5) 為推廣秸稈腐熟劑的大面積使用,還需進(jìn)一步做關(guān)于腐熟劑對土壤影響及對下茬作物的影響等相關(guān)方面研究.

參考文獻(xiàn):

[ 1 ] 耿麗平. 秸稈還田土壤中高效纖維素分解菌的篩選、鑒定及其生物效應(yīng)研究[D]. 北京:河北農(nóng)業(yè)大學(xué), 2012.

GENG L P. Isolation of cellulose-decomposing bacteria in soil with long-term straw returning and study on the biological effects[D]. Beijing: Hebei Agricultural University, 2012.

[ 2 ] 我國每年秸稈產(chǎn)量有9億噸利用不到四成[EB/OL]. (2017-06-02)[2017-11-12]. http:∥www.sohu.com/a/145506749_488938.

China's annual straw production is 900 million tons while the utilization is less than 40%[EB/OL]. (2017-06-02)[2017-11-12]. http:∥www.sohu.com/a/145506749_488938.

[ 3 ] 顏廷武,張童朝,何可,等. 農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用的農(nóng)民決策行為研究:以秸稈還田為例[C]∥ 2016中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì), 2016.

YAN T W,ZHANG T C,HE K,et al. Study on farmers’ decision-making behavior of agricultural waste utilization: taking straw to field as an example[C]∥2016 China Society of Environmental Sciences Academic Annual Meeting, 2016.

[ 4 ] 殷中偉. 秸稈纖維素高效降解菌株的篩選及對降解效果初步研究[D]. 北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 2010.

YIN Z W. Screening,identification of high effective straw cellulose-degrading strains and their effects one crop straw degradation[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2010.

[ 5 ] 郭冬生,黃春紅. 近10年來中國農(nóng)作物秸稈資源量的時(shí)空分布與利用模式[J]. 西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2016,29(4):948-954.

GUO D S,HUANG C H. Spatial and temporal distribution of crop straw resources in past 10 years in China and its use pattern[J]. Southwest China Journal of Agricultural Sciences, 2016,29(4):948-954.

[ 6 ] 張建峰. 東北地區(qū)秸稈降解工程菌的選育及速腐菌劑的研制[D]. 長春:吉林農(nóng)業(yè)大學(xué), 2012.

ZHANG J F. Breeding of engineering bacteria and developing of speed rot agents using for straw degradation in northeast China[D]. Changchun: Jilin Agricultural University, 2012.

[ 7 ] 楊曉迪. 秸稈飼料的現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J]. 畜牧獸醫(yī)科技信息, 2015(10):118-119.

YANG X D. The present situation and development prospect of straw feed[J]. Chinese Journal of Animal Husbandry and Veterinary Medicine, 2015(10):118-119.

[ 8 ] 李紅宇. 玉米秸稈營養(yǎng)價(jià)值評定及其發(fā)酵飼料的研究[D]. 哈爾濱:東北農(nóng)業(yè)大學(xué), 2014.

LI H Y. Nutritional estimation of corn straw and its application as substrate for fermentation feed[D]. Harbin: Northeast Agricultural University, 2014.

[ 9 ] BINOD P,SINDHU R,SINGHANIA R,et al. Bioethanol production from rice straw: an overview[J]. Bioresource Technology, 2010,101(13):4767-4774.

[10] WU H,DAI X,ZHOU S L,et al. Ultrasound-assisted alkaline pretreatment for enhancing the enzymatic hydrolysis of rice straw by using the heat energy dissipated from ultrasonication[J]. Bioresource Technology, 2017,241:70-74.

[11] 劉海臣. 稻草秸稈同步糖化發(fā)酵制備纖維素乙醇的研究[D]. 北京:中國礦業(yè)大學(xué), 2010.

LIU H C. Investigation on the production of cellulose ethanol from rice straw by simultaneous saccharification and fermentation[D]. Beijing: China University of Mining Technology, 2010.

[12] 雷韜. 油菜秸稈發(fā)酵生產(chǎn)生物乙醇的工藝研究[D]. 鄭州:河南農(nóng)業(yè)大學(xué), 2015.

LEI T. Study on key problems in bioethanol conversation from lignocellulose[D]. Zhengzhou: Henan Agricultural University, 2015.

[13] 潘根興,李戀卿,劉曉雨,等. 熱裂解生物質(zhì)炭產(chǎn)業(yè)化:秸稈禁燒與綠色農(nóng)業(yè)新途徑[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2015,33(13):92-101.

PAN G X,LI L Q,LIU X Y,et al. Industrialization of biochar from niomass pyrosis: a new option for straw burning ban and green agriculture of China[J]. Science and Technology Review, 2015,33(13):92-101.

[14] 郭平,王觀竹,許夢,等. 不同熱解溫度下生物質(zhì)廢棄物制備的生物質(zhì)炭組成及結(jié)構(gòu)特征[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版), 2014(4):855-860.

GUO P,WANG G Z,XU M,et al. Structure and composition characteristics of biochars derived from biomass wastes at different pyrolysis temperatures[J]. Journal of Jilin University (Science Edition), 2014(4):855-860.

[15] 林靜雯,吳丹,孫麗娜,等. 牛糞生物炭吸附水中NH+4的影響因素及特性[J]. 沈陽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016,28(3):186-190.

LIN J W,WU D,SUN L N,et al. Characteristics ammonia nitrogen adsorption onto biochars derived from dairy manure and its influencing factors[J]. Journal of Shenyang University (Natural Science), 2016,28(3):186-190.

[16] 楊建成. 秸稈快速熱解制備生物質(zhì)油氣及生物氣甲烷化研究[D]. 北京:北京化工大學(xué), 2016.

YANG J C. Rapid pyrolysis of straw for bio-oil/gas and methanation of bio-gas[D]. Beijing: Beijing University of Chemical Technology, 2016.

[17] 王俏麗. 秸稈制沼氣過程生命周期評價(jià)及其敏感性分析[D]. 杭州:浙江大學(xué), 2015.

WANG Q L. Life cycle assessment on straw biogas project and its sensitivity analysis[D]. Hangzhou:Zhejiang University, 2015.

[18] 熱沙來提汗·買買提,熱娜古麗·木沙,等. 食用擔(dān)子菌接種對棉花秸稈消化性改善效果研究[J]. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué), 2012,49(10):1914-1919.

MAIMAITI R,MUSHA R,et al. Improvement effect of edible basidiomycete inoculation on the digestibility of cotton stalk[J]. Xinjiang Agricultural Science, 2012,49(10):1914-1919.

[19] 宋海燕,胡殿明. 油菜秸稈栽培食用菌研究綜述[J]. 生物災(zāi)害科學(xué), 2015(4):277-283.

SONG H Y,HU D M. Studies on edible fungi cultivation based on oilseed rape straw[J]. Biological Disaster Science, 2015(4):277-283.

[20] 畢于運(yùn). 秸稈資源評價(jià)與利用研究[D]. 北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué), 2010.

BI Y Y. Study on straw resources evaluation and utilization in China[D]. Beijing: China Agricultural University, 2010.

[21] 姜榮鵬. 秸稈禁燒與秸稈處理處置問題研究[D]. 濟(jì)南:山東大學(xué), 2013.

JIANG R P. Research on theproblem of straw disposal[D]. Jinan: Shandong University, 2013.

[22] 陳昕,姜成浩,羅安程. 秸稈微生物降解機(jī)理研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2013(23):9728-9731.

CHEN X,JIANG C H,LUO A C. Study on the microbial degradation mechanism of straw[J]. Journal of Anhui Agriculture, 2013(23):9728-9731.

[23] 辛銀川. 高效降解秸稈菌株配伍篩選及菌劑制備[D]. 鄭州:鄭州大學(xué), 2011.

XIN Y C. Straw degrading strain combination selection and preparation of agents[D]. Zhengzhou: Zhengzhou University, 2011.

[24] MAAS R H W,BAKKER R,MICKEL J L A,et al. Lactic acid production from lime-treated wheat straw by Bacillus coagulans : neutralization of acid by fed-batch addition of alkaline substrate[J]. Applied Microbiology & Biotechnology, 2008,78(5):751-758.

[25] LIN Y S,WANG J,WANG X M,et al. Optimization of butanol production from corn straw hydrolysate by Clostridium acetobutylicum using response surface method[J]. Chinese Science Bulletin, 2011,56(14):1422-1428.

[26] PENG X,B?RNER R A,NGES I A,et al. Impact of bioaugmentation on biochemical methane potential for wheat straw with addition of Clostridium cellulolyticum[J]. Bioresource Technology, 2014,152(1):567.

[27] 張建峰. 東北地區(qū)秸稈降解工程菌的選育及速腐菌劑的研制[D]. 長春:吉林農(nóng)業(yè)大學(xué), 2012.

ZHANG J F. Breeding of engineering bacteria and developing of speed rot agents using for straw degradation in northeast China[D]. Changchun: Jilin Agricultural University, 2012.

[28] 劉爽. 中低溫秸稈降解菌的篩選及其秸稈降解效果研究[D]. 北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 2011.

LIU S. Screening of straw degradation strains under medium-low temperature and their degradation effects on crop straw[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences Dissertation, 2011.

[29] 劉保平,王宏燕,房紅巖,等. 降解秸稈的細(xì)菌和放線菌的分離與篩選[J]. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2010,41(2):49-54.

LIU B P,WANG H Y,FANG H Y,et al. Study on microbial degradation of crop stalks[J]. Northeast Agriculture University, 2010,41(2):49-54.

[30] 張小梅,李單單,王祿山,等. 纖維素酶家族及其催化結(jié)構(gòu)域分子改造的新進(jìn)展[J]. 生物工程學(xué)報(bào), 2013,29(4):422-433.

ZHANG X M,LI D D,WANG L S,et al. Molecular engineering of cellulase catalytic domain based on glycoside hydrolase family[J]. Chinese Journal of Biotechnology, 2013,29(4):422-433.

[31] 劉俊. 纖維素酶用于纖維改性及其相關(guān)機(jī)理的研究[D]. 天津:天津科技大學(xué), 2012.

LIU J. Study on the application of cellulase for fiber modification and its mechanism[D]. Tianjin: Tianjin Technology University, 2012.

[32] 崔海丹. 耐高溫纖維素酶的分子克隆及性質(zhì)研究[D]. 長春:吉林大學(xué), 2012.

CUI H D. Molecularcloning and characterization of thermophilic cellulase[D]. Changchun: Jilin University, 2012.

[33] 李赫龍. 作物秸稈木質(zhì)素和半纖維素的分離純化及結(jié)構(gòu)表征[D]. 楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué), 2016.

LI H L. Isolation and strucrure characterization of lignin and hemicelluloses from crop straw[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2016.

[34] 顧文杰,徐有權(quán),徐培智,等. 酸性土壤中高效半纖維素降解菌的篩選與鑒定[J]. 微生物學(xué)報(bào), 2012,52(10):1251-1259.

GU W J,XU Y Q,XU P Z,et al. Screening and identification of hemicellulose degrading microorganisms in acid soil[J]. Acta Microbiologica Sinica, 2012,52(10):1251-1259.

[35] 邱春生,孫力平. 木質(zhì)纖維素類農(nóng)業(yè)廢棄物生物轉(zhuǎn)化資源化研究進(jìn)展[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014(18),5928-5932.

QIU C S,SUN L P. Research progress on resource utilization of lignocellulose agricultural wastes based on biotransformation[J]. Journal of Anhui Agriculture Sciences, 2014(18):5928-5932.

[36] YUAN D,RAO K,RELUE P,et al. Fermrntation of biomass sugars to ethanol using native industrial yeast strains[J]. Bioresource Technology, 2011,102(3):3246-3253.

[37] 張麗霞. 纖維降解菌組合的篩選、優(yōu)化及對玉米秸稈的降解效果[D]. 北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 2014.

ZHANG L X. Study onscreening and optimizing of the combination of cellulolytic bacteria and the effect on the degradation of corn stalk[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2014.

[38] CAMARERO S,GALLETTI G C,MARTINEZ A T. Demonstration of in situ oxidative degradation of lignin side chains by two white-rot fungi using analytical pyrolysis of methylated wheat straw[J]. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 2015,11(4):331-334.

[40] 曹玉娟,付聰. 利用白腐真菌降解木質(zhì)素促進(jìn)秸稈飼料化養(yǎng)畜[J]. 飼料與畜牧:新飼料, 2016(4):52-53.

CAO Y J,FU C. The use of white rot fungus to degrade lignin promotes straw feed[J]. Mycological Society of China Annual Meeting, 2016(4):52-53.

[41] 楊洋,范芳芳,卓睿,等. 白腐真菌木質(zhì)素降解酶基因資源的挖掘利用及其表達(dá)調(diào)控[C]∥中國菌物學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì), 2015.

YANG Y,FAN F F,ZHUO R,et al. White-rot fungi lignin degradation enzyme gene resource use and expression regulation of mining[C]∥Mycological Society of China Annual Meeting, 2015.

[42] 李紅亞,李術(shù)娜,王樹香,等. 產(chǎn)芽孢木質(zhì)素降解菌MN-8的篩選及其對木質(zhì)素的降解[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014,47(2):324-333.

LI H Y,LI S N,WANG S X,et al. Identificationof lignin-degradating bacillus MN-8 and its charateristics in degradation of maize straw lignin[J]. Scientia Agriculture Sinica, 2014,47(2):324-333.

[43] 劉云鵬. 裂褶菌對玉米秸稈木質(zhì)纖維素的降解及應(yīng)用研究[D]. 長春:吉林農(nóng)業(yè)大學(xué), 2017.

LIU Y P. Study on degradation and application of lignocellulose from corn straw by Schizophyllum commune[D]. Changchun: Jilin Agriculture University, 2017.

[44] SILANIKOVE N,LEVANON D. Inter-relationships between acidic and alkali treatments of cotton straw and wheat straw and their fibre chemical properties[J]. Journal of the Science of Food & Agriculture, 2010,38(2):117-124.

[45] 張珺穜,王婧,張莉,等. 理化預(yù)處理方式對玉米秸稈腐解與養(yǎng)分釋放特征的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2016,32(23):226-232.

ZHANG J T,WANG J,ZHANG L,et al. Effect of physical pretreatment on decomposition and nutrient release characteristics of maize straw[J]. Transactions of the Chinese Society of Agriculture Engineering, 2016,32(23):226-232.

[46] 張典典,孫優(yōu)善,郝韶華,等. CaO2預(yù)處理對小麥秸稈脫木質(zhì)素效果的影響[J]. 河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2016,45(5):90-94.

ZHANG D D,SUN Y S,ZHANG L,et al. Effect of delignification of wheat straw pretreatment with CaO2[J]. Journal of Hebei University of Technology, 2016,45(5):90-94.

[47] 余坤,馮浩,趙英,等. 氨化秸稈還田加快秸稈分解提高冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2015,31(19):103-111.

YU K,FENG H,ZHAO Y,et al. Ammoniated straw incorporation promoting straw decomposition and improving winter wheat yield and water use efficiency[J]. Transactions of the Chinese Society of Agriculture Engineering, 2015,31(19):103-111.

[48] WU H,DAI X,ZHOU S L. Ultrasound-assisted alkaline pretreatment for enhancing the enzymatic hydrolysis of rice straw by using the heat energy dissipated from ultrasonication[J]. Bioresource Technology, 2017,241:70-74.

[49] 鄭學(xué)昊,孫麗娜,劉克斌,等. PAHs污染土壤生物修復(fù)技術(shù)及強(qiáng)化手段研究進(jìn)展[J]. 沈陽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2017,29(4):297-303.

ZHENG X H,SUN L N,LIU K B,et al. PAHs contaminated soil bioremediation technology: a review[J]. Journal of Shenyang University(Natural Science), 2017,29(4):297-303.

[50] 鄭學(xué)昊,孫麗娜,王曉旭,等. 植物-微生物聯(lián)合修復(fù)PAHs污染土壤的調(diào)控措施對比研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2017,26(2):323-327.

ZHENG X H,SUN L N,WANG X X,et al. Compared with different regulation on phytoremediation-microorganism combined remediation PAHs contaminated soil[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2017,26(2):323-327.

[51] SHUKLA L,SUMAN A. Syntrophic microbial system for ex-situ degradation of paddy straw at low temperature under controlled and natural environment[J]. Conference of Association of Microbiologists of India, 2016,4(2):30-37.

[52] 梁運(yùn)姍. 不同介質(zhì)環(huán)境中生物表面活性劑強(qiáng)化降解生物質(zhì)的作用[D]. 長沙:湖南大學(xué), 2011.

LIANG Y S. Biosurfactant-enhanced degradation of biomass indifferent media environment[D]. Changsha: Hunan University, 2011.

[53] 刑軍,陳軍,丁威. 不同表面活性劑對體外培養(yǎng)瘤胃微生物幾種纖維降解酶活力和小麥秸稈降解的影響[J]. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2013(6):478-483.

XING J,CHEN J,DING W. Effects of different surfactants on fiber degrading enzyme activity of ruminal microorganisms and degradability of wheat straw in vitro[J]. Journal of Xinjiang Agricultural University, 2013(6):478-483.

[54] 孟杰,王宏燕,李濤. 生物表面活性劑混合纖維素分解菌分解秸稈的研究[J]. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2011,42(2):97-103.

MENG J,WANG H Y,LI T,et al. Research of bio-surfactants and cellulose-decomposing bacteria mixture fertilizers in straw decomposition[J]. Northeast Agriculture University, 2011,42(2):97-103.

[55] CHANG K L,CHEN X M. Impact of surfactant type for ionic liquid pretreatment on enhancing delignification of rice straw[J]. Bioresource Technology, 2016,227:388.