酸洗、堆漚預(yù)處理對(duì)水稻秸稈的纖維素降解影響

章紅　黎少杰

摘??要：研究不同預(yù)處理方法對(duì)提高水稻纖維素的降解作用。通過(guò)酸洗、堆漚兩種方式對(duì)水稻秸稈進(jìn)行預(yù)處理，根據(jù)測(cè)定秸稈纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的含量，發(fā)現(xiàn)酸洗及堆漚均有很好的效作用。同時(shí)，與纖維素與木質(zhì)素的降解比較，預(yù)處理方法對(duì)半纖維的降解效果最好。

關(guān)鍵詞：酸洗;堆漚;水稻秸稈;纖維素

ABSTRACT：In?order?to?study?the?effect?of?different?pretreatment?methods?on?the?degradation?of?rice?cellulose，acid?pickling?and?stacking?were?selected?to?pretreat?rice?cellulose.?By?determining?the?content of?cellulose，hemicellulose?and?lignin?in?straw，it?was?found?that?pickling?and?composting?had?good?effects.?At?the?same?time，compared?with?cellulose?and?lignin?degradation，pretreatment?has?the?best?degradation?effect?on?hemi-fibers.?After?pickling.

Key?word：acid?pickling;stacking;rice?straw;cellulose

引言

2017年我國(guó)水稻種植面積達(dá)30747千頃[1]，具有巨大的應(yīng)用潛力。水稻秸稈主要由植物細(xì)胞壁組成，未經(jīng)處理的天然狀態(tài)的木質(zhì)生物資源的酶解率小于20%[2]，為實(shí)現(xiàn)秸稈低成本生物量全利用，需通過(guò)有效的預(yù)處理和組分分離手段將稻草原料中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等分離并分別加工成有價(jià)值的產(chǎn)品。常見(jiàn)的是蒸汽爆破法、稀酸處理法、濕氧化法和生物處理法[3]。理想的秸稈組分分離方法應(yīng)滿足以下幾個(gè)條件[4]：（1）有利于提高秸稈水解產(chǎn)糖率，或有利于提高微生物水解酶后糖的產(chǎn)量;（2）減少秸稈水解過(guò)程中有機(jī)物進(jìn)一步降解造成碳的流失;（3）避免或減少抑制性物質(zhì)產(chǎn)生，對(duì)之后的水解發(fā)酵過(guò)程中微生物的活性產(chǎn)生毒害作用;（4）在經(jīng)濟(jì)上切實(shí)可行。稀酸將木質(zhì)纖維素原料中的半纖維素成分部分溶解，可使原料結(jié)構(gòu)疏松?[5]。堆漚處理可使可溶性有機(jī)物被微生物吸收，固體和膠體有機(jī)物則由微生物胞外酶分解為可溶性物質(zhì)[6]，具有以下優(yōu)點(diǎn)[7]：①堆漚預(yù)處理時(shí)發(fā)酵性細(xì)菌大量生長(zhǎng)繁殖，能富集菌種。②堆漚腐熟后原料可緩解酸化作用，有利于酸化和產(chǎn)甲烷的平衡。③堆漚后，纖維素變松散，擴(kuò)大纖維素分解菌和纖維素的接觸面積，大大加快纖維素的分解速度，加快沼氣發(fā)酵過(guò)程的進(jìn)行。

本次實(shí)驗(yàn)采取酸洗及堆漚對(duì)秸稈進(jìn)行預(yù)處理，研究其對(duì)水稻秸稈中組分的降解能力。

1?材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)儀器

微型植物粉碎機(jī)（天津泰斯特儀器公司）;DELTA320pH計(jì)（梅特勒-托列多儀器（上海）有限公司）;SHY-2型恒溫水浴振蕩器;FA2004N電子天平;1810-B型石英自動(dòng)雙重純水蒸餾器;PHS-3B精密pH計(jì);恒溫振蕩器;2XZ-2型旋片式真空泵、馬弗爐。

1.2?實(shí)驗(yàn)材料

稻草取自合肥郊區(qū)農(nóng)田，分別經(jīng)機(jī)械破碎至60目，實(shí)驗(yàn)前于干燥箱105?℃下烘干至恒重備用。

實(shí)驗(yàn)中污泥取自安徽省合肥市王小郢污水處理廠的回流井。實(shí)驗(yàn)前室溫下靜置24?h，污泥總固體（TS）為12.32?g·L?-?1、揮發(fā)性固體（VS）為10.96?g·L?-1。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

本研究根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的條件和參考唐锘酸洗預(yù)處理方法[8]，試驗(yàn)方法如下：

先將秸稈粉碎，過(guò)60目篩，用0.7%硫酸按固液比為1：12（g/mL）浸泡1h后，自來(lái)水反復(fù)沖洗直至pH值接近7，于105℃烘干至恒重備用。

取一定量來(lái)自合肥郊區(qū)農(nóng)田的秸稈，剪成2-3?cm，加入100?mL污泥、6L自來(lái)水，堆浸10d后，于105℃烘干后粉碎過(guò)60目篩，測(cè)定其纖維素、半纖維素及木質(zhì)素含量。

1.4?測(cè)試項(xiàng)目與方法

實(shí)驗(yàn)中間歇用pH計(jì)測(cè)定pH值，對(duì)預(yù)處理前后的稻草測(cè)定其纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量。纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的測(cè)定方法參照王玉萬(wàn)的《木質(zhì)纖維素固體基質(zhì)發(fā)酵物中半纖維素、纖維素和木質(zhì)素的定量分析程序》[9]。首先用2M鹽酸水解法水解半纖維素，用地衣酚比色法進(jìn)行定糖測(cè)定半纖維素含量[10]，乘上換算系數(shù)0.9則為半纖維素的量。測(cè)定纖維素時(shí)，用72%硫酸法水解2M鹽酸水解后剩下的稀酸不溶性殘?jiān)?，之后用蒽酮試劑定糖[5]，乘上換算系數(shù)0.9則為纖維素的量。所剩殘?jiān)?jīng)馬弗爐灰化后差重即為木質(zhì)素含量。具體步驟如圖2-1所示。

（1）試劑

2M鹽酸溶液：167mL濃鹽酸（比重1.19）用蒸餾水稀釋直1000mL。

72%硫酸溶液：665mLH2SO4（比重1.84）加入300mL水中，冷卻至20℃，補(bǔ)加水定溶至1000mL。

地衣酚試劑：0.1gFeCl3溶于100mL37%的濃硫酸中，再加入0.2g地衣酚，臨用現(xiàn)配。

蒽酮試劑：0.2g蒽酮溶于100?mL濃硫酸（分析純，比重1.84）中，臨用現(xiàn)配。

（2）標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

葡萄糖（纖維素）標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制：取6支試管，加入不同濃度的葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液，然后加入蒽酮試劑4?mL，迅速浸入冰水浴中冷卻，再一起浸入沸水浴中，從水重新沸騰時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)10?min，然后取出，流水冷卻后用1?cm?比色皿，在波長(zhǎng)620?nm范圍測(cè)定吸光度。

戊糖（半纖維素）標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制：取6支試管，加入不同濃度的戊糖標(biāo)準(zhǔn)溶液，然后加入地衣酚試劑4?mL，混勻后，蓋上蓋，在沸水中加熱20?min，冷卻后用1?cm?比色皿，在波長(zhǎng)660?nm范圍測(cè)定吸光度。

2結(jié)果與分析

2.1酸洗處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)酸洗預(yù)處理后，測(cè)得酸洗后稻草中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量如表2-1。未經(jīng)過(guò)酸洗的稻草秸稈中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為34.06%，24.23%和11.57%，而經(jīng)過(guò)稀酸預(yù)處理后，各組分的降解效果較好，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量分別為27.1%、11.75%、9.81%。

酸洗后，秸稈的各組分得到很好的降解，尤其是半纖維素。纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量分別下降了6.96%、12.48%和1.76%。纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的降解率分別為20.4%、51.5%、15.2%，半纖維素的降解率最高，其次是纖維素和木質(zhì)素。說(shuō)明稀酸對(duì)稻草秸稈的預(yù)處理能夠有效的降解半纖維的含量。因?yàn)槟举|(zhì)素是秸稈組織最外面一層組織，也是最難以被微生物破壞和降解的，但在稀硫酸的作用下，半纖維素與木質(zhì)素間的共價(jià)鍵、纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)遭到破壞，消除了木質(zhì)與纖維素的聯(lián)結(jié)，糖苷鍵、酯鍵等發(fā)生水解，導(dǎo)致秸稈纖維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)疏松，在酸水解進(jìn)行的過(guò)程中，纖維素和半纖維素的損失也會(huì)增加，造成大量生物量流失。預(yù)處理可以促進(jìn)后來(lái)的厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，能較快啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)。

2.2堆漚處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)堆漚處理前后的稻草中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量如表2-1。經(jīng)過(guò)堆漚預(yù)處理對(duì)稻草中各組分的降解效果較好，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量分別為28.76%、17.13%、9.74%。堆漚后，秸稈的各組分得到不同程度的降解，其中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量分別下降了5.3%、7.1%和1.83%.其纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的降解率分別達(dá)到15.56%、29.30%、15.82%。預(yù)處理對(duì)半纖維素的降解效果最好，而對(duì)纖維素的破壞較小?？梢缘贸鼋Y(jié)論：堆漚處理能有效地降低木質(zhì)素和半纖維素對(duì)纖維素的包裹作用，釋放出纖維素，以促進(jìn)后續(xù)的厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣。

2.3實(shí)驗(yàn)分析

從兩種預(yù)處理后的稻草秸稈的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量的降解來(lái)看，發(fā)現(xiàn)酸洗處理比堆漚處理節(jié)約時(shí)間，但是不利于后續(xù)的厭氧生物發(fā)酵。因?yàn)槎褲a處理時(shí)，發(fā)酵性細(xì)菌大量生長(zhǎng)繁殖，能富集菌種，能夠快速啟動(dòng)發(fā)酵。

3?結(jié)論與討論

（1）從預(yù)處理后稻草秸稈的木質(zhì)纖維素含量及其降解率可以看出，酸洗及堆漚均能有效降解纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，以提高其生物降解性能。

（2）與纖維素與木質(zhì)素的降解比較，預(yù)處理方法對(duì)半纖維的降解效果最好，酸洗后稻草半纖維的降解率超過(guò)50%，堆漚后的達(dá)到29.3%。相比于酸洗預(yù)處理，堆漚處理設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，大大較低了秸稈厭氧發(fā)酵預(yù)處理成本，可應(yīng)用性強(qiáng)。

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作者簡(jiǎn)介：章紅（1984-），安徽池州人，環(huán)保工程師，碩士研究生，研究方向：環(huán)境化學(xué)。