利用乳酸菌處理農(nóng)業(yè)廢棄物的研究進(jìn)展

付龍?jiān)啤埌厮伞±顝≮w自超　袁長波　井永蘋　王艷芹

摘要：我國農(nóng)業(yè)廢棄物種類繁多、存量巨大，其資源化處理關(guān)乎人與自然的和諧發(fā)展。利用乳酸菌處理農(nóng)業(yè)廢棄物具有安全高效、適用范圍廣泛、產(chǎn)品附加值高等突出優(yōu)勢。本文綜述了國內(nèi)外乳酸菌在農(nóng)業(yè)廢棄物“飼料化”、“肥料化”、“能源化”及“材料化”中的應(yīng)用現(xiàn)狀和研究進(jìn)展，并分析了乳酸菌在其中的關(guān)鍵作用以及存在的問題，最后對利用乳酸菌處理農(nóng)業(yè)廢棄物的前景與趨勢進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：乳酸菌;農(nóng)業(yè)廢棄物;資源化處理;青貯

中圖分類號：X71-1文獻(xiàn)標(biāo)識號：A文章編號：1001-4942（2019）11-0149-08

Advances on Research of Utilization of Lactic Acid Bacteria

in Renewable Agricultural Residues

Fu Longyun， Zhang Bosong， Li Yan， Zhao Zichao， Yuan Changbo， Jing Yongping， Wang Yanqin

（Institute of Agricultural Resources and Environment， Shandong Academy of Agricultural Sciences/ Scientific

Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation （Shandong）， Ministry of Agriculture

and Rural Affairs， Jinan 250100， China）

Abstract Agricultural residues in China were various and huge， and how to full use them was one of the key issues to the sustainable development. Treating agricultural residues with lactic acid bacteria had the outstanding advantages such as safe， high efficiency， wide application range and high additional value. In this paper， the research progresses of utilizing agricultural residues with lactic acid bacteria as feed， fertilizer， energy and materials were reviewed， and the key roles of lactic acid bacteria were analyzed. Finally， the trends of agricultural residues treated with lactic acid bacteria were prospected.

Keywords Lactic acid bacteria; Agricultural residues; Resource utilization; Silage

作為一個(gè)人口大國，農(nóng)業(yè)在我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中一直居于基礎(chǔ)性重要地位。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中不可避免地產(chǎn)生秸稈、尾菜、畜禽糞污、菌渣等廢棄物，其中尤以秸稈和禽畜糞污總量最為巨大。隨著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平的不斷提高，農(nóng)業(yè)廢棄物的產(chǎn)生量呈顯著增長趨勢，據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，2017年我國秸稈產(chǎn)量約9億噸、禽畜糞污產(chǎn)量達(dá)38億噸，分別比2004年提高50.0%和407%[1，2]。與工業(yè)廢棄物相比，農(nóng)業(yè)廢棄物一般有機(jī)物含量高，富含氮、磷、鉀等植物營養(yǎng)元素，可生化性良好，如果不加有效管理、隨意丟棄，不但浪費(fèi)了寶貴的可再生資源，而且會嚴(yán)重污染環(huán)境，造成水體富營養(yǎng)化、臭味氣體污染、人居環(huán)境惡化等各種問題。加快推進(jìn)我國農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化處理進(jìn)程已刻不容緩[3]。

針對農(nóng)業(yè)廢棄物可生化性好的特點(diǎn)，通過青貯、好氧堆肥、厭氧沼氣消化等微生物發(fā)酵的方式對其進(jìn)行綠色處理，可較好地保存和轉(zhuǎn)化農(nóng)業(yè)廢棄物的物質(zhì)與能量，減少次生污染的發(fā)生并提高產(chǎn)品附加值。目前常用于農(nóng)業(yè)廢棄物處理的微生物種類主要有芽孢桿菌、霉菌、酵母菌、乳酸菌等。相較于其它種類的微生物，乳酸菌具有安全性較高、較耐酸、厭氧發(fā)酵等獨(dú)特優(yōu)勢，可發(fā)揮其它種類微生物難以替代的重要作用[4，5]。目前關(guān)于農(nóng)業(yè)廢棄物資源化處理中乳酸菌作用的研究報(bào)道較為分散，本文綜述了乳酸菌在飼料加工、肥料生產(chǎn)、可再生能源獲取、高附加值產(chǎn)品生產(chǎn)等方面的應(yīng)用研究進(jìn)展，以期促進(jìn)該類微生物在農(nóng)業(yè)廢棄物資源化處理中更好的應(yīng)用。

1 當(dāng)前農(nóng)業(yè)廢棄物處理的主要方式

農(nóng)業(yè)廢棄物主要指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的有機(jī)廢棄物，其種類相當(dāng)廣泛，既包括農(nóng)作物種植與加工過程產(chǎn)生的各類秸稈、尾菜、殘果等，也包括畜禽養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的糞便、污水，甚至病死動物的尸體。農(nóng)業(yè)廢棄物富含纖維素、蛋白質(zhì)等有機(jī)營養(yǎng)成分和氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，其合理化處理不但事關(guān)可再生資源的有效利用，也關(guān)系著農(nóng)村生產(chǎn)生活環(huán)境的改善。目前主流的農(nóng)業(yè)廢棄物處理方式主要有“飼料化”、“肥料化”、“能源化”和“材料化”方向，分別對應(yīng)飼料加工、肥料生產(chǎn)、生物質(zhì)能源開發(fā)和高附加值產(chǎn)品轉(zhuǎn)化等技術(shù)領(lǐng)域[6，7]。此外，還有秸稈粉碎后還田、秸稈加工制作日用品、利用糞便養(yǎng)殖蚯蚓、黑水虻生產(chǎn)動物蛋白等多種不同處理方式。這些方式各有特色，適合對不同種類和規(guī)模的農(nóng)業(yè)廢棄物進(jìn)行處理，生產(chǎn)實(shí)踐中也常常多個(gè)方式聯(lián)用，以取得更好的處理效果[8，9]。

3.4 在農(nóng)業(yè)廢棄物材料化中的應(yīng)用

以秸稈、蔬菜廢棄物、糧食加工下腳料等為原料，通過高溫碳化、蒸汽爆破、熱解、微生物發(fā)酵等手段生產(chǎn)活性炭、發(fā)泡材料、有機(jī)酸、多糖等多種有用材料，可極大拓展農(nóng)業(yè)廢棄物應(yīng)用范圍并有效提高經(jīng)濟(jì)附加值，是充分實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用的重要方式[52]。

乳酸本身在化工、制藥和食品加工等不同領(lǐng)域都有重要用途，同時(shí)又是丙二醇、多聚丙烯酸等其它化工產(chǎn)品的重要前體，而丙二醇、多聚丙烯酸可用于制造生物可降解塑料和膠囊等制品，環(huán)保性能優(yōu)異。乳酸具有L-乳酸和D-乳酸兩種構(gòu)型，均可通過化學(xué)與生物途徑獲得，通過化工辦法獲得的乳酸一般為L-乳酸和D-乳酸的混合體，而生物途徑獲得的乳酸一般為單種構(gòu)型，其中只有L-乳酸可被人體吸收。生物途徑制取乳酸尤為重要，目前常用于乳酸發(fā)酵的微生物分為以酵母、根霉為代表的真菌和以乳酸菌為代表的細(xì)菌兩類[53]。乳酸菌具有獨(dú)特的生理代謝特性，絕大多數(shù)生理活動不需要氧氣參與，尤其需要注意的是，多數(shù)乳酸菌耐酸性較強(qiáng)（pH<5），[JP2]微生物自身生命活動更不容易被酸累積所抑制。研究發(fā)現(xiàn)，秸稈、麥麩等多種農(nóng)業(yè)廢棄物均可成為乳酸菌生產(chǎn)乳酸的原料。特別是，利用乳酸菌以木質(zhì)纖維素類原料生產(chǎn)乳酸，可以避免“工業(yè)與人爭糧”并降低生產(chǎn)成本。Hu等[54]以玉米秸稈為原料，通過戊糖乳桿菌（Lactobacillus pentosus）進(jìn)行糖化-發(fā)酵同步處理，最終乳酸得率可達(dá)0.52～082 g/g;Grewal等[55]利用短小乳桿菌（Lactobacillus brevis）分別對棉籽餅、小麥秸稈和蔗渣進(jìn)行糖化-發(fā)酵同步處理，乳酸得率分別可達(dá)022、049、052 g/g;[JP]Bustos等[56]研究了戊糖乳桿菌利用葡萄樹殘枝的水解物發(fā)酵生成乳酸的技術(shù)，葡萄殘枝首先水解為含120 g/L葡萄糖、175 g/L木糖、43 g/L阿拉伯糖的混合物，然后接種戊糖乳桿菌進(jìn)行發(fā)酵，最終乳酸產(chǎn)量可達(dá)460 g/L;為充分利用玉米秸稈所含的纖維素、半纖維素及其衍生糖類，Cui等[57][JP2]嘗試同時(shí)利用兩種乳酸菌——鼠李糖乳桿菌（Lactobacillus rhamnosus）和[JP2]短小乳桿菌對玉米秸稈進(jìn)行發(fā)酵，最終乳酸得率可達(dá)070 g/L，分別比單獨(dú)使用鼠李糖乳桿菌或短小乳桿菌進(jìn)行發(fā)酵高出186%和296%，此結(jié)果十分接近以葡萄糖、木糖混合液為原料進(jìn)行發(fā)酵時(shí)的乳酸得率（073 g/L）。[JP]

除乳酸之外，乳酸菌也常被用于利用多種農(nóng)業(yè)廢棄物獲取γ-氨基丁酸（GABA）、甘露醇、生物表面活性劑等有用的生化產(chǎn)品。γ-氨基丁酸是一種非蛋白氨基酸類物質(zhì)，在人和哺乳動物神經(jīng)信號傳導(dǎo)中具有重要作用，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、保健等領(lǐng)域。Yokoyama等[58]以日本清酒酒糟為原料，通過短小乳桿菌發(fā)酵制取γ-氨基丁酸，發(fā)酵液中γ-氨基丁酸的粗產(chǎn)量為1018 mmol/L;為解決生產(chǎn)中過剩的葡萄汁的應(yīng)用問題，Di Cagno等[59]利用植物乳桿菌對其進(jìn)行發(fā)酵制取γ-氨基丁酸，30℃下發(fā)酵72 h后γ-氨基丁酸的粗產(chǎn)量為483 mmol/L。甘露醇是一種具有抗氧化、調(diào)節(jié)滲透壓等功能的六碳糖醇，在制藥、食品、化工等領(lǐng)域有重要用途。Zhang等[60]綜述了通過腸膜狀明串珠菌（Leuconostoc mesenteroides）、中間乳桿菌（Lactobacillus intermedius）等乳酸菌發(fā)酵菊粉、糖蜜等低值農(nóng)業(yè)下腳料代替果糖生產(chǎn)甘露醇的研究;生物表面活性劑是一類由微生物合成的、可降解的表面活性劑，成分比較復(fù)雜，可能包含糖脂、脂肽等多種成分，環(huán)境友好，在環(huán)保、日用化工、食品等領(lǐng)域有重要用途。Moldes等[61]分別以大麥麩、葡萄樹殘枝、玉米芯和藍(lán)桉樹枝等農(nóng)業(yè)廢棄物的水解液為原料，接種戊糖乳桿菌進(jìn)行發(fā)酵，生物表面活性劑產(chǎn)量分別為2.9、6.5、4.7、4.0 g/L，以木質(zhì)纖維物料為原料時(shí)生物表面活性劑產(chǎn)量更高。

4 存在的問題及解決辦法

利用乳酸菌對農(nóng)業(yè)廢棄物進(jìn)行資源化處理，在兼顧環(huán)保的同時(shí)可以獲得不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益。但是在科研與生產(chǎn)中仍有若干問題需要格外注意和加以解決，以獲取更好的處理效果。

第一，安全性問題。雖然多種乳酸菌是被國內(nèi)、國際眾多監(jiān)管機(jī)構(gòu)認(rèn)可的安全微生物，但是這種“安全性”是有限定范圍的，如飼料工業(yè)中認(rèn)定安全的微生物不一定可以安全地用在食品、藥品等領(lǐng)域，同種微生物的不同菌株安全性也可能不一致。有研究表明，部分乳酸菌生理代謝可產(chǎn)生一些亞硝酸鹽、吲哚等有毒物質(zhì)，這些物質(zhì)累積超過一定限度可能引起動物疾病;部分菌株在正常情況下為無害菌，但是當(dāng)宿主免疫力低下時(shí)可能成為致病菌;抗生素基因可能在不同菌株之間擴(kuò)散，引發(fā)抗藥性問題等等[62-64]。因此，在充分利用乳酸菌各種優(yōu)良特性的同時(shí)，要充分做好菌株的安全性評價(jià)工作，避免使用有潛在致病性的菌株。同時(shí)，由于許多農(nóng)業(yè)廢棄物的發(fā)酵過程不對原料進(jìn)行預(yù)滅菌處理，其中可能存在大腸桿菌、沙門氏菌等致病微生物，因而需要做好發(fā)酵過程控制與產(chǎn)品質(zhì)量檢測，以符合相關(guān)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

第二，氧氣的影響。氧氣對菌株及發(fā)酵的影響非常顯著，部分常用的乳酸菌菌株也存在對氧氣過于敏感，易導(dǎo)致菌株失活、發(fā)酵穩(wěn)定性較差等現(xiàn)象。如雙歧桿菌（Bifidobacterium spp.）為嚴(yán)格厭氧菌，細(xì)胞缺乏抗氧化系統(tǒng)，環(huán)境中少量的活性氧即可導(dǎo)致細(xì)胞形態(tài)畸變，蛋白質(zhì)、脂肪等大分子合成受到抑制，甚至完全死亡[65，66];乳桿菌屬的多種微生物也缺乏過氧化氫酶、超氧化物歧化酶等在好氧菌中常見的抗氧化酶類，對高濃度的氧氣較為敏感，難以適應(yīng)通氧發(fā)酵，限制了高密度發(fā)酵技術(shù)在乳酸菌培養(yǎng)中的應(yīng)用[67，68]。而在利用乳酸菌處理農(nóng)業(yè)廢棄物時(shí)，一般并不能進(jìn)行嚴(yán)格的厭氧操作，因此，應(yīng)篩選對氧氣耐性較強(qiáng)的菌株或?qū)赀M(jìn)行遺傳改造，以確保菌株活性的正常發(fā)揮和提高生物量。

第三，多菌種和添加劑配伍問題。乳酸菌效果的發(fā)揮離不開其它種類微生物和添加劑的支持。限于菌株自身性質(zhì)，大多數(shù)乳酸菌對木質(zhì)纖維素材料的分解能力并不強(qiáng)，而通過纖維素酶、曲霉、芽孢桿菌等與乳酸菌共同使用，則可以有效提高青貯（黃貯）秸稈的品質(zhì)，降低木質(zhì)化程度和提高有益活菌數(shù)[16，69];同樣的情況也出現(xiàn)在利用多種農(nóng)業(yè)廢棄物生產(chǎn)乳酸等生化產(chǎn)品的實(shí)踐中[5，70]。在科研與生產(chǎn)中，應(yīng)注意通過理論推演和預(yù)試驗(yàn)，尋找乳酸菌與其它微生物、添加劑的最佳配伍方式，盡量防止菌株拮抗、競爭抑制等現(xiàn)象的發(fā)生。

5 總結(jié)與展望

近年來，隨著人們對廢棄物認(rèn)識的不斷深入和相關(guān)環(huán)保法規(guī)的日趨嚴(yán)格，農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化處理問題日益受到國內(nèi)外學(xué)者的重視，如何在環(huán)保的前提下提高廢棄物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值是主要的研究方向之一。本文綜述了國內(nèi)外利用乳酸菌對農(nóng)業(yè)廢棄物進(jìn)行資源化處理的最新進(jìn)展。乳酸菌具有相對安全、較耐酸、厭氧發(fā)酵等獨(dú)特優(yōu)勢，可起到保存有機(jī)物質(zhì)、延緩木質(zhì)化進(jìn)程、高效發(fā)酵轉(zhuǎn)化等良好效果，在農(nóng)業(yè)廢棄物“飼料化”、“肥料化”、“能源化”及“材料化”等主要應(yīng)用領(lǐng)域可發(fā)揮不同作用，特別是在青貯、乳酸發(fā)酵等重要技術(shù)環(huán)節(jié)更具有顯著優(yōu)勢，可大大提高農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)品附加值。簡言之，乳酸菌的主要作用在于：可賦予飼料更好的營養(yǎng)與口感，可給予肥料更佳的腐熟度和氣味，可更好的保存與預(yù)處理生物質(zhì)材料，可生產(chǎn)多種生物化工平臺化合物。

目前，在國家大力推進(jìn)垃圾分類回收的大背景下，農(nóng)業(yè)廢棄物的處理問題變得愈加重要。可以預(yù)見，在不遠(yuǎn)的將來，不對農(nóng)業(yè)廢棄物進(jìn)行合理、有效的處理將會面臨相關(guān)政策法規(guī)的嚴(yán)厲處罰。垃圾只是放錯(cuò)位置的資源，在今后的農(nóng)業(yè)廢棄物資源化處理中，我們應(yīng)當(dāng)充分利用乳酸菌這一類功能微生物，在保證微生物安全性的前提下，結(jié)合基因工程、微生物代謝改造、宏基因組學(xué)等生命科學(xué)技術(shù)手段，提高處理效率，拓展應(yīng)用范圍，大力提高產(chǎn)品附加值;同時(shí)將各種處理方式有機(jī)串聯(lián)，力爭實(shí)現(xiàn)更多種類農(nóng)業(yè)廢棄物的全量消納。

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收稿日期：2019-07-05

基金項(xiàng)目：山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“蔬菜秸稈沼氣發(fā)酵的微生物群落演化規(guī)律研究及優(yōu)化模型的建立”（ZR2017BEE077）;山東省農(nóng)業(yè)重大應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目“規(guī)?；膛鰪U棄物除臭減污資源化關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”;山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“作物秸稈沼氣循環(huán)生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化示范”（2016GGH3103）;山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院青年科研基金項(xiàng)目“農(nóng)作物秸稈厭氧發(fā)酵的菌群分布變化特征研究”（2016YQN39）

作者簡介：付龍?jiān)疲?983—），男，博士，助理研究員，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)微生物與環(huán)境保護(hù)。E-mail： fulongyun2013@163.com

通訊作者：王艷芹（1978—），女，研究員，研究方向?yàn)檎託饪茖W(xué)與環(huán)境保護(hù)。E-mail： wangyanqin2003@126.com