白腐真菌降解農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈的研究進(jìn)展

代廣輝

(阜陽幼兒師范高等?？茖W(xué)校 科學(xué)與健康系, 安徽 阜陽236015)

我國作為一個農(nóng)業(yè)大國，各類農(nóng)作物產(chǎn)量都居于世界前列，在滿足于供應(yīng)我國14多億人口日常飲食的過程中，我國也開始邁向了出口農(nóng)作物產(chǎn)品的道路，隨著農(nóng)作物產(chǎn)量逐年上升的趨勢下，農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈的產(chǎn)量也大幅提升。據(jù)統(tǒng)計，2018年以來，世界各國家的年秸稈產(chǎn)量大約為25億噸～30億噸，而我國2018年的年秸稈產(chǎn)量就達(dá)到了8.92億噸左右，居于世界第一。秸稈作為一類可再生資源的有機原料，在我國的利用率卻不足10%，長期以來，農(nóng)作物秋收過后，大量的秸稈被直接焚燒或堆砌田間，對于環(huán)境造成了極大污染〔1〕。隨著我國養(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展，無機類養(yǎng)殖飼料對環(huán)境造成的污染以及為人體帶來的不健康因素，使得以動物糞便或者是植物農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈這類有機飼料不斷得以應(yīng)用，降解農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈加以飼料化利用，有著廣闊的發(fā)展前景。但秸稈中所含有的大量無法被降解的木質(zhì)素以及半纖維素使得秸稈的利用效率降低。故而必須通過有效的手段去對于秸稈中的木質(zhì)素、半纖維素以及一些難以降解的物質(zhì)進(jìn)行有效降解，進(jìn)而提升秸稈的利用率來造福農(nóng)牧業(yè)。已知目前對于秸稈的降解方式中，發(fā)揮效果最好的就是通過微生物真菌來進(jìn)行降解，目前可以分解秸稈中的木質(zhì)素真菌主要有軟腐菌、白腐菌和褐度菌三類，其中白腐菌所對于秸稈中的木質(zhì)素降解作用最好，成為當(dāng)下國內(nèi)外對于利用微生物降解秸稈的研究熱點〔2〕。

1 農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈的利用現(xiàn)狀

我國每年所產(chǎn)生數(shù)量龐大的農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈，但其在我國的利用效率卻較為低下。農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈中，所含有大量的營養(yǎng)物質(zhì)，如粗蛋白、纖維素以及半纖維素等等，其可以為動物養(yǎng)殖業(yè)提供豐富的飼料資源。從國外來看，李旭軍(2016)指出當(dāng)下美國農(nóng)民在對于農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈的處理上，幾乎看不到任何焚燒的場面，往往都是通過直接售賣給當(dāng)?shù)氐酿B(yǎng)殖企業(yè)利用微生物降解發(fā)酵進(jìn)而轉(zhuǎn)換成可供動物較好吸收的有機飼料〔3〕。而從我國來看，一方面因為長期養(yǎng)殖類企業(yè)所使用無機飼料進(jìn)行飼養(yǎng)，導(dǎo)致我國對于有機類飼料的開發(fā)力度不足，另一方面我國所對于農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈的降解研究不足，農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈的粗蛋白及其他營養(yǎng)物質(zhì)不能直接所被加工降解出來，使得動物對于其中的營養(yǎng)物質(zhì)利用率太低。我國在近兩年對于有機類飼料的開發(fā)逐步提速，但對于農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈的應(yīng)用率還相對較低，據(jù)統(tǒng)計，我國近兩年對于農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈進(jìn)行降解加工后所為養(yǎng)殖業(yè)動物提供飼料的利用比例僅占20%左右，另有約10%的秸稈用于造紙工業(yè)或者工藝品制造業(yè)，其余的都用來進(jìn)行焚燒供暖或還田。就此來看，利用微生物對于秸稈進(jìn)行降解發(fā)酵后給動物去提供相應(yīng)的飼料在我國有著十分可觀的應(yīng)用前景〔4〕。

2 白腐真菌降解木質(zhì)素的作用機制

在農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈中，木質(zhì)素的降解是秸稈資源能否得到較好利用的關(guān)鍵所在。而在對于秸稈中木質(zhì)素的降解過程中，以微生物降解效果最好，并且以白腐真菌為主的微生物對于秸稈中木質(zhì)素的降解作用效果最為顯著，也一直以來是國內(nèi)外農(nóng)學(xué)專家學(xué)者以及其他專家學(xué)者所關(guān)注研究的焦點?；趯Π赘婢鶎τ谀举|(zhì)素降解作用機制來說，其所對于秸稈中的木質(zhì)素降解過程實則就是一個以自由基為基礎(chǔ)所進(jìn)行的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程，其中過氧化物酶、錳過氧化物酶以及木質(zhì)素過氧化物酶作為整個反應(yīng)過程的啟動者或者催化劑起著關(guān)鍵作用。StaleR(2016)表示在具體降解過程中，先是白腐真菌附著在將要被降解的秸稈表面，隨后在適宜的環(huán)境以及溫濕度條件下，白腐真菌通過菌絲分泌出一些可以溶解秸稈表層的防護(hù)型蠟質(zhì)類物質(zhì)，此過程中主要是依靠于白腐真菌所分泌出的超纖維素氧化酶來進(jìn)行溶解的，隨后白腐真菌在對于秸稈表層蠟質(zhì)溶解后即進(jìn)入到秸稈內(nèi)部通過分泌一些過氧化物酶、錳過氧化物酶以及木質(zhì)素過氧化物酶并將其釋放到細(xì)胞外準(zhǔn)備開始對于木質(zhì)素進(jìn)行溶解。白腐真菌在分子氧以及各類催化酶的參與下通過啟動一系列自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)將木質(zhì)素此類高聚物之間的連接鍵斷裂，使木質(zhì)素解聚成一些分散的低分子片段，再經(jīng)過酶的催化作用徹底將其降解成二氧化碳，進(jìn)而使得秸稈中的營養(yǎng)物質(zhì)變得更好吸收也更容易被消化〔5〕。

3 白腐真菌降解農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈的影響因素

根據(jù)國內(nèi)外對于白腐真菌降解農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈的研究進(jìn)展過程發(fā)現(xiàn)，并不是對于秸稈直接利用白腐真菌就可以直接降解的，其在降解過程中也受到許多因素的影響，一旦處理不完善就可能導(dǎo)致出現(xiàn)降解失敗的情況。從國內(nèi)外對于白腐真菌降解秸稈的影響因素來看主要的因素包括酸堿度的影響、發(fā)酵過程中氣體交換的影響、白腐真菌菌種的選擇、碳源，氮源的選擇、以及白腐真菌生長過程中所需要的環(huán)境等，但是在實際的降解培養(yǎng)過程中主要的影響因素包括以下幾個方面：

(1)秸稈的成分

構(gòu)成生命體征的主體基本元素為碳元素和氮元素，在利用白腐真菌對于秸稈進(jìn)行降解過程中，秸稈要有可以滿足于白腐真菌生長以及進(jìn)行各項生命活動的碳源和氮源條件。并且從白腐真菌對于碳源和氮源的需求情況來看，根據(jù)不同時期的白腐真菌對于碳源和氮源也有著不同的需求差異。梁軍鋒等人(2017)通過實驗利用不同的碳元素和氮元素比例對于白腐真菌進(jìn)行了實驗對照的區(qū)別化培養(yǎng)，通過不同的碳氮比培養(yǎng)，得到了白腐真菌所分解的過氧化物酶、錳過氧化物酶以及木質(zhì)素過氧化物酶可以發(fā)揮最佳催化活力的碳氮比環(huán)境，其實驗過程也表明了，不同的碳氮比環(huán)境下，白腐真菌各類酶的活力也不同，進(jìn)而對于秸稈的木質(zhì)素降解效果也不同〔6〕。而由于我國地域條件的差異，不同的地域農(nóng)作物秸稈本身的化學(xué)成分也不同，對于白腐真菌的降解效果也會產(chǎn)生一定的影響。張仲卿, 張愛忠, 姜寧等(2018)在其研究報道中，對于CZ和NEPZ兩個地區(qū)的秸稈木質(zhì)素含量進(jìn)行了調(diào)查研究，其中表示該兩地區(qū)間因為氣候差異原因，CZ地區(qū)的秸稈木質(zhì)素含量較之NEPZ地區(qū)的木質(zhì)素含量較高，并且白腐真菌在對于CZ地區(qū)秸稈降解消化的能力較低于NDPZ地區(qū)，證實了地域和氣候差異的原因?qū)τ诎赘婢到饽举|(zhì)素有著不同的降解效果。

(2)溫度

溫度也是影響白腐真菌降解秸稈過程中的一種至關(guān)因素。其對于白腐真菌的生長、繁殖以及相關(guān)酶的分泌和酶的活力都有著極大影響作用，過高或者過低的溫度會導(dǎo)致其降解效率呈現(xiàn)一定的差異。劉敏(2016)在對于玉米秸稈在接種白腐真菌后在不同溫度下對于木質(zhì)素的降解率進(jìn)行了對比研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在21～25°C情況下，秸稈中木質(zhì)素的降解率最高，而在15°C或是以下時白腐真菌對于秸稈降解率偏低，有些甚至不降解〔7〕。

(3)處理時間

合理的降解時間可以有效提升白腐真菌對秸稈的降解效率。閩曉梅(2015)在對于白腐真菌降解秸稈的處理過程中發(fā)現(xiàn)，白腐真菌在降解時間太短，會導(dǎo)致白腐真菌相關(guān)酶的分泌不足，并且對于木質(zhì)素的降解效率也不明顯，木質(zhì)素的屏障也無法受到較大的破壞，而處理時間太長，則會導(dǎo)致秸稈中的纖維素為被降解，進(jìn)而致使秸稈中大量的營養(yǎng)成分流失〔8〕。張仲卿, 張愛忠, 姜寧等人(2016)也在研究中表示，一般來說白腐真菌處理降解秸稈的最佳時間在5～10天之內(nèi)，一旦超過這個時間，白腐真菌相應(yīng)酶的活力逐漸下降，新酶的分泌量也幾乎不再增多，對于秸稈的降解效率大幅下降。除此之外，酸堿度、降解過程中的通氣量以及氧的提供等都會對于白腐真菌的降解過程產(chǎn)生相應(yīng)影響〔9〕。

4 利用白腐真菌降解秸稈的應(yīng)用前景及展望

近幾年來國內(nèi)外開始不斷對于白腐真菌降解秸稈開展相關(guān)研究，但是要做到較好的去處理利用白腐真菌去處理秸稈還有很長一段的路要走，尤其是如何去更好的將秸稈進(jìn)行降解后利用到動物飼養(yǎng)中，也是一個前景十分可觀的研究重點。而在今后對于白腐真菌降解秸稈的研究方面可以從以下幾個方面開展重點研究：一是通過利用物理和化學(xué)的方法去選用更加降解效率優(yōu)良的白腐真菌。例如Vijaya(2016)通過利用紫外線和X射線去誘變處理后的白腐真菌不僅使得其對于秸稈的降解速率明顯提升，還進(jìn)一步減少了秸稈中粗蛋白和纖維素的損失〔9〕。二是通過利用不用的菌種進(jìn)行白腐真菌的混合發(fā)酵降解使用，這樣就可以使得不同菌種所分泌的酶產(chǎn)生協(xié)同作用，進(jìn)而更好的提升對于秸稈的降解效率。張洪升(2016)就通過研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合型的白腐菌種經(jīng)過復(fù)合后所對于秸稈的降解率同單一菌種的白腐真菌相比所對于木質(zhì)素的降解率提升了7.7%，并且還表示，多利用野生型白腐真菌菌種進(jìn)行復(fù)合使用可以更大程度的提升對于秸稈的降解率〔10〕。三是根據(jù)白腐真菌的特點，不斷去基于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)去探索如何大規(guī)模去進(jìn)行秸稈的處理技術(shù)，不斷提升秸稈的利用率。

5 結(jié)語

整體來看，基于白腐真菌對于秸稈進(jìn)行處理具有著十分可觀的發(fā)展前景，并且加之白腐真菌在對秸稈處理過程中所具有的低能耗、成本小、對于環(huán)境沒有污染等特點，會在后續(xù)對于秸稈的降解過程中得到更好的使用，并且還能夠通過所對于秸稈降解后所帶來的豐富營養(yǎng)物質(zhì)，更好的制作成有機飼料，帶動畜牧養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，響應(yīng)國家政策，減少無機飼料所對于環(huán)境的污染，為人們提供安全健康的肉質(zhì)產(chǎn)品，達(dá)到共贏的局面。