微生物預(yù)處理秸稈纖維漿結(jié)構(gòu)、形態(tài)及成膜性研究

范肖東，張 悅，吳增游，雍 宬，曲 萍，黃紅英，徐躍定，孫恩惠

（1南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210037；2江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部鹽堿土改良與利用（濱海鹽堿地）重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省有機(jī)固體廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210014；3南京理工大學(xué)化工學(xué)院，南京 210014）

0 引言

地膜在農(nóng)業(yè)中被廣泛使用，為作物創(chuàng)造適宜的微氣候，增溫保墑、抗旱節(jié)水，抑制雜草生長(zhǎng)，提高作物產(chǎn)量發(fā)揮了巨大作用[1-2]。大部分的地膜是由聚乙烯制成，全球每年使用大量的地膜，由于塑料殘留物的釋放，給生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)巨大隱患[3]。植物纖維地膜是完全可降解生物地膜[4]。因其具抑草、降解、保肥、改善土壤生態(tài)環(huán)境和提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)等功能，已成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)[1,5-6]。但原材料中纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)和半纖維素、木質(zhì)素與纖維素間通過(guò)分子鏈相互纏繞及氫鍵和化學(xué)鍵相互結(jié)合，具結(jié)構(gòu)復(fù)雜且緊密三維空間網(wǎng)狀特性[7]，導(dǎo)致秸稈纖維流變性及柔韌度較差[8]。

采用物理、化學(xué)、生物等多種技術(shù)可有效打開(kāi)纖維結(jié)構(gòu)，使其更為松軟，有效降低制漿能耗。袁素娟等[9]發(fā)現(xiàn)機(jī)械、膨化、真空、微波等技術(shù)預(yù)處理能增加孔隙率，比表面積，為后續(xù)蒸煮提供有利條件；龐志強(qiáng)等[10]使用螺旋擠壓機(jī)對(duì)木片進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)螺旋擠壓機(jī)撕裂后，木片變得疏松，并且滲透性得到提高，蒸煮化學(xué)試劑消耗量減少，提高了蒸煮效率，但纖維細(xì)胞易受損傷，纖維長(zhǎng)度變短，影響漿料力學(xué)性能；微波制漿預(yù)處理能降低化學(xué)制漿所需能量，減少試劑用量，但會(huì)顯著增加電耗，并對(duì)漿纖維造成潛在損傷[11]；王雙飛等[12]對(duì)甘蔗渣進(jìn)行膨化處理后，纖維束得到分離，生物結(jié)構(gòu)被破壞，結(jié)構(gòu)變得松弛，具有較好的打漿性能；陳克利等用氫氧化鈉進(jìn)行堿浸漬稻草纖維，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)堿浸漬后的稻草纖維再進(jìn)行蒸煮時(shí)，能耗降低且所需溫度也下降。Suzie等[13]使用離子液體[C2min][ABS]在190℃下對(duì)蔗渣進(jìn)行處理1 h后，可去除93%以上的木質(zhì)素?；瘜W(xué)預(yù)處理效果明顯且簡(jiǎn)單方便，被廣泛的應(yīng)用于植物纖維原料制漿預(yù)處理。但需要使用大量的化學(xué)物質(zhì)或消耗大量的能源，且可能會(huì)造成環(huán)境污染。

近年，生物預(yù)處理因具綠色、清潔、溫和、高效等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于生物質(zhì)預(yù)處理。Bpjpai等[14]研究使用木質(zhì)素降解菌對(duì)小麥秸稈進(jìn)行預(yù)處理后能夠有效降低化學(xué)試劑的使用，減短蒸煮時(shí)間和降低卡伯值。Lecourt等[15]在溫和的條件下，采用酶處理紙漿有效降低制漿精磨能耗，提高漿料質(zhì)量。微生物和酶類(lèi)的高活性能夠疏松纖維表面，促進(jìn)纖維吸水和滲透性，從而提高制漿性能，降低制漿能耗[16]。生物預(yù)處理在減少環(huán)境污染、改善紙漿性能以及木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的綜合利用方面具巨大的潛力。但傳統(tǒng)生物預(yù)處理時(shí)間較長(zhǎng)，秸稈纖維三大素成分中半纖維素和木質(zhì)素保留較少，纖維得漿率較小，秸稈綜合利用率低。

本文采用復(fù)配微生物對(duì)秸稈纖維進(jìn)行軟化拆解[4]，可促進(jìn)纖維三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)解離，利于制漿過(guò)程分絲和切斷，降低能耗且有效避免化學(xué)處理對(duì)環(huán)境的污染。通過(guò)探究微生物預(yù)處理對(duì)秸稈制漿纖維形態(tài)影響規(guī)律，分析秸稈全漿利用纖維質(zhì)量分布對(duì)成膜力學(xué)性能的影響，進(jìn)一步評(píng)估微生物預(yù)處理秸稈纖維質(zhì)量與力學(xué)性能間的相關(guān)性，為秸稈纖維后續(xù)全量成膜高值利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

水稻秸稈取自江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，將秸稈粉碎至1～2 cm備用，主要成分：纖維素38.75%、木質(zhì)素17.66%（酸溶木質(zhì)素3.26%，克拉森木質(zhì)素14.4%）、灰分5.65%；秸稈理化性狀：總有機(jī)碳41.18%、總氮0.89%、pH 6.85、含水率10.42%。原木漿板購(gòu)自山東道欣新材料有限公司。

微生物預(yù)處理用菌劑由南京寧糧生物科技公司提供，主要由枯草芽孢桿菌、婁徹氏鏈霉菌、地衣芽孢桿菌及米曲霉復(fù)配有效菌種組成。細(xì)菌、真菌、放線(xiàn)菌有效菌數(shù)分別為6.8×107CFU/g，2.71×107CFU/g和1.23×107CFU/g。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 秸稈微生物預(yù)處理 采用實(shí)驗(yàn)室模擬堆肥方法，將微生物菌劑和秸稈按一定質(zhì)量比例（接菌量占秸稈干物質(zhì)的0%、1%、3%和5%）混合，采用尿素調(diào)節(jié)初始C/N為30:1，初始含水率控制為65%，將充分?jǐn)嚢杈鶆蚝蟮奈锪限D(zhuǎn)移至小型發(fā)酵反應(yīng)器中，置于恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行好氧發(fā)酵。在發(fā)酵過(guò)程中，人工翻堆頻率1次/7 d，分別在第7、14、21天取樣，堆肥溫度參照實(shí)際發(fā)酵溫度模擬，以10℃/d升至60℃，從第4天開(kāi)始保溫4天，后續(xù)降溫至50℃持續(xù)培養(yǎng)至21天。

1.2.2 秸稈纖維制漿與成膜 將采樣物料進(jìn)行機(jī)械打漿（瓦力打漿機(jī)，AT-WL，山東安尼麥特儀器有限公司），漿料濃度為1.57%，打漿度以55±2°SR為宜，記錄打漿時(shí)間。將浸泡后的木漿板打漿至打漿度45±2°SR。以秸稈纖維：木漿纖維按照7:3的配比抄造成膜，膜定量為60 g/m2（波動(dòng)范圍為±5%）。成膜條件為溫度97℃，真空度0.096 MPa，將膜于相對(duì)濕度(50±2)%和溫度(23±1)℃的紙張恒溫恒濕箱內(nèi)平衡水分24 h，進(jìn)行理化性能檢測(cè)。

1.3 測(cè)試項(xiàng)目與方法

1.3.1 化學(xué)組分 將樣品研磨經(jīng)索氏提取6 h供化學(xué)組分測(cè)定。綜纖維素、Klason木質(zhì)素、灰分測(cè)定參照GB/T 2677-1995，酸溶木質(zhì)素參照GB/T 10337-2008測(cè)定，纖維素參照《制漿造紙分析與檢測(cè)》方法進(jìn)行[17]。

1.3.2 秸稈漿料纖維形態(tài) 利用用赫氏染色劑對(duì)打漿后的漿料進(jìn)行處理，采用Nikon ECLIPSE Series生物顯微鏡進(jìn)行染色觀(guān)察[18]。

1.3.3 秸稈纖維打漿能耗 將秸稈物料置于瓦力打漿機(jī)內(nèi)（AT-WL，山東安尼麥特儀器有限公司），漿料濃度為1.57%，設(shè)定打漿度55±2°SR，采用時(shí)間表征打漿能耗。

1.3.4 FQA纖維質(zhì)量分析儀 設(shè)定測(cè)量纖維8000根，測(cè)量范圍在0.07～10 mm，使用FQA纖維質(zhì)量分析儀測(cè)定纖維長(zhǎng)度、纖維寬度、纖維長(zhǎng)度分布、長(zhǎng)寬比、細(xì)小纖維[19]。

1.3.5 膜力學(xué)性能 依據(jù)GB/T 12914-2018、GB/T 1539-2007和GB/T455.1-1989對(duì)秸稈基膜的抗張強(qiáng)度、耐破度及撕裂度進(jìn)行測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Origin 8.0作圖，Excel 2007軟件處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用Spss 17.0軟件對(duì)秸稈膜抗張強(qiáng)度、耐破度、撕裂度與纖維質(zhì)量間作Pearson相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 物料降解規(guī)律與化學(xué)組分

物料損失和化學(xué)組分對(duì)秸稈纖維形態(tài)變化及成膜性能優(yōu)化提供重要理論依據(jù)，秸稈物料質(zhì)量損失及化學(xué)組分變化規(guī)律見(jiàn)圖1和2。由圖1可知，接種微生物菌劑有效加速水稻秸稈的降解，且隨接種量的增加，秸稈降解趨勢(shì)呈線(xiàn)性增加，在第21天時(shí)，4組物料分別損失了24.07%、31.13%、35.62%和37.86%。添加5%外源菌劑后秸稈在發(fā)酵初期就以較快速率降解，物料質(zhì)量損失嚴(yán)重。隨時(shí)間的推移，試驗(yàn)組綜纖維素和纖維素含量均顯著降低（圖2）。至21天的發(fā)酵周期結(jié)束，與CK和1%外源菌劑接種量相比，3%和5%處理差異不顯著，且其降解率較高，綜纖維素含量分別降低了12.90%、22.78%、23.54%和26.79%；纖維素含量分別降低了24.83%、29.73%、29.42%和32.31%。而木質(zhì)素和灰分含量均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，灰分含量分別為7.68%、8.78%、9.04%和10.55%，而木質(zhì)素含量差異不顯著。1%接種量隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)，質(zhì)量損失在14天時(shí)與CK達(dá)到顯著差異，且纖維降解質(zhì)量適中。由于木質(zhì)素存在會(huì)對(duì)秸稈膜力學(xué)性能造成一定的負(fù)面影響，因此在預(yù)處理時(shí)要盡量避免其含量的過(guò)多增加。綜纖維素和纖維素的分解決定著微生物預(yù)處理工藝的進(jìn)程，同時(shí)作為制漿原料還影響著漿料的得率和性能[20]，通常綜纖維素的含量與漿料得率呈正相關(guān)，因此盡量減少綜纖維素和纖維素的損失，最大量化的提高漿料得率，以便保障秸稈纖維的全量利用，提高資源利用率，微生物預(yù)處理秸稈纖維不宜接種過(guò)多微生物菌劑及發(fā)酵時(shí)間，結(jié)合試驗(yàn)分析，優(yōu)選接種量1%。

圖1 微生物發(fā)酵處理秸稈物料質(zhì)量損失規(guī)律

圖2 微生物預(yù)處理秸稈纖維化學(xué)組分變化

2.2 秸稈漿料纖維形態(tài)

將經(jīng)不同處理的秸稈纖維染色后置于顯微鏡下觀(guān)察，秸稈纖維形貌結(jié)構(gòu)特征如圖3所示。未接種外源菌劑的秸稈纖維，主以纖維束的形式存在，團(tuán)簇纖維束不利于膜的勻度與物理性能提升。接種1%微生物菌劑的纖維形態(tài)隨發(fā)酵周期的延長(zhǎng)經(jīng)打漿后纖維得到較好的疏解與拆分，纖維束含量明顯減少。在第3周時(shí)纖維表面產(chǎn)生分絲與帚化現(xiàn)象，分解出許多細(xì)小纖維（圖3 g）。隨接種量的增加秸稈纖維拆分愈為劇烈，隨周期增加產(chǎn)生大量細(xì)小纖維，且纖維有切斷現(xiàn)象，而禾草纖維原料本身具長(zhǎng)度低的特性，當(dāng)纖維被切斷后會(huì)導(dǎo)致其所制備的膜力學(xué)性能更低[21]。接種量5%發(fā)酵21天時(shí)秸稈纖維形態(tài)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)打漿后部分纖維結(jié)構(gòu)出現(xiàn)扭曲，纖維結(jié)構(gòu)被破壞嚴(yán)重降低纖維膜的力學(xué)強(qiáng)度（圖3 m）。

圖3 接種外源菌劑0%，1%，3%和5%的微生物預(yù)處理纖維漿料形態(tài)(400×)

2.3 微生物預(yù)處理對(duì)打漿能耗的影響

圖4為不同接種量在不同發(fā)酵時(shí)間下秸稈纖維的打漿能耗，在相同的打漿條件下，微生物處理后物料的打漿時(shí)間大幅降低，相同發(fā)酵周期下，微生物菌劑接種量越高，打漿能耗下降幅度越大。秸稈纖維打漿能耗降低歸因于微生物可分泌復(fù)合酶，復(fù)合酶首先吸附到纖維表面，在纖維表面發(fā)生酶解作用，破壞秸稈纖維的內(nèi)外表面結(jié)構(gòu)，使纖維變得多孔增加纖維的吸水潤(rùn)脹能力，同時(shí)對(duì)堅(jiān)固管狀細(xì)胞腔起到軟化和松弛作用，進(jìn)而使秸稈變得柔軟松散，纖維易于分絲，打漿耗時(shí)下降。相比于發(fā)酵初期漿料打漿時(shí)間降低不明顯，14天后秸稈打漿耗時(shí)并未發(fā)生顯著改變，這可能是由于前期體系中營(yíng)養(yǎng)充足，有利于酶解反應(yīng)的進(jìn)行[4,22]。然而，后期營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供給不足后，微生物活性降低，對(duì)秸稈纖維的分解作用減弱，繼續(xù)延長(zhǎng)處理時(shí)間對(duì)打漿能耗影響不顯著?？偟膩?lái)說(shuō)，1%接種量處理14天時(shí)能耗降低71.54%，是能耗降低較佳方案。

圖4 微生物預(yù)處理對(duì)打漿耗時(shí)的影響

2.4 微生物預(yù)處理秸稈纖維膜力學(xué)性能

2.4.1 秸稈纖維膜抗張強(qiáng)度 微生物菌劑的用量和發(fā)酵時(shí)間直接影響著酶水解纖維素的反應(yīng)速率和反應(yīng)平衡，對(duì)秸稈纖維結(jié)構(gòu)的破壞有著重要影響，是預(yù)處理的關(guān)鍵工藝條件，也是影響漿料性能的重要因素。將未經(jīng)處理秸稈纖維與30%的木漿纖維進(jìn)行配抄制備地膜，作為對(duì)照樣品，地膜的抗張力為10.13 N。經(jīng)不同處理后紙膜的抗張強(qiáng)度均要優(yōu)于原秸稈纖維制備紙膜（圖5）。在同一發(fā)酵時(shí)間下，抗張強(qiáng)度隨著接種量增加基本呈先增加再降低的趨勢(shì)。微生物對(duì)秸稈纖維的拆解，增強(qiáng)了纖維的吸水潤(rùn)脹，纖維的可塑性得到提高，纖維微纖絲層產(chǎn)生松動(dòng)可進(jìn)一步挖掘秸稈纖維的潛在強(qiáng)度。在打漿過(guò)程中增加纖維的外部細(xì)纖化，從而增加纖維的外比表面積和表面羥基數(shù)量，促進(jìn)纖維間的鍵合，使得抗張強(qiáng)度上升。但是，當(dāng)微生物菌劑接入量過(guò)多時(shí)，秸稈纖維纖維素含量下降過(guò)多導(dǎo)致纖維之間形成交織點(diǎn)減少，且纖維素結(jié)構(gòu)被過(guò)度破壞導(dǎo)致膜抗張強(qiáng)度的降低。此外，在未接種微生物菌劑時(shí)抗張強(qiáng)度隨著發(fā)酵周期的增加而增加，而在1%、3%和5%接種量下，隨發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)抗張強(qiáng)度基本先升高再降低，而1%處理14天時(shí)秸稈膜的抗張力達(dá)到最大值19.98 N。以上說(shuō)明，在生物預(yù)處理工藝中，過(guò)高的接種量和過(guò)長(zhǎng)的發(fā)酵時(shí)間均會(huì)過(guò)度破壞秸稈纖維的結(jié)構(gòu)，使得其抗張強(qiáng)度下降[23]。

圖5 微生物預(yù)處理對(duì)纖維膜抗張力的影響

2.4.2 秸稈纖維膜耐破度 由圖6可知，未經(jīng)預(yù)處理的秸稈纖維在木漿添加量為30%時(shí)所制備膜耐破度為65.75 kPa。1%接菌量秸稈膜耐破度高于CK，7天和14天分別提高7.6%和4.64%。而3%和5%耐破度增幅不大，甚至降低，且隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)，耐破度有所下降。這主要是微生物分泌的復(fù)合酶對(duì)纖維進(jìn)行降解，增加了纖維的潤(rùn)脹，削弱了纖維間的結(jié)合力，使得秸稈纖維變得相對(duì)松散，內(nèi)聚力下降，細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)變得松弛，纖維的柔韌性得到提高，從而減少在打漿過(guò)程中的纖維切斷作用，使?jié){料中的細(xì)小纖維含量降低，長(zhǎng)纖維組分比例升高，從而纖維間的結(jié)合點(diǎn)增加。但隨微生物菌劑接種量和發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，復(fù)合酶對(duì)秸稈纖維過(guò)度降解，纖維強(qiáng)度降低，導(dǎo)致在打漿過(guò)程中產(chǎn)生較多細(xì)纖維化作用，細(xì)胞碎片含量增多，降低膜的耐破度。

圖6 微生物預(yù)處理對(duì)纖維膜耐破度的影響

2.4.3 秸稈纖維撕裂強(qiáng)度 纖維的長(zhǎng)度是影響紙膜撕裂強(qiáng)度的最主要的因素，纖維越長(zhǎng)，膜的撕裂度越大。從圖7可以看出，隨微生物菌劑接種量的增加膜撕裂強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢(shì)，在3%的接種量條件下，膜的撕裂性能達(dá)到最大，這與耐破度與抗張強(qiáng)度的變化規(guī)律有所不同。整體而言，接種時(shí)間在14～21天時(shí)達(dá)到顯著差異，是因?yàn)樗毫讯鹊拇笮≈饕Q于纖維的長(zhǎng)短，由此推斷在3%接種量的條件下，打漿后的纖維長(zhǎng)度為最大，撕裂度也較大。在微生物菌劑接種量為5%時(shí)，膜的撕裂性能下降幅度提升，主要是因?yàn)轶w系中的復(fù)合酶對(duì)纖維過(guò)度分解[24-25]，使得纖維結(jié)構(gòu)被過(guò)度拆解，秸稈纖維結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，纖維素鏈也被縮短，導(dǎo)致纖維素長(zhǎng)度過(guò)短，從而使得纖維撕裂強(qiáng)度下降。撕裂度而言，3%接菌量處理14天時(shí)性能較好。

圖7 微生物預(yù)處理對(duì)纖維膜撕裂度的影響

2.5 秸稈纖維質(zhì)量的變化及其與力學(xué)性能相關(guān)度分析

圖8為接種微生物菌劑前后，秸稈纖維長(zhǎng)度分布頻率變化圖（處理?xiàng)l件為接種1%微生物菌劑，處理14天）。由圖可知，相對(duì)未處理的秸稈纖維長(zhǎng)度，在0～0.2 mm范圍內(nèi)的分布量有所減少，其他長(zhǎng)度范圍內(nèi)的纖維含量明顯增加，表明經(jīng)處理后細(xì)小纖維含量減少，纖維長(zhǎng)度有所增加。表1列出了不同微生物處理前后相關(guān)纖維質(zhì)量指標(biāo)的變化，由表1可知，木漿纖維的長(zhǎng)度要遠(yuǎn)比秸稈纖維長(zhǎng)并且細(xì)小纖維含量要小于秸稈纖維中的含量，木漿纖維在膜中起骨架結(jié)構(gòu)作用，秸稈纖維填充其間。微生物處理后秸稈的長(zhǎng)度均比未處理的秸稈纖維長(zhǎng)度大，這和秸稈纖維的力學(xué)性能相對(duì)應(yīng)。在同一接種量時(shí)，微生物預(yù)處理后秸稈纖維的長(zhǎng)度基本隨處理時(shí)間的增加呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢(shì)，在發(fā)酵14天時(shí)，具有較大的纖維長(zhǎng)度。另外，在3%接種量時(shí)，秸稈纖維的長(zhǎng)度基本達(dá)到最大值，然后隨著接種量增加到5%，纖維長(zhǎng)度有所降低，會(huì)產(chǎn)生許多細(xì)小纖維和碎片，使纖維的力學(xué)強(qiáng)度降低。發(fā)現(xiàn)在1%的接種量時(shí)，細(xì)小纖維含量最低，長(zhǎng)纖維含量相對(duì)較高，纖維間的交織增加，因此，抗張強(qiáng)度與耐破度在1%接種量下的值較大。

表1 微生物預(yù)處理前后秸稈纖維質(zhì)量變化

圖8 微生物處理前后纖維長(zhǎng)度分布圖

將纖維膜的抗張強(qiáng)度、耐破度、撕裂度與秸稈纖維質(zhì)量間作Pearson相關(guān)分析，結(jié)果如表2所示。在所標(biāo)注的顯著性水平下，抗張強(qiáng)度與纖維質(zhì)量間無(wú)明顯的線(xiàn)性相關(guān)。耐破強(qiáng)度與纖維質(zhì)量加權(quán)長(zhǎng)度間呈顯著相關(guān)但與其他纖維質(zhì)量指標(biāo)間不存在相關(guān)性。撕裂強(qiáng)度與纖維數(shù)均長(zhǎng)度和纖維長(zhǎng)寬比的相關(guān)系數(shù)分別為0.798和0.720，且P均小于0.01，說(shuō)明撕裂強(qiáng)度與纖維數(shù)均長(zhǎng)度和長(zhǎng)寬比間存在極顯著的線(xiàn)性相關(guān)性，兩者之間的關(guān)系非常緊密，此外撕裂強(qiáng)度與重均長(zhǎng)度呈現(xiàn)顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.595。

表2 秸稈纖維質(zhì)量與力學(xué)性能間的Pearson相關(guān)分析

3 討論

生物質(zhì)資源具有可再生、可降解、儲(chǔ)量豐富等優(yōu)點(diǎn)，使其成為最具開(kāi)發(fā)潛力的綠色替代能源。農(nóng)作物秸稈作為中國(guó)產(chǎn)量大、利用率低、利用方式落后、廢棄率高的可再生資源，亟需解決其資源化利用問(wèn)題。原料化是實(shí)現(xiàn)秸稈高附加值利用的有效途徑，利用生物質(zhì)材料制備可降解基地膜產(chǎn)品成為研究熱點(diǎn)。日本已開(kāi)發(fā)系列植物纖維基地膜并得到應(yīng)用[26]；中國(guó)麻類(lèi)研究所以黃麻和苧麻為原料制備系列可降解麻類(lèi)纖維地膜，應(yīng)用在辣椒、白菜等栽培試驗(yàn)中取得優(yōu)異效果[27]；Senthil等[28]從非洲原生Napier草中提取纖維素，且不會(huì)對(duì)土壤環(huán)境造成污染。但多數(shù)通過(guò)制漿、制黏膠、成膜及污水處理工藝，制漿性能要求高，過(guò)程復(fù)雜，產(chǎn)生CS2污染環(huán)境，得漿率低、資源利用率不高，工藝成本大；近年來(lái)，研究表明微生物發(fā)酵多菌的降解能力遠(yuǎn)高于單菌[29]，主要是因?yàn)閺?fù)合菌系中菌株協(xié)同作用高，分解能力能夠在4天內(nèi)分解水稻秸稈重量的60%[30]，18天分解木薯渣47.3%[31]。但是這種微生物預(yù)處理方法，生物質(zhì)資源短期內(nèi)降解率大，得漿率較低，不符合生物質(zhì)資源全量高值化利用理念。而本文主要采用復(fù)配微生物菌劑，通過(guò)調(diào)控菌劑用量及發(fā)酵時(shí)間對(duì)秸稈纖維制漿能耗、纖維形態(tài)與質(zhì)量的變化趨勢(shì)評(píng)估預(yù)處理效果，數(shù)據(jù)表明水稻秸稈纖維經(jīng)生物預(yù)處理后，在0～21天內(nèi)綜纖維素和纖維素含量隨著處理時(shí)間和微生物菌劑用量的增加而不斷下降，木質(zhì)素和灰分含量逐漸上升。到21天發(fā)酵結(jié)束時(shí)，4組綜纖維素含量分別降低了12.90%、22.78%、23.54%和26.79%。秸稈纖維形態(tài)和質(zhì)量的變化進(jìn)一步說(shuō)明預(yù)處理微生物菌劑用量和發(fā)酵時(shí)間控制非常關(guān)鍵，過(guò)多的菌劑用量和過(guò)長(zhǎng)的處理周期對(duì)纖維長(zhǎng)度破壞嚴(yán)重，對(duì)秸稈纖維過(guò)度降解，使纖維本身強(qiáng)度降低，在打漿過(guò)程中產(chǎn)生較多的切斷及細(xì)纖維化作用，不利于秸稈纖維地膜力學(xué)性能。綜合比較可知復(fù)配微生物菌劑添加量在1%，發(fā)酵時(shí)間為14天時(shí)，秸稈漿纖維形態(tài)及成膜力學(xué)性能指標(biāo)較好。技術(shù)方法過(guò)程中污染少，克服了秸稈原料傳統(tǒng)制漿方法弊端，屬于清潔制漿技術(shù)，符合國(guó)家新形勢(shì)及農(nóng)用綠色地膜的發(fā)展理念。

4 結(jié)論

生物預(yù)處理后秸稈纖維結(jié)構(gòu)被破壞，酶解作用使得細(xì)胞壁變薄，纖維被潤(rùn)脹和松弛，從而利于機(jī)械制漿，打漿能耗顯著降低，當(dāng)微生物菌劑用量1%，發(fā)酵14天時(shí)，打漿耗時(shí)從35 min降低為10 min；生物預(yù)處理后秸稈纖維的力學(xué)性能均得到提升，在微生物接種量為1%，發(fā)酵14天時(shí)，抗張強(qiáng)度和耐破度達(dá)到最大值16.85 N和67.63 kPa。隨接種量和發(fā)酵時(shí)間的增加纖維的抗張強(qiáng)度和耐破度逐漸降低，撕裂度在微生物用量3%，發(fā)酵14天時(shí)達(dá)到最大值240.9 mN。耐破強(qiáng)度與纖維質(zhì)量加權(quán)長(zhǎng)度間呈顯著相關(guān)，撕裂強(qiáng)度與纖維數(shù)均長(zhǎng)度和長(zhǎng)寬比間存在極顯著的線(xiàn)性相關(guān)性，為秸稈纖維后續(xù)全量成膜高值利用提供理論依據(jù)。