基于BMP法微生物驅動水稻秸稈選擇性降解木質素能力研究

摘 要：基于生物-機械制漿法，通過分析秸稈組分轉化模型、微觀纖維形態(tài)變化和多維力學性能指標，評估5種微生物對水稻秸稈木質素的選擇性降解能力。設計一種木質素降解反應器進行試驗，結果表明，黃孢原毛平革菌的木質素降解率（53.6%）、優(yōu)先指數(shù)（49.64）和選擇性系數(shù)（4.0606）均最高；經過其處理的秸稈的抗拉強度、剪切強度、彎曲強度和彈性模量分別提高19.24%、30.35%、8.86%和15.32%。微觀形貌分析表明纖維長度、寬度分別減少4.69%和27.32%，長寬比為45.075。仿真模擬表明，反應器具備良好的流動和混合性能。

關鍵詞：生物質；紙漿精煉；計算流體動力學；秸稈組分轉化模型；多維力學性能；微觀纖維形貌分析

中圖分類號：S216.2 " " " 文獻標志碼：A

0 引 言

水稻秸稈年產量約2億t［1］，在生物質能源轉換和環(huán)境保護領域具有巨大潛力［2］。將豐富的秸稈資源用于制漿造紙，可緩解造紙原料緊缺的局面［3］。目前常見的化學、機械法制漿能耗高、污染環(huán)境，而利用微生物降解木質素是一種高效且環(huán)保的方法［4］。相關研究發(fā)現(xiàn)，黃孢原毛平革菌［5］、惡臭假單胞菌［6］、蠟樣芽胞桿菌、粘質沙雷氏菌［7］及香菇［8］均表現(xiàn)出選擇性降解木質素的能力。盡管已有研究在揭示微生物降解木質素方面取得了進展，但缺乏對微生物降解能力的綜合評估。

傳統(tǒng)的降解池設計依賴于參數(shù)調整，缺乏對秸稈與微生物相互作用的系統(tǒng)性研究［9］。計算流體動力學通過模擬反應器的流場揭示其動態(tài)規(guī)律，顯著提升微生物與秸稈的接觸均勻性，加快降解木質素等難降解物質［10］。目前，將計算流體動力學與微生物降解木質素試驗結合的研究較少，對反應器內部復雜流動特性的研究不足。

本文旨在研究不同微生物株在反應器中對木質素的選擇性降解能力。通過秸稈組分轉化分析模型、微觀纖維形態(tài)變化和多維力學性能指標，比較5種微生物在稻稈制漿過程中選擇性降解木質素的能力。設計一種微生物驅動木質素降解反應器并進行試驗，借助計算流體動力學（computational fluid dynamics，CFD）進行仿真驗證，模擬微生物和稻稈混合物質流的運動軌跡，以促進微生物更高效地降解木質素。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本文基于Biologica-Mechanical-Pulping（BMP）法對稻稈進行選擇性降解木質素試驗［11］，水稻秸稈采集自吉林省四平市順邦農機企業(yè)周邊的田地。成熟的稻稈經打捆機處理至長度5～10 cm，傳送至揉絲機中進一步揉絲至3～5 cm，并通過旋風除塵系統(tǒng)去除雜質。預處理后的稻稈送入雙螺桿制漿機中分絲帚化，得到更細小的稻桿顆粒［12］。

選定5種具有選擇性降解木質素能力的微生物，包括黃孢原毛平革菌、惡臭假單胞菌、粘質沙雷氏菌、蠟樣芽胞桿菌和香菇。本文使用的所有微生物株均來自中國普通微生物保藏管理中心。

1.2 試驗裝置

利用Solidworks軟件建立微生物驅動木質素降解反應器的模型，該反應器由兼性好氧降解池、生物催化旋轉攪拌裝置、生物質催化注入通道和生物轉化排出通道組成，如圖1所示。生物質催化注入通道和生物轉化排出通道分別位于其不銹鋼主體壁上下側，生物催化旋轉攪拌裝置位于兼性好氧降解池內部，由雙向垂直分布式翼片組成。生物質催化注入通道通過入口管與微生物活化儲備單元連接，生物轉化排出通道由氣體排出通道、漿液排出通道及廢液排放路徑組成。

1.3 試驗設計

對5種單一微生物處理組的選擇性降解木質素能力進行評估，試驗過程如圖2所示。各組微生物在恒溫條件下培養(yǎng)24 h，形成菌懸液。按微生物與水1∶10的質量比制備單一微生物發(fā)酵液，并注入微生物活化儲備單元，通過注入通道連續(xù)送入降解池。同時，將含水率60%的稻稈與水按1∶2比例混合并勻速送入降解池。為提升攪拌效果和氧氣供應，采用間歇式攪拌的生物催化旋轉攪拌裝置，并在反應器內部實施強制通風，保證通風量不低于50 m3/（h·t）［13］。

在為期25 d的連續(xù)發(fā)酵過程中，對不同微生物驅動的木質素降解過程進行研究。PC組的溫度為35 ℃，pH值為4.5～5.0；而PP、BC和SM組的溫度為30 ℃，pH值為6.0～7.0；將LE組的溫度維持在30 ℃，pH值為5.0～6.0。每隔五天定時采集稻稈樣品，分析其組分、微觀結構及力學性能的變化。為方便后續(xù)分析，對各微生物處理后的稻稈樣品進行編碼，如表1所示。

1.4 選擇性降解木質素能力評估方法

通過綜合應用秸稈組分轉化分析模型（A）、秸稈微觀纖維形態(tài)變化（B）和多維力學性能指標（C），系統(tǒng)評估選擇性降解木質素的能力。

1.4.1 秸稈組分轉化分析模型

對采集的稻稈樣品進行干燥、粉碎和篩選等步驟。分別采用硫代硫酸鈉滴定法、60%硫酸提取蒽酮比色法和鹽酸水解 DNS 比色法測定木質素、纖維素和半纖維素的含量［14］。構建的秸稈組分轉化分析模型為：

[RC=CCm-CCnCC0×100%] "（1）

式中：[RC]——纖維素降解率，%；[CCm-CCn]——相應發(fā)酵周期內稻稈的纖維素凈降解量，g；[CC0]——未經過微生物處理的稻稈纖維素初始含量，%。

[RL=CLm-CLnCL0×100%] （2）

式中：[RL]——木質素降解率，%；[CLm-CLn]——相應發(fā)酵周期內稻稈的木質素凈降解量，g；[CL0]——未經過微生物處理的稻稈木質素初始含量，%。

木質素選擇性降解系數(shù)為：

[SV=CLCC] （3）

木質素降解優(yōu)先指數(shù)為：

[SD=CLm-CLnTD] （4）

式中：[TD]——相應發(fā)酵周期內稻稈的木質纖維素素降解總量，g。

1.4.2 秸稈微觀纖維形態(tài)變化

使用日立Regulus 8100型掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope， SEM）對采集的稻稈樣品進行微觀纖維形態(tài)分析［15］。由于單根纖維強度在發(fā)酵過程中下降，因此選擇降解后稻稈段的纖維強度作為評價指標［16］。為準確反映纖維尺寸的平均特征，選用數(shù)均長度和數(shù)均寬度表示纖維的平均尺寸［17］。

[LA=niLini] （5）

式中：[LA]——數(shù)量纖維平均長度，mm；[ni]——稻稈樣品中的纖維數(shù)量；[Li]——稻稈樣品的平均長度，mm。

[WA=niWini] （6）

式中：[WA]——數(shù)量纖維平均寬度，mm；[Wi]——樣品的平均寬度，mm。

稻稈樣品組分的長寬比（aspect ratio）計算公式為：

[RA=LAMA] （7）

1.4.3 多維力學性能指標

使用美國INSTRON公司5988型號萬能試驗機，對稻稈樣品進行多維力學性能分析。將采集的稻稈樣本制備成30 mm的測試樣品，通過圖像分析法測量樣品的橫截面尺寸［18］。將樣品固定到試驗機的專用夾具中，進行拉伸、剪切、彎曲測試，記錄數(shù)據并進行如下計算：

[σS=FTAST] （8）

式中：[σS]——稻稈樣品的拉伸強度，MPa；[FT]——樣品最大拉力，N；[AST]——樣品受拉伸的橫截面積，mm2。

[τS=FSASS] （9）

式中：[τS]——稻稈樣品的剪切強度，MPa；[FS]——樣品最大剪切力，N；[ASS]——樣品受剪切橫截面積，mm2。

[ωS=k×MmaxWS] （10）

式中：[ωS]——稻稈樣品的最大彎矩，MPa；[k]——稻稈樣品的安全系數(shù)；[Mmax]——稻稈樣品的最大彎矩，N·mm；[WS]——稻稈樣品的抗彎截面系數(shù)，mm3。

2 試驗結果與討論

2.1 秸稈組分轉化模型分析

2.1.1 秸稈組分降解動態(tài)

由圖3a可知，25 d內PC驅動降解的秸稈木質素含量從15.50%下降至7.19%，降解率達到53.6%。經LE處理的秸稈顯示出相對較弱的木質素降解能力，木質素含量僅從15.50%降至11.76%，降解率為24.12%。相比之下，其他3個微生物處理組的木質素含量雖然也有所下降，但降解效率不如PC組顯著。

由圖3b可知，PC組在前20天降解速度快，隨后速度明顯減緩。從第20～25天，降解率從52.80%緩慢上升至53.60%，表明早期易降解的木質素已大量被降解。同時，纖維素和半纖維素的降解率在中期穩(wěn)步上升，表明木質纖維素的交聯(lián)結構逐漸被破壞，纖維素和半纖維素的可降解表面積增大［19］。

2.1.2 選擇性木質素降解能力分析

由圖4可知，PC展現(xiàn)了較高的木質素選擇性降解系數(shù)，特別是在第20天，其降解系數(shù)高達5.9326。PC產生的漆酶、多銅氧化酶、錳過氧化物酶等酶類能有效地破壞木質素的芳香環(huán)結構，通過氧化還原反應切斷β—O—4鍵等主要化學鍵，實現(xiàn)木質素的降解［20］。LE盡管以食用菌著稱，在本文中也顯示出較強的木質素降解能力，其在第25天的降解系數(shù)達到3.0500［21］。其他菌種PP、SM和BC的木質素選擇性降解能力相對較低。

木質素降解優(yōu)先指數(shù)與選擇性降解系數(shù)的結果顯示出相同的趨勢，排名依次為PC、LE、SM、PP、BC。PC在第20、25天的降解優(yōu)先指數(shù)分別為49.64和56.04，LE在第25天的指數(shù)上升至39.04，而PP、SM和BC的降解優(yōu)先指數(shù)則較低，尤其是BC，僅為36.64。

2.2 秸稈微觀結構分析

2.2.1 纖維尺寸量化特征

圖5表明秸稈樣品的纖維長寬比與氣泡大小呈正相關關系，即氣泡尺寸越大，相應的長寬比越高。在5種測試的微生物中，PC的長寬比表現(xiàn)突出，特別是PC25樣本的長寬比達到45.075，比處理前提高了31.14%。LE和SM的長寬比也較高，分別為44.780和44.359。而PP和BC的長寬比則相對較低，分別為43.669和43.191。

在微生物驅動的稻稈降解過程中，主要涉及微觀結構層面的變化，纖維本身的長度保持相對穩(wěn)定［22］。然而，過度的降解可能會導致纖維斷裂，從而縮短纖維長度。第25天，PC組的纖維平均長度最短，為1.99 mm，其次是BC，為2.07 mm。相比之下，LE、PP和SM組的纖維長度較長，分別為2.11、2.14和2.18 mm。

未經處理的稻桿纖維平均寬度為36.6 μm，第25天，PC組的纖維寬度的降幅最大，達到27.32%。纖維寬度減少是因為木質素的去除導致細胞壁變薄，木質素的移除促進了纖維的細化和分離，進而使纖維變得更為纖細［23］。LE處理后的秸稈纖維平均寬度減少了30.54%，SM、PP組處理后的纖維平均寬度分別減少了29.26%和27.05%，BC組處理后的纖維平均寬度顯示了最低的減少率為25.66%。

2.2.2 纖維微觀形態(tài)變化

圖6a為未經微生物處理的稻稈微觀結構，細胞壁線條清晰，細胞組織有序排列。圖6b中，薄壁組織受到輕微降解，而纖維細胞基本保持完整，并未出現(xiàn)明顯變化。圖6c顯示中間層逐漸解體，實質細胞失去支撐，細胞壁局部侵蝕，這是特定降解酶作用于細胞間層的結果［24］。圖6d表明細胞壁的完整性受損，部分結構組分被不同程度地降解。圖6e中，結構降解更明顯，孔隙融合表明降解酶穿透并直接作用于木質素結構，實質細胞間的中間層降解形成侵蝕溝，纖維間粘合鍵被破壞［25］。如圖6f所示，薄壁細胞孔隙融合，血管元件及其周圍細胞壁完全降解，孔隙合并是由于細胞壁成分逐漸分解或被消耗，導致細胞壁失去支撐，變得更加脆弱和松散［26］。

2.3 多維力學性能分析

稻稈原始材料拉伸強度為29.12 MPa，剪切強度為3.86 MPa，彎曲強度為15.32 MPa，彈性模量為3.150 GPa。而經揉絲處理的樣品（降解時間為0天）力學性能較低，其拉伸強度為9.46 MPa，剪切強度為2.57 MPa，彎曲強度為12.30 MPa，彈性模量為1.240 GPa。這一現(xiàn)象的原因可能是稻稈纖維在體系內隨機分布，且在降解過程中受到損傷并縮短，無法發(fā)揮纖維的增強效應［27］。

圖7數(shù)據顯示，經PC處理的樣品力學性能顯著提升，其拉伸強度為11.28 MPa、剪切強度為3.35 MPa，彎曲強度為13.39 MPa，彈性模量為1.430 GPa。相較于其他微生物菌種，PC在保持纖維素結構完整性的同時，也保持了樣品良好的力學性能。

2.4 微觀作用機制與宏觀特性分析

為揭示微生物驅動的選擇性降解木質素機制，對不同微生物組的差異性和不同指標的相關性進行分析，如圖8所示。

在微觀作用機制方面，通過對秸稈組分轉化模型和秸稈微觀結構分析可知，PC的木質素降解選擇性系數(shù)最高，表明PC更傾向于降解木質素而非纖維素。PC組的結構降解更明顯，孔隙融合和侵蝕溝的形成進一步說明PC對木質素結構的穿透作用。第25天，雖然PC的木質素降解率最高，但其選擇性系數(shù)有所下降，表明隨著時間的推移，PC對木質素的選擇性降解作用降低，而對纖維素的降解作用增強。同時，PC處理的纖維平均長度最短為1.99 mm，相比之下，其他微生物處理的纖維長度更長。這種變化表明PC在降解過程中引起纖維的斷裂，進而縮短纖維長度。第25天，PC組的纖維寬度降幅最大為27.32%，可能是由于木質素的去除導致細胞壁變薄。木質素在細胞壁中起到支撐作用，其降解會減少細胞壁的厚度，從而使纖維變得更為纖細。

宏觀特性分析結果與微觀作用機制相互印證。經PC處理的樣品抗拉強度、剪切強度、彎曲強度和彈性模量分別提高19.24%、30.35%、8.86%和15.32%。這些宏觀性能的改善與微觀層面纖維形態(tài)的變化密切相關。PC處理促進了木質素的降解，減少了纖維間的交聯(lián)，從而促進了纖維的細化。纖維長度的縮短和寬度的減少雖然在一定程度上影響了纖維的增強效應，但整體上并未降低秸稈的力學性能。相反，PC通過優(yōu)化纖維間的相互作用和增加纖維表面積，提升了整體力學性能。盡管木質素在PC處理過程中發(fā)生了降解，但秸稈的整體力學性能得到保持，表明PC在降解木質素的同時，對纖維素骨架的破壞極?。?8］。纖維素骨架的保護作用不僅在微觀層面上維持了纖維的增強效應，也在宏觀層面上提升了秸稈的力學性能。由于這種對纖維素骨架的保護作用，與其他微生物處理的樣品相比，PC處理的樣品在多維力學性能上具有明顯的優(yōu)勢。

研究結果表明，PC在所有測試菌株中具有出色的木質素選擇性降解能力，它不僅能有效地選擇性降解木質素，還保持了纖維素結構的完整性。這種選擇性降解機制不僅在微觀層面上改變了稻稈的組分和纖維結構，而且在宏觀層面保持并提高了稻稈的力學性能。

3 仿真模擬試驗驗證

3.1 建立仿真模型

在微生物驅動的木質素降解過程中，分析漿液流動形式具有挑戰(zhàn)［29］。應用計算流體動力學仿真技術，可模擬并優(yōu)化菌液與秸稈混合過程，提高微生物降解木質素的均勻性和效率［30］。因此，將微生物驅動木質素降解反應器的仿真模型簡化為圓柱形，僅包含兼性好氧降解池和生物催化旋轉攪拌裝置。通過控制體積法對降解池進行網格劃分，生成一個包含2354612個單元的網格模型。在求解過程中，Navier-Stokes方程的對流項和湍流傳輸項均采用高效的數(shù)值方法進行計算。針對壓力與速度間的耦合問題，選用Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations算法進行處理［31］。

3.2 設置仿真參數(shù)

基于試驗數(shù)據并經迭代優(yōu)化，確定最優(yōu)仿真參數(shù)：秸稈、發(fā)酵液、水的質量流率分別為41.67、8.33、83.33 kg/h；氣體、秸稈漿液、廢液的質量流出速度分別為33.34、41.67、58.32kg/h。設置秸稈、發(fā)酵液、水的體積分數(shù)分別為75%、2.5%、22.5%。根據生物質材料的特性設定仿真參數(shù)，設置稻稈含水率為60%，密度為160 kg/m3，比熱容為1750 J/（kg·K），熱導率為0.05 W/（m·K）；發(fā)酵液密度為1000 kg/m3，比熱容4.186 W/（m·K），熱導率為0.618 W/（m·K），黏度為0.798 MPa·s。

3.3 確定仿真數(shù)值模擬方法

仿真系統(tǒng)涉及固體相（稻稈）、液體相（發(fā)酵液）以及氣體相（強制通風引入的空氣），盡管這些相在系統(tǒng)中能相互滲透和混合，但各自保持其物理特性。為準確描述秸稈、發(fā)酵液和氣體間的復雜多相流動，選用歐拉-歐拉（Euler-Euler）模型進行仿真模擬［32］，該模型能有效模擬多相流動混合過程。

3.4 秸稈木質素降解的流體混合仿真分析

圖9a和9b顯示，降解池內的流動呈現(xiàn)均勻性，攪拌裝置在垂直和水平兩個方向上均實現(xiàn)了菌液與秸稈的高效混合，從而促進了物質交換和溫度均勻分布。這種流動模式確保了微生物與秸稈間的均勻接觸，提高了木質素降解效率。同時，它還有效地攪拌了池底的物質，減少了死區(qū)，確保了底部微生物的充分參與［33］。此外，均勻的流動促進了物料間熱量和質量傳遞，這對于維持最佳的降解條件和微生物活性至關重要［34］。

跟蹤分析降解池內代表性顆粒的動態(tài)速度［35］，如圖9c所示。顆粒1和2代表秸稈漿料，分別從降解池的上部和底部選??；顆粒3和4代表發(fā)酵液，同樣取自上部和底部；顆粒5和6代表水，也是從上部和底部選取。隨著時間的推移，所有顆粒的速度均趨于0.150 m/s，表明降解池內多相流實現(xiàn)了有效混合。顆粒初始速度不同，但到t=80 s時系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)，顆粒運動均勻。仿真表明，設計的木質素降解反應器具備優(yōu)良的流動和混合性能，為微生物提供了理想條件，從而增強木質素的降解效率。均勻的流動模式保證了微生物與木質素的均勻接觸，顆粒速度的一致性證實了攪拌和循環(huán)系統(tǒng)的有效性。

4 結 論

1）基于生物-機械制漿法，系統(tǒng)評估5種不同微生物對水稻秸稈的選擇性降解木質素能力。黃孢原毛平革菌顯示出最強的木質素降解能力，實現(xiàn)了53.6%的木質素降解率，并展現(xiàn)出較高的木質素選擇性系數(shù)和木質素降解優(yōu)先指數(shù)，顯著優(yōu)于其他菌株。

2）通過綜合分析秸稈組分轉化模型、秸稈微觀形態(tài)和多維力學性能，發(fā)現(xiàn)黃孢原毛平革菌處理的秸稈纖維長度、寬度分別減少了4.69%和27.32%，纖維長寬比為45.075。表明該菌株在選擇性降解木質素的過程中促進了纖維的細化和分離。

3）對木質素選擇性降解機制進行微觀作用機制與宏觀特性分析，發(fā)現(xiàn)黃孢原毛平革菌處理后的秸稈抗拉強度、剪切強度、彎曲強度和彈性模量分別提高了19.24%、30.35%、8.86%和15.32%。證實了該菌株不僅在微觀層面選擇性降解了木質素，而且在宏觀層面保持了秸稈纖維整體的力學性能。

4）設計并優(yōu)化微生物驅動木質素降解反應器，應用流體動力學模擬了微生物驅動的木質素降解過程。通過對其垂直和底部截面速度矢量分布及不同顆粒流速變化分析，發(fā)現(xiàn)該反應器具有流動模式均勻性和顆粒速度一致性，在促進微生物與秸稈混合、增強木質素降解方面表現(xiàn)良好。

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STUDY ON MICROBIAL-DRIVEN SELECTIVE LIGNIN DEGRADATION CAPACITY OF RICE STRAW BASED ON BMP METHOD

Cheng Huiting，Zhao Nan，Zeng Shangpeng，Huang Wanyuan，Gong Yuanjuan，Ren Dezhi

（College of Engineering， Shenyang Agricultural University， Shenyang 110866， China）

Abstract：Based on the bio-mechanical pulping method， the selective degradation of rice straw lignin by five microorganisms was evaluated by analyzing the model of straw component transformation， microscopic fiber morphology changes， and multidimensional mechanical property indexes. A lignin degradation reactor was designed for experimentation， and the results show that Phanerochaete chrysosporium had the highest lignin degradation rate （53.6%）， priority index （49.64）， and selectivity coefficient （4.0606）. The straw treated by this fungus exhibits significant improvements in tensile strength （19.24%）， shear strength （30.35%）， flexural strength （8.86%）， and elastic modulus （15.32%）. Microscopic morphology analysis indicates that the fiber length and width are reduced by 4.69% and 27.32%， respectively， with a fiber aspect ratio of 45.075. Simulation results demonstrated that the reactor has good flow and mixing performance.

Keywords：biomass； pulp refining； computational fluid dynamics； straw component transformation model； multidimensional mechanical property； microscopic fiber morphology analysis