纳米银对秸秆腐解过程中元素和成分含量的影响

2010-08-09王宏燕郑国香李文哲

东北农业大学学报 2010年1期

李涛，王宏燕，郑国香，李文哲*，孟杰

（1.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030；2.东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

秸秆作为生物质的重要组成部分，其应用越来越受到人们的关注。目前，利用秸秆生产乙醇、沼气和生物柴油以及发电的技术日趋成熟。然而由于秸秆能被微生物酶降解或转化[1]，它的储运问题逐渐显现[2-3]。

银离子消毒剂是一种无毒、无味、无刺激、无污染的“绿色杀菌制品”[4]，但由于普通银制品具有材料成本高、游离态银离子的化学性能不稳定等缺点，使银系杀菌材料的应用受到了较大的限制[5]。纳米技术的出现，使这一现状得到了巨大的改变。由于纳米银粒子的比表面积比常规的银粒子大得多，使得银与微生物接触几率大大增加，从而具有高效防腐功能[6]。目前，纳米银系抗菌剂被广泛应用到建筑材料、陶瓷制品及纤维、塑料、涂料、医疗卫生等诸多领域[7]。木质纤维素类物质是秸秆的主要组成部分，其构成元素种类和组成比是重要因素，一般说来，生物质的有机物含量越高（碳元素含量越高），生物质的发热量就越高[8]。文章通过对添加过纳米银溶液的玉米秸秆腐解过程中，元素和物质成分含量的变化进行分析，初步研究纳米银在抑制秸秆腐烂方面上的应用，旨在为生物质秸秆工业化储藏提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 供试材料

试验所用材料为成熟的自然风干的玉米秸秆，将玉米秸秆用铡草机（山东肥城市泰龙机械厂93ZP-8.0）铡成1～3 cm的小段，然后用粉碎机（天津泰斯特仪器有限公司FZ102）粉碎并过2 mm筛备用。试验材料的性质，全碳、全氮、半纤维素、纤维素、木质素的百分含量分别为58.86%、0.59%、27.98%、49.86%、10.03%。

1.1.2 水溶性纳米银

水溶性纳米银购自上海沪正纳米科技有限公司，用去离子水配置成质量浓度分别为1‰、1%的溶液，备用。

1.2 试验设计

本试验共设9个处理，每个处理3次重复。将处理后的玉米秸秆分别秤取100 g放入200 mL的广口玻璃瓶中。添加纳米银溶液的量为秸秆质量的5%（V/W）。

为了分析秸秆含水率对秸秆储存的影响，本试验又设加水和不加水处理，其中30%和60%分别为秸秆质量的百分比（W/W），为了保持含水率基本不变，在试验进程中每隔3 d用蒸馏水调整1次。在培养开始时，每个处理中加入5 mL纤维素降解复合菌系（由本实验室从土壤中分离）。整个试验进程均在25℃下进行，每隔7 d取样1次，试验进程共持续60 d。

表1 试验处理Table 1 Experimental treatment

1.3 元素组成和物质成分分析

①全碳的测定：用德国产LiquiTOC测定；②全氮的测定：凯氏定氮法测定。采用F0SS公司的Kjeltec 2300测定；③半纤维素、纤维素和木质素的测定：范氏洗涤纤维分析法测定[9]。采用F0SS公司的Fibertec 1020测定。

1.4 数据处理与分析

采用Excel软件对数据进行整理分析后，用SPSS13.0进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 纳米银对玉米秸秆碳元素含量动态变化的影响

在腐解过程中，秸秆中碳元素含量是逐渐下降的[10]。由图1、2可知，各个处理的碳元素含量均降低了，但变化速率存在明显差异。CK6处理的碳元素含量降低值最高，由最初的58.86%降低到56 d后的50.65%；H0处理的碳元素含量降低值最低，由最初的58.86%降低到56 d后的57.46%。56 d 后碳元素含量的降低值为 CK6＞T6＞H6＞CK3＞T3＞CK0＞T0＞H3＞H0，这说明添加纳米银溶液延缓了碳元素含量的降低。从方差分析（采用SPSS软件13.0进行F检验，显著性水平为0.05，下同）来看，添加1‰的纳米银的F=0.854，P=0.036；添加1%纳米银的F=5.937，P=0.019，因此添加1‰的纳米银和添加1%纳米银对碳元素的含量的影响均差异显著。秸秆中含水与否也影响了秸秆中碳元素含量的变化。从方差分析上来看，添加1‰的纳米银的F=9.077，P=0.001；添加1%纳米银的F=10.532，P=0.001，因此含水率的高低对碳元素的含量的影响差异极显著。

2.2 纳米银对玉米秸秆氮元素含量动态变化的影响

由图3、4可知，各个处理的氮元素含量均不同程度升高，这与碳元素含量的降低不同。从氮元素含量升高值来看，CK6最大，H0最小。56 d后氮元素含量的升高顺序为 CK6＞CK3＞ T6＞CK0＞T3＞H6＞T0＞H3＞H0，56 d 后各个处理氮元素含量的升高同碳元素含量的降低趋势大致相同。从方差分析来看，添加1‰的纳米银的F=4.771，P=0.034；添加1%纳米银的F=25.563，P=0.001，因而添加1‰的纳米银对氮元素的含量的影响差异显著，而添加1%纳米银对氮元素的含量的影响差异极显著。同时，添加1‰的纳米银的F=5.150，P=0.01；添加1%纳米银的F=5.926，P=0.005，说明含水率对氮元素含量的影响差异显著，因此加水处理影响了氮元素含量的升高，秸秆中水分对其中的元素含量的变化存在影响。

图1 CK和T处理试验进程中碳元素动态变化Fig.1 Changes of C element content of CK and T during testing process

图2 CK和H处理试验进程中碳元素动态变化Fig.2 Changes of C element content of CK and H during testing process

2.3 纳米银对玉米秸秆木质纤维素类物质含量变化的影响

木质纤维素类物质含量的变化如图5所示。

图3 CK和T处理试验进程中氮元素动态变化Fig.3 Changes of N element content of CK and T during testing process

图4 CK和H处理试验进程中氮元素动态变化Fig.4 Changes of N element content of CK and H during testing process

图5 试验进程中木质纤维素类物质含量的变化Fig.5 Changes of cellulose,hemicellulose and lignin contents during testing process

处理56 d后，CK6处理中半纤维素和纤维素含量的变化最明显，分别由最初的27.98%和49.86%降低到14.79%和37.56%，其次是CK3处理，变化最不明显的是H0处理，其半纤维素和纤维素由最初的27.98%和49.86%降低到24.95%和48.03%。而木质素的百分含量在各个处理中的变化均不明显，说明了木质素的难降解性，这与前人的研究结果基本一致[11-12]。通过方差分析表明（见表2），添加1‰的纳米银和添加1%纳米银对秸秆中半纤维素（添加1‰的纳米银的F=3.608，P=0.098；添加1%纳米银的F=10.447，P=0.084）、纤维素（添加1‰的纳米银的F=9.536，P=0.091；添加1%纳米银的F=14.767，P=0.062）的影响均为差异显著，而对木质素含量（添加1‰的纳米银的F=4.728，P=0.162；添加1%纳米银的F=8.101，P=0.104）的影响均为差异不显著。

表2 不同处理对木质纤维素含量的方差分析结果Table 2 The ANOVA of different treatments to the content of lignocellulose

3 讨论

秸秆的主要组成成分是纤维素、半纤维素和木质素，而木质纤维素的含量是秸秆转化为能源的主要影响因素。刘吉利等通过对玉米秸秆热值与其组成成分的研究中发现，玉米秸秆的热值与其纤维素、木质素含量呈显著正相关关系[13]。本试验发现：添加纳米银溶液的处理纤维素、半纤维素含量的降低值均显著低于不添加纳米银溶液的处理，添加和不添加纳米银溶液对木质素的含量的影响不显著，这说明纳米银延缓了秸秆中纤维素和半纤维素含量的降低。C、H、O和N是秸秆的主要化学组成成分，其中C的含量直接影响了秸秆的热值[14]。在本研究中，发现添加纳米银溶液的处理C含量的降低值均显著低于不添加纳米银溶液的处理，这表明纳米银抑制了秸秆中C含量的降低。

纳米银是一种新型、广谱抗菌剂，已被广泛应用到诸多领域。刘伟等研究了纳米银对几种常见细菌、酵母菌、霉菌的抑制作用。结果表明，纳米银对供试的大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌、啤酒酵母、假丝酵母、黑曲霉、桔青霉和灰葡萄孢霉等有较为明显的抑制作用，并且纳米银浓度越高，抑菌率就越高[6]；此外，张文钲等的研究发现Ag+可强烈地结合病原菌的酶蛋白巯基，使酶失活，从而起到杀菌的作用[15]。在本研究中，添加纳米银溶液处理的C含量和纤维素、半纤维素含量降低的速率明显低于不添加纳米银溶液的处理，而秸秆是被微生物产生的一系列酶降解或转化的，这说明纳米银对环境中的微生物具有明显的抑制作用。但由于本文是首次将纳米银应用于秸秆防腐方面，因此纳米银在防腐方面应用的最适浓度以及作用机理有待进一步研究。另外，秸秆腐解过程中元素和木质素含量的变化，受许多因素的影响。由于受客观试验条件的限制，本试验采取在室内瓶装静态试验的的方法对玉米秸秆腐解过程中C、N含量以及木质素含量进行了分析，这样就可能忽略了其他因素对玉米秸秆腐解过程中C、N含量以及木质素含量的影响，因此在以后的研究中应该尽可能的在多因素控制下探讨纳米银对秸秆腐解过程中元素和木质素含量的变化的影响。

4 结论

纳米银是一种新型抗菌剂，本试验对添加过不同浓度纳米银溶液的玉米秸秆腐解过程中元素和物质成分含量的变化进行了分析，从秸秆中元素的动态变化来看，纳米银对秸秆中碳元素含量的降低具有显著的抑制作用，特别是其浓度在1%时尤为突出。纳米银溶液的加入也延缓了秸秆中氮元素含量的升高；从秸秆有机成分的变化来看，纳米银对木质纤维素类物质含量的降低具有明显的抑制作用。

因此，可以确定，在25℃条件下，纳米银溶液对环境中的微生物有一定的抑制作用，尤其是纳米银溶液浓度是1%时。此外，秸秆中自身含水量的高低也影响了秸秆中元素和物质成分含量的变化。

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