微生物降解秸秆原理简析

王文明

摘 要 农作物秸秆来源丰富，取材方便，秸秆还田不仅节约资源，还可以提高土壤质量。秸秆的快速降解是秸秆还田效率的关键，微生物参与秸秆分解的多个环节，特别是对秸秆中的纤维素、半纤维素以及木质素的分解起着至关重要的作用。

关键词 秸秆还田；微生物；降解；纤维素；半纤维素；木质素

中图分类号：S182 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.4.011

秸秆是农作物收获后的剩余产物，如何利用秸秆已成为研究热点，其中秸秆还田已经成为首选，因为秸秆还田可以把养分归还到土壤，增加土壤有机质，改善土壤质量[1]。秸秆的主要组成成分中，纤维素含量占30%～35%，半纤维素含量占25%～30%，木质素含量占20%～25%[2]，这些成分需要依靠外界微生物来进行降解[3]。微生物具有生产流程简单，适应能强等特点，成为秸秆降解的重要参与者，由于其在秸秆腐熟中起着重要作用，目前在农业中、特别是秸秆腐熟中的应用越来越受到关注[4-6]。

1 半纤维素的降解

半纤维素的快速降解是秸秆分解最重要的环节[7]，大多数放线菌很容易分解半纤维素，同时能够改变木质素的结构[8-9]，绿色木霉、黑曲霉对玉米秸秆半纤维素的降解效果非常明显，降解率分别达到 47.81%、37.53%[10]。短小芽孢杆菌降解半纤维素的效果较好，且在酸性环境酶活高，生长适应性强[7]。有研究表明，在稻秆的降解试验中，食用真菌平菇韩黑和姬菇降解半纤维素的效果非常明显，降解率分别达到51.03%、50.49%[11]。藤仓赤霉（丝状真菌）对水稻稻秆中半纤维素的降解率高达57.9%，是一种非常优秀的半纤维素降解菌株[12]。

2 纤维素的降解

参与纤维素降解由多个酶共同完成，普遍认为有3种：内切酶（内切β-1，4葡萄糖苷酶），外切酶（外切β-1，4葡萄糖苷酶），纖维二糖酶（β-糖苷酶）[13]。芽胞杆菌主要分解秸秆中的纤维素[3]。有研究表明，枯草芽孢杆菌经过发酵后产生较高的纤维素酶，可以加快玉米秸秆的分解[14]。有研究表明，链霉素优良菌株C-5可以产生较高纤维素酶活，对水稻秸秆分解效果明显[15]。白腐真菌对纤维素的降解具有一定效果，而且可以在降解纤维素的同时降解木质素[16]。卷枝毛霉（毛霉属）能够降解坚硬板栗苞壳中的木质纤维素[17]。绿色木霉、黑曲霉能够高效降解玉米秸秆中纤维素，降解率分别达到39.17%、43.56%[10]。戴氏霉属可以承受50 ℃的高温，并且可以具有较高的纤维素酶活，非常适合在高温条件下分解秸秆中的纤维素[18]。有科研人员分离到草酸青霉菌株，可以产生非常强的纤维素酶，成为农业秸秆降解新的菌株[19]。

3 木质素的降解

木质素是植物秸秆中的主要成分，空间结构呈三维网状，是最难降解的化合物之一[20]，木质素的降解需要细菌、真菌、放线菌和微生物共同参与，以真菌为主，细菌的作用最小。真菌中白腐菌对木质素的降解效果最好，且在降解的过程中不会产生色素，参与木质素降解的酶主要有三大酶系：1）氧化酶，主要包括葡萄糖氧化酶和乙二醛氧化酶）；2）过氧化物酶，主要是木质素过氧化酶（LiP）和锰过氧化物酶（MnP）；3）其他酶类，包括漆酶、蛋白酶等[21]，其中LiP和MnP是木质素降解的两个关键酶[22-23]。枯草芽孢杆菌可以产生大量木质素酶，从而快速分解秸秆，而白蚁体内可以繁殖这种菌种[24]。有研究表明，芽孢杆菌（多粘类）产生的β-葡萄糖苷酶，可以高效水解木质素中的纤维二糖[25]，地芽孢杆菌在高温条件下可以最大程度降解木质素，可以用于秸秆的腐熟[26]。烟曲霉YSITB I降解木质素的效果明显，特别是在温度30 ℃，pH6.8的条件下，能够降解构树中56.9%的木质素，烟曲霉YSITB I与枯草芽孢杆菌YSITBII混合使用，降解效果更好[27]。有研究表明，米曲酶CGMCC5992产生的过氧化物酶活性较高，产酶专一性强，是降解木质素较好的菌株[28]；杂色云芝对农作物秸秆中的木质素具有较高的分解能力，降解率达到39.17%[10]。另外，食用真菌香菇含有降解木质素的两种酶，对木质素分解效果较好[11]。

4 结语

秸秆还田可以增加土壤有机质，提高土壤肥力。目前降解秸秆以微生物降解为主，同时结合其他的农业措施共同完成秸秆腐熟。科研工作者通过不断的努力，已经筛选到一些优良的秸秆降解菌株。秸秆降解需要不同的微生物参与完成，对如何把筛选到的优良菌株进行优化组合，即对高效复合菌系的研究具有重要意义。

参考文献：

[1] 吴志胜，王英日.秸秆腐熟剂品种筛选试验初报[J].农业科技通讯，2011（7）：49-51.

[2] 王建华，白韵如.关于秸秆发酵饲料研究与开发若干问题的思考[R].全国首届“生物肥料、生物饲料”研讨会大会专题报告，1998：10-15.

[3] 韩梦颖，王雨桐，高丽，等.降解秸秆微生物及秸秆腐熟剂的研究进展[J].南方农业学报，2017，48（6）：1024-1030.

[4] 师璐，李阳，李国龙，等.高产纤维素酶枯草芽胞杆菌S-16的筛选及其发酵工艺优化[J].生物资源，2017，39（2）：118-124.

[5] 沈雪亮，夏黎明.产纤维素酶细菌的筛选及酶学特性研究[J].林产化学与工业，2002，22（1）：47-51.

[6] 郭成栓，崔堂兵，郭勇.嗜碱芽胞杆菌产碱性纤维素酶研究概况[J].氨基酸和生物资源，2007，29（1）：35-38.

[7] 徐有权，顾文杰，张发宝，等.酸性半纤维素降解细菌的筛选与鉴定[J].微生物学杂志，2012，32（2）：36-40.

[8] 吴襟，何秉旺.诺卡氏菌形放线菌-甘露聚糖酶的化学修饰及活性中心的研究[J].中国生物化学与分子生物学报，2000，16（2）：227-230.

[9] 席北斗，刘鸿亮，白庆中.堆肥中纤维素和木质素的生物降解研究现状[J].环境污染治理技术与设备，2002，3（3）：19-23.

[10] 焦有宙，高赞，李刚，等.不同土著菌及其复合菌对玉米秸秆降解的影响[J].农业工程学报，2015，31（23）：201-207.

[11] 孙江慧，张楠，沈其荣，等.几种食用真菌降解稻草的潜力研究[J].南京农业大学学报2012，35（6）：49-54.

[12] 曾青兰.一株降解水稻秸秆的丝状真菌降解特性的研究[J].中國土壤与肥料，2011（6）：68-71.

[13] Kansoh A L， Essam SA， Zein， et al.Biodegradation and utilization of bagasse with Trichod erma reesei.Polymer Degradation and Stability，1999，62（2）： 273-278.

[14] 吴文韬，鞠美庭，刘金鹏.一株纤维素降解菌的分离、鉴定及对玉米秸秆的降解特性[J].2013，40（4）：712-719.

[15] 徐杰，杨谦.水稻秸秆降解优良放线菌的筛选和鉴定[J].林产化学与工业，2008，28（5）：55-59.

[16] 谢菊兰，吕晓星，肖兵南，等.白腐真菌对稻草木质纤维素的降解试验[J].湖南畜牧兽医，2007（6）：10-11.

[17] 王明月，毕荣璐，王金华，等.板栗苞壳纤维素降解真菌的筛选及降解效果[J].江苏农业科学，2014，42（5）：290-293.

[18] 王垚，罗韵，梁宗琦，等.几种耐热戴氏霉对秸秆的降解效果[J].微生物学通报，2015，42（7）：1279-1286.

[19] 邹潇潇，易子霆，孙前光，等.纤维素降解真菌DF14101的筛选与鉴定[J].微生物学杂志，2016，36（6）：68-72.

[20] 范寰，梁军锋，赵润，等.碳氮比对复合木质素降解菌产酶活力和木质素降解能力的影响[J].中国饲料，2010（14）：23-25，29.

[21] 张力，邵喜霞，韩大勇.白腐真菌木质素降解酶系研究进展[J].吉林畜牧兽医，2009，30（2）：9-12.

[22] 杨暖，张妙直，宋洪英.木质素过氧化物酶应用研究进展[J].现代农业科学，2009，16（4）：19-20.

[23] 吴会广，Cai Yu- jie，苑博华，等.锰过氧化物酶产生菌的发酵优化及酶学性质研究[J].食品与机械，2008，24（4）：17-21.

[24] 樊云燕，李昆，张锦华.木质素降解菌的筛选及其漆酶性质研究[J].畜牧与兽医，2015，47（10）：35-40.

[25] 王远，高秋强，辛秀娟.β-葡萄糖苷酶基因和内切葡聚糖酶基因在枯草芽孢杆菌中的表达[J].应用与环境生物学报，2013（6）：990-996.

[26] 晋果果，翁海波，李萍萍，等.高温木质素降解菌 Geobacillus caldoxylosilyticus J16的筛选及其产酶发酵性质研究[J].中国农学通报，2011，27（8）：334-339.

[27] 袁俊超，吕宝，屈敦妮，等.烟曲霉YSITBI菌株筛选及其降解木质纤维中木质素研究[J].湖北农业科学，2015（17）：4164-4167.

[28] 钱静亚，张正沛，季蓉蓉，等.3株真菌固态发酵产木质素降解酶的研究[J].江苏农业科学，2017，45（5）：277-280.

（责任编辑：丁志祥）