玉米秸秆生物降解研究进展

刘东 张春玉 阚君满 宋笛 郭立泉

摘要：我国是玉米秸秆产出大国，玉米秸秆资源非常丰富。由于玉米秸秆结构稳定，木质纤维素含量较高，造成应用困难的。研究对我国玉米秸秆资源开发和降解方法发展现状进行分析，系统的介绍物理、化学和生物降解方法。重点指出生物法降解玉米秸秆的优势、降解机理和影响因素，以期为研究玉米秸秆的综合利用提供参考依据。

关键词：玉米秸秆；木质纤维素；降解；微生物

玉米是世界上主要的粮食、经济和饲料兼用作物，在食用部位成熟采摘后，剩余的茎叶部位即为玉米秸秆。人类虽然不能食用玉米秸秆，但是通过研究发现，玉米秸秆的化学组成丰富，具有潜在的工业和农业价值，可以作为原料进一步加工成燃料、饲料、肥料等物质[1]。目前常用的玉米秸秆降解处理的方法主要包括：化学法、物理法和生物法共三大类，其中生物法研究开展最晚，但是具有绿色、环保、高效的优势，已经成为目前玉米秸秆降解研究的重点方向[2]。传统的生物降解方法降解木质纤维素的能力较弱，营养物质转换效率较低，限制了玉米秸秆的大规模开发应用。因此，生物降解方法成为目前研究重点。本文对我国目前玉米秸秆主要的降解方法和生物法降解玉米秸秆的研究现状进行综述，为提高玉米秸秆的综合应用提高理论支持。

1玉米秸秆资源与应用概况

我国玉米的种植面积持续增涨较快，在玉米产量提升的同时，产生大量的玉米秸秆，但是仅有不到20%的玉米秸秆被有效加工，绝大部分的玉米秸秆被不恰当的方式处置，玉米秸秆生物质燃烧价值巨大，并且每年可以持续产生，是目前最有前景的可再生能源[3]。

2玉米秸秆降解方法发展现状

目前主要的降解方法包括：物理处理法、化学处理法和生物处理法。

2.1物理处理法

物理降解方法是通过机械加工的方法破坏木质纤维素，主要包括以下几方面：（1）粉碎加工，是指通过粉碎的方式，使玉米秸秆颗粒变小，达到分子级别，（2）高压蒸汽爆破，是指将水和玉米秸秆一起放在密闭容器中，保持在一定的温度和压力下，作用一段时间，然后采用突然降压爆破的方法，达到破坏木质纤维层的效果。（3）膨化处理：将水和玉米秸秆混合后，输入挤压腔，通过摩擦、挤压的作用，产生较大的压力和热量，通过类似蒸汽爆破的方法，破坏木质纤维结构；（4）电子束辐照处理：利用电子束的高能射线对玉米秸秆进行处理，降低玉米秸秆中木质纤维素的结晶度，提高降解效率。该方法在实验室和工业应用中降解效率较高，虽然仍然存在成本高的问题，但發展前景较好[4]。

2.2化学处理法

化学方法是通过化学试剂与玉米秸秆共同作用，对其中难以应用物质进行降解，主要方法包括以下几方面：（1）酸处理法，是指使用甲酸、磷酸、盐酸和硫酸等试剂降解玉米秸秆。酸处理后的残留对环境、营养均造成严重破坏，因此目前已经停止使用[5]；（2）碱处理法，主要是指使用氢氧化钠处理玉米秸秆，这种方法处理的玉米秸秆也存在显著的残留，目前已经很少使用；（3）氨化处理法，主要是应用尿素对秸秆进行处理，破坏纤维素间的化学键，提高玉米秸秆的降解效率，是目前较为常用化学处理手段；（4）氨碱复合处理，该方法将氨化处理法和碱处理法进行组成，汇集两种方法的优点，已成为最佳的化学处理方法；（5）氧化处理法，是指使用过氧化氢、臭氧等氧化剂，通过氧化分解作用处理木质纤维素。氧化剂的残留可能对反刍动物瘤胃造成影响，影响饲料的安全性[6]。

2.3生物处理方法

生物处理玉米秸秆的方法主要是使用一种或几种微生物共同作用，在生物酶等多种手段的协作下，改善玉米秸秆的理化性质，降解木质纤维，从根本上提高提高玉米秸秆的营养组成。目前主要的生物处理方法主要有传统法和酶解法方式，其中传统法主要是以青贮、微贮的形式体现，应用最广泛。

青贮是指将玉米秸秆处于厌氧环境中，利用秸秆自身的有益的厌氧菌株进行分解，通过产酸的方式杀死或抑制有害菌，提高玉米秸秆饲料的保存时间。微贮是指通过添加微生物的方法处理玉米秸秆，是目前重点推广的处理手段[6]。酶解处理法是目前应用最成熟的生物降解方法，是使用目前已知的多种纤维素水解酶类协同处理玉米秸秆，实现玉米秸秆中纤维素含量的下降，最终提高玉米秸秆中可溶性含糖量的提高。

3降解玉米秸秆的生物体系研究进展

3.1细菌降解体系

目前已知的具有木质纤维素降解作用的细菌主要有：生胞噬纤维菌属（Sporocytophage）、堆囊菌属（Sorangium）、原粘杆菌属（Promyxobecterium）、微球菌属（Micrococcus）、梭菌属（Clostridium）、纤维杆菌属（Culmolnoas）、纤维粘菌属（Cytophaga）、弧菌属（Vibrio）、瘤胃球菌属（Ruminococcus）、纤维单胞菌属（Cellulomonas）、假单胞菌属（Pseudomonas）、芽孢杆菌属（Bacillus）和螺旋体属（Spirochaeta）。这些细菌可以有效的降解纤维素，同时由于细菌体积较小，具有较小的比表面积，可以快速进入木质纤维间隙，对木质纤维进行改性，使结晶状态的木质纤维快速降解为低分子量的木质纤维片段，因此细菌降解体系的研究最为深入[7]。

3.2真菌降解体系

真菌是降解纤维素、半纤维素和木质素效果最强微生物，这是因为真菌的降解手段具有多样性特点，不仅可以分泌纤维素降解酶，还可以分泌具有机械穿插作用的丝状菌丝，它们均可以有效穿透木质纤维素的角质层，可以显著提高纤维素和对应的降解酶的接触几率，改善纤维素的降解效率。目前已知的具有纤维素降解作用的真菌主要包括：毛壳霉属（Chaetomium），漆斑霉属（Myrothecium），康氏木霉（Trichodermakoningii），根酶属（Rhizopus），黑曲霉（Aspergillusniger），木霉属（Trichoderma），意大利青霉（Penicilliumitaly），脉胞霉属（Neurospora）等，虽然目前已有多种真菌应用于玉米秸秆的降解研究中，但是由于真菌生长条件严格，生长速度较慢，在实际应用中受限明显[8]。

3.3放线菌降解体系

放线菌在繁殖速度上低于细菌，在降解效率和降解范围上低于真菌，但是在高温和高碱性等恶劣环境下的可以有效降解木质素，具有显著的降解效果。放线菌的主要降解机制是对于不溶性的玉米秸秆纤维基质，其可以有效穿透，在高温和高碱性环境下提高玉米秸秆的水溶性，提高玉米秸秆的降解效率。具有典型代表性的放线菌为节杆菌属（Arthrobucter）、高温放线菌属（Thermoactinomyces）、链霉菌属（Streptomyces）、小单孢菌属（Micronomospora）、诺卡氏菌属（Nocardia）等，放线菌在玉米秸秆降解的应用开展较晚，但是其适应性强的特点，非常适合在实际工作应用，具有较好的发展前景[8]。

3.4影响生物降解玉米秸秆的主要因素

3.4.1有机质含量

不同微生物利用的有机质种类有一定差异，并随着有机质的分解过程，微生物的各项指标会发生改变。如果在玉米秸秆降解过程中，由于微生物降解体系组成问题，造成单一有机质用量过大，将会显著影响降解效率。

3.4.2氧含量

玉米秸秆降解过程中，通气情况显著影响微生物的降解效率。好氧微生物需要在10%的氧气含量以上时，才能维持适当的活动和繁殖。然而，氧气的浓度也不能过高，如超过15%，将会引起降解体系温度过低，抑制微生物生长[9]。

3.4.3含水量

在微生物降解玉米秸秆的过程中，水分含量是影响降解效率的关键因素。如果含水量过高，将会导致有机物供氧不足，出现缺氧环境，使微生物处于厌氧状态，在降低生物活性的同时，也会产生不良气体。如果含水量过低，也会抑制微生物的生长，影响降解效率。研究指出，在玉米秸秆降解过程中，控制含水量在50%左右较为合适，但在实际的工作中，需要根据玉米秸秆的干燥程度进行调整。

3.4.4碳氮比

微生物的生长需要适当的底物碳氮比，以维持正常的生命活动。因此，良好的玉米秸秆降解效率需要适合的碳氮比组成。研究指出，当碳氮比维持在2030，玉米秸秆的降解效率最高。

3.4.5温度

温度可以反应微生物的活动效率，同时也是玉米秸秆有效降解的保证。在降解初期，降解体系内温度不高，但随着降解过程进行，微生物开始利用秸秆中的有机物，温度逐步提高。然而，一旦温度超过50℃，不耐高温菌开始受到抑制、死亡，耐高温菌开始生长。不加以控制，温度将会继续升高，造成体系中的绝大部分微生物菌受到抑制，出现休眠或死亡。研究指出，在4050℃的范围内，可降解玉米秸秆的微生物处于较高的降解活性。

玉米秸秆中富含大量的纤维素，是玉米秸秆细胞壁的主要成分，占干重的40%以上。由纤维素组成的结构较为复杂，并且质地结实紧密，普通的方法难以有效降解利用。生物法较物理法和化学法具有较为理想的发展前景，其中选育菌株、构建降解体系是最重要的环节。只有充分了解微生物降解玉米秸秆的机理和影响因素，才能有效的创造降解环境，加快玉米秸秆的降解效率。

参考文献：

[1]刘宇，史同瑞，朱丹丹，等.玉米秸秆利用现状及其生物发酵技术研究进展[J].中国畜牧杂志，2014，50（6）：6164.

[2]陈玉香，陈静，佟金，等.提高玉米秸秆饲用价值方法的研究进展[J].农机化研究，2012，34（1）：713.

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[4]赵伟，汪长江.玉米秸秆发酵饲料的研究进展分析[J].赤峰学院学报（自然科学版），2016，32（22）：1820.

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[7]张斯童，兰雪，李哲，等.微生物降解玉米秸秆的研究进展[J].吉林农业大学学报，2016，38（5）：517522.

[8]张书敏，徐凤花，张蕴琦，等.玉米秸秆纤维素降解菌系的筛选及培养基碳氮源优化[J].安徽农业科学，2016，（34）：8284，89.[12]青格尔，于晓芳，高聚林等.腐解菌剂对玉米秸秆降解效果的研究[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2016，44（12）：107116.

[9]陶莲，冯文晓，王玉荣，等.微生态制剂对玉米秸秆青贮发酵品质、营养成分及瘤胃降解率的影响[J].草业学报，2016，25（9）：152160.

[10]萨如拉，高聚林，于晓芳，等.玉米秸秆低温降解复合菌系的筛选[J].中国农业科学，2013，46（19）：40824090.

基金项目：“玉米秸秆的饲料转化及其示范基地建设研究”，吉林省教育厅项目吉教科合字[2015]第427号资助

作者简介：刘东（1986），男，吉林长春人，预防兽医学博士，吉林工商学院讲师，主要从事生物工程领域研究；张春玉（1972），女，吉林长春人，生物学博士，长春职业技术学院食品生物技术分院教授，主要从事生物工程领域研究；阚君满（1971），男，吉林长春人，信息工程硕士，吉林工商学院教授，主要从事生物信息领域的研究；宋笛（1983），女，吉林长春，生物学硕士，长春职业技术学院食品生物技术分院讲师，主要从事生物工程领域研究。

*通讯作者：郭立泉（1971），女，吉林长春人，生物学博士后，吉林工商学院教授，粮油食品深加工吉林高校重点实验室主任，主要从事生物工程领域研究。