微生物在油菜秸稈資源化中的應用研究進展

李 豪，鄒 偉

（四川理工學院生物工程學院，四川自貢 643000）

油菜是我國重要的經濟作物之一，2016年我國油菜種植面積已達710萬hm2，油菜籽產量約為 1400萬 t（陳艷軍，2017），油菜秸稈年產量約為3780萬t[按油菜草谷比2.7（畢于運，2010）推算]。由于體積大、重量輕，收獲時間通常與水稻種植相沖突等因素，油菜秸稈常常被直接丟棄和焚燒處理（張蓓蓓等，2017）。廢棄秸稈不僅占用土地空間、浪費資源，而焚燒后可能會加重部分地區霧霾污染（汪玉芳，2013）。研究表明：油菜秸稈含有多種營養物質和微量元素 （牛文娟，2015），具有巨大的資源潛力（表1）。因此，油菜秸稈的資源化利用勢在必行。目前，油菜秸稈資源化處理方法多種多樣，常見的有：物理處理法如制作燃料碳，化學處理法如氨化處理，生物處理法如腐熟還田、發酵產秸稈飼料、食用菌基料和污水處理 （韋波，2015；劉標等，2014；饒嬋，2012）等。這其中生物處理法以其高效率、低成本、無污染的優點，一直是油菜秸稈資源化研究的熱點，而微生物在生物處理法中起重要作用。本文主要綜述了微生物在油菜秸稈資源化中的應用研究進展。

1 油菜秸稈成分特征

由于油菜的種類以及栽種地域不同，油菜秸稈間成分存在部分差異。油菜秸稈的主要成分是粗纖維，占 40% ～ 51%（Abreu 等，1998）。 與大豆、玉米、小麥秸稈相比，油菜秸稈粗蛋白質較高，營養物質豐富，是良好的動物飼料（烏蘭等，2010）。同時，油菜秸稈不同部位化學成分也有差異，桿部的纖維素含量一般較高，而穗部半纖維素和木質素含量較高（趙蒙蒙等，2011）。 Petersson 等（2007）比較了油菜、冬黑麥和蠶豆秸稈的化學成分，發現油菜秸稈葡聚糖、木聚糖、木質素和灰分含量較高，分別達到干重的27.3%、15%、14.2%和9.6%。總體來說油菜秸稈營養豐富，具有巨大的資源潛力。

2 微生物在油菜秸稈中的應用

2.1 微生物降解油菜秸稈 微生物降解油菜秸稈主要依靠其自身分泌的各種功能酶如纖維素酶、木質素酶等完成（蘭曉玲等，2013）。由于秸稈中纖維素、木質素和半纖維素相互緊緊包裹使得酶難以接近，通常在微生物處理前需要配合一定的化學或物理預處理技術。目前已篩選得到油菜秸稈降解菌主要有霉菌、放線菌、芽孢桿菌等（張輝等，2011）。油菜秸稈降解菌常見為纖維素降解菌、木質素降解菌等。Tuyen等（2013）利用白腐真菌發酵油菜秸稈，20 d時木質素降解率達58.07%，發酵玉米稈和稻草時木質素的降解率為16.3%和64.1%。陳麗園等（2007）從還田處理30 d的油菜秸稈中得到一株分解纖維素能力較強的菌株，發酵第10天CMC酶活達到最大為1064.88U/mL。以上均為單菌降解油菜秸稈研究，但油菜秸稈成分復雜，分解過程通常需要多種酶共同完成，而單一菌種分泌的酶系往往不全，因此可利用多菌株混合培養發酵，增加降解效率。陳朝瓊等（2011）從腐爛秸稈土壤中篩得降解油菜秸稈的優勢菌群，其纖維素酶活性達924 U/mL，發酵油菜秸稈14 d后秸稈、纖維素、木質素降解率分別為71%、82%、53%。郭豪等（2013）將篩得的芽孢桿菌、鏈霉菌、米根霉和木霉制成混合菌劑并發酵油菜秸稈14 d后秸稈、纖維素和半纖維素降解率分別為28.3%、33.1%和23.7%，與市售腐熟劑的處理效果相當。

表1 不同品種油菜秸稈化學成分表

2.2 生物乙醇和生物丁醇發酵 油菜秸稈化學成分中一半是纖維素和半纖維素，將大分子纖維素和半纖維素降解為小分子六碳糖和五碳糖，可作為廉價底物發酵生產燃料乙醇、丁醇等 （覃央央，2017）。通常發酵油菜秸稈生產乙醇的菌種為酵母菌，例如雷韜（2016）利用K氏酵母發酵乙醇時，酒精產率為9.7701%，與理論值相差0.57%。油菜秸稈的預處理技術是發酵生產乙醇的關鍵，如果秸稈預處理后還含有部分大分子物質，可以采用酵母菌結合曲霉共同發酵 （杜蘇萌等，2012；Yu 等，2009）。 為提高發酵效率，李文（2014）將酵母菌固定化后用于乙醇發酵，120 h后乙醇濃度為28.94 g/L，乙醇產率為76%。覃央央（2017）將油菜秸稈用食鹽水漂洗后再烘干粉碎，放入微波反應器加入糖化液糖化后接入丙酮丁醇梭菌發酵能夠生產丁醇，丁醇得率為66%左右。田磊（2015）利用玉米秸稈發酵產丁醇，在經過抑制劑脫除后丁醇產量為10.8 g/L。胡金峰（2014）利用蔗渣生物發酵產丁醇時脫毒后丁醇濃度能達12 g/L。這些研究為油菜秸稈轉化為生物燃料提供了理論支撐。

2.3 生物質能源 沼氣作為能源具有熱值高、能量轉化率高和污染小等特點（高鑫，2013）。白娜等（2011）將油菜秸稈僅經簡單粉碎處理后進行沼氣發酵，發現油菜秸稈的產氣潛力為0.47 L/g。羅義軒等（2013）將豌豆、高粱、蠶豆和油菜四種秸稈接種厭氧污泥在35℃恒溫發酵時，油菜秸稈總產氣量為1303.5 mL，僅次于豌豆秸稈，油菜秸稈產氣率為191.7 mL/g。油菜秸稈產氣速率較慢，可能與油菜秸稈木質素含量較高有關，但其產氣總量可觀，可以作為產沼氣原料。羅彬等（2014）利用纖維素分解產甲烷菌群在CSTR厭氧反應器中分解油菜秸稈41 d，厭氧消化產甲烷時，能產生大量的沼氣，50 g干秸稈能產氣13200 mL，產氣效率達264 mL/g。孫全平等（2014）利用油菜秸稈厭氧發酵日產氣量最高達4.25 L/d，最高累積產氣量達70.665 L，產氣潛力達到0.37 L/g。

2.4 油菜秸稈飼料 油菜秸稈木質化程度高、秸稈粗硬、適口性差，動物直接采食難度大（Ramirezbribiesca等，2011）。 目前可通過氨化、復合青貯、微貯等方式提高油菜秸稈的營養價值和適口性。孟春花等 （2016）將粉碎的油菜秸稈用30%的水和不同比例的碳酸氫銨進行氨化處理時，氨化21 d后的秸稈粗蛋白質增加2倍以上，粗脂肪下降70%，中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維下降10%以上。陳麗園等（2010）比較了改良氨化、混合青貯、商業微貯劑和自篩菌株發酵對油菜秸稈纖維素降解效果，發現混合青貯的纖維素降解率最高，為84.50%，結合混合青貯和改良氨化處理后得到的秸稈飼料能夠代替山羊20%的日糧。才旦等（2006）將油菜秸稈制成草粉與菌粉混合在塑料袋中進行發酵，最終油菜秸稈粗蛋白質提高了33.15%，粗脂肪下降了38.31%，可用此油菜秸稈替代30%的飼料飼喂豬，顯著降低飼養成本。另外，油菜秸稈可以直接粉碎后與其他植物混合發酵，油菜秸稈與皇竹草按3∶7混合，添加150 mg/kg乳酸糞球菌進行混合青貯后，可顯著提高飼料的干物質、有機物質、粗蛋白質、中洗纖維和酸洗纖維的消化率，促進錦江黃牛生長和生產性能 （許蘭嬌等，2016）。由于油菜秸稈成分復雜、木質素含量高等，發酵飼料采食過程容易染菌造成二次污染，若要大面積推廣還需進一步深入研究。

2.5 腐熟還田 腐熟還田是一種較為簡易可行的油菜秸稈處理方式。油菜秸稈中富含氮、磷、鉀等元素，腐熟還田后能提高土壤肥力，改善土壤和農田系統，具有減少化肥使用和提高農作物產量的作用（王旭等，2016）。油菜秸稈由于纖維素含量高，自然分解過程耗時較長，需要加入多種微生物混合的腐熟劑才能加速腐熟進度（Blazier等，2008）。不同腐熟劑對油菜秸稈腐熟效果不同，腐熟10 d后腐解效果相差最大為34.49%，說明腐熟劑能使秸稈快速腐熟，縮短腐解時間，提高秸稈的利用率（柳玲玲等，2014）。使用復合菌劑腐熟并還田處理能降低土壤pH和容重，提高有機質和全氮含量，增加土壤養分，油菜產量能提高5.33%（呂黎等，2014）。油菜秸稈的腐熟還與其所處位置相關，油菜秸稈在表層腐解最快，地下10 cm時最慢，地下20 cm時居中。地表微生物種類多、活動頻繁且夏季地表溫度高，所以地表腐解最快（胡宏詳等，2012）。

2.6 堆肥 堆肥是指利用自然界廣泛存在的微生物，人為的將有機物生物降解為穩定的腐殖質的過程，是一種使固體廢料無害化、資源化的方法。施用油菜秸稈堆肥不僅能促進水稻生長、提高產量（增產產幅達4.7% ～18.2%），還能調節土壤酸堿度，促進pH較低的水稻土中養分釋放和養分平衡（汪根法，2012）。由于堆肥制作時惡臭難聞且伴有污水產生，目前利用油菜秸稈制作堆肥的主要研究方向在縮短堆肥堆制時間和加快腐熟進度。汪季濤等（2006）確定油菜秸稈堆肥發酵條件即粒徑長度為5 cm，C/N比值為25，含水量為70%，氮源為雞糞。堆肥中常見微生物包括細菌、酵母菌和纖維素分解菌等，其中細菌是堆肥中的主要微生物菌群。研究發現在堆肥中引入嗜溫細菌、嗜溫放線菌、高溫酵母菌和分解纖維素的霉菌，可以有效加快堆肥腐熟進度（蘭時樂等，2010）。

2.7 食用菌栽培 油菜秸稈用于食用菌栽培既能減少秸稈的浪費，又能降低食用菌的栽培成本，是一種具有較好經濟效益的處理方式。目前利用油菜秸稈栽培食用菌的研究主要集中在平菇、金針菇、蟹味菇、草菇和香菇等（宋海燕等，2015；丁倫保，2014）。栽培食用菌的關鍵技術是油菜秸稈與其他配料的配比。油菜秸稈可與棉籽殼混合栽培平菇，油菜秸稈組織疏松能增加培養料的通氣性能，可加快平菇菌絲的生長。熊維全等（2010）發現，油菜秸稈的最大添加量為36%，超過36%后出菇時間延長，產量、外觀均比對照組差。油菜秸稈還可替代棉籽殼栽培糙皮側耳菌，40%的油菜秸稈替代棉籽殼可促進菌絲生長且不影響子實體生長和產量（杜靜等，2015）。

3 展望

當前我國油菜秸稈的資源化利用還不夠充分，大量的油菜秸稈仍然被焚燒或自然丟棄，造成環境污染和浪費。油菜秸稈資源化利用方式較多，微生物處理法與化學和物理方法相比具有投入少、操作簡單和無污染等優點。目前大量油菜秸稈降解菌株已經被篩選、鑒定，并用到實際發酵過程。這類微生物主要是芽孢桿菌、木霉、白腐菌等。由于纖維素、木質素和半纖維素的鑲嵌結構，使得降解前的預處理技術變得極為關鍵 （盧光新，2012）。多菌株混菌發酵降解效果一般要優于單菌發酵。油菜秸稈是一種具有巨大潛能的生物質原料，利用其水解產物為底物生產生物乙醇或丁醇的主要技術關鍵在秸稈預處理以及解除秸稈水解液中存在的化學物對發酵過程的抑制（岳耀峰，2010）。秸稈飼料應用時應注重發酵產物的飼喂安全性，同時也要注意飼喂的便宜性，減少由于取料帶來的二次發酵。秸稈腐熟和堆肥這方面研究實踐較多，應注重提高經濟效益，縮短發酵時間。食用菌栽培利用要研究適宜的配比，注重減少染菌。

雖然目前油菜秸稈資源化仍然存在很多問題，如利用率低、經濟效益低、農戶對油菜秸稈資源利用意識不強等。同時油菜秸稈收集較困難，人工收集效率較低，機械收集花費較高，使得秸稈被焚燒或丟棄（彭春艷等，2014）。微生物在油菜秸稈資源化中展現出極大優勢和潛力，對解決秸稈過剩帶來的各種問題具有重要的現實意義。隨著微生物技術如代謝工程、酶工程、合成生物學技術的發展，油菜秸稈的可持續資源化利用也將逐步完善，為我國農業、畜牧業、環境保護等方面做出積極貢獻。