纖維素生物質厭氧消化的生物預處理研究進展

徐琬瑩，田建茹，左 華，邵 蕊，李偉娜

(1.青島市環境保護科學研究院，山東 青島 266003；2.青島市環境保護科學研究設計有限公司，山東 青島 266005)

纖維素生物質組成以纖維素、半纖維素為主，其次是木質素、蛋白質、氨基酸等[1]。木質素具有非水溶性和化學結構復雜性，難被酸和酶水解，且木質素與半纖維素以共價鍵形式結合，形成一種天然屏障[2]，導致纖維素生物質能源化利用效率不高。預處理技術包括物理、化學、生物法以及多種方法聯合。傳統物理和化學法耗能較大，成本較高，例如，高溫熱解預處理，溫度需達300℃[3]；此外，化學法需要加入化學藥品，如堿預處理[3]，增加了環境污染的風險性。生物法具有節約資源、節約能源和減輕環境污染等方面的優點[1]，近年來得到較快發展和重視。生物法利用提取酶或微生物，破壞纖維素生物質結構，提高厭氧消化產沼氣量。完全水解木質素為多數為真菌類，最常見是白腐菌、褐腐菌和軟腐菌[4-5]；細菌以高溫放線菌為主，包括鏈霉菌、節桿菌屬、小單孢菌屬等，此外，假單胞菌屬、芽孢桿菌屬和類芽孢桿菌屬等細菌對木質素有一定水解能力[6]，并具有較強纖維素水解能力。

目前研究進展主要是所有預處理方法(物理、化學、生物、聯合法)對于纖維素生物質厭氧消化產甲烷的影響[7-8]，單獨生物預處理比較研究較少，且不全面。本文聚焦生物預處理，綜述了提取酶、單一微生物、菌群對厭氧消化產甲烷的影響，為纖維素生物質厭氧消化的高效性、環境友好性研究和應用提供參考。

1 纖維素生物質組成、水解酶及生物預處理

1.1 組成及相關水解酶

纖維素生物質組成包括木質素、纖維素、半纖維素、蛋白質、果膠、氨基酸等，其中纖維素、半纖維素、木質素為主要有機成分[1]，3種有機物質占纖維素生物質約40%以上，而對于秸稈類和樹木類，這3種成分比例更高，為60%以上[9-15]。纖維素生物質的水解需要由多種酶共同作用，主要分為木質素酶、纖維素酶和半纖維素酶3大類[16]。由于木質素和半纖維素的結構具有復雜性和多變性的特點，所以水解酶種類較多，分別為7和10種；而纖維素酶僅有3種，詳見圖1；除上述3類水解酶外，淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶也影響纖維素生物質的水解過程[17]。

圖1 纖維素生物質相關水解酶[16,18-20]

1.2 生物預處理

生物預處理指厭氧消化前利用微生物或提取的酶，提高底物水解的一種預處理方法[2]。這種方法將厭氧消化的水解階段分離出來[21]，利用微生物或提取的酶，去除木質素和打破交織結構。然而，對于碳水化合物，預處理過程和厭氧消化過程會存在競爭[22]，如果預處理過程水解過多會導致甲烷產量減少，因為纖維素和半纖維素發生損失[23]，所以，不需完全去除木質素，當大量葡萄糖在酶作用下釋放，木質素和纖維素之間鏈接裂解，即可開始厭氧消化[24]，影響因子主要有：預處理時間、預處理溫度、氧氣濃度和微生物種類等。

2 酶預處理對厭氧消化產甲烷的影響

2.1 木質素酶

錳過氧化物酶(MnP)、漆酶(Laccase)和復合過氧化物酶(VP)預處理纖維素生物質均能提高厭氧消化產甲烷量，且可以減少酚抑制[25-26]，其中漆酶效果最佳，漆酶預處理玉米秸稈24 h后，提高24.19%產甲烷量；而錳過氧化物酶加復合過氧化物酶的預處理時間則是6 h效果最佳，提高甲烷產量17.49%[26]，這不僅說明了不同木質素酶的預處理效果有差異性，也反映了最佳預處理時間不同。此外，在相同木質素酶的條件下，不同纖維素生物質也有差異[25]，24 h酶預處理后，芒草、玉米秸稈、亞麻和柳木產甲烷量分別為141.7，223.6，244.1和97.2 Nl·kg-1VS，比對照組高出4.4%，8%，13.59%和32.07%；而小麥秸稈和大麻最高甲烷產量為6 h預處理組，但相對于對照組甲烷產量無提高[25]，因為漆酶有一定負面效應，產生的苯氧自由基阻攔了纖維素酶和小麥纖維素接觸[27]。小球藻細胞壁主要成分為纖維素，利用商業漆酶預處理小球藻，可以提高20%甲烷產量[28]。此外，也有學者提出單一酶預處理對厭氧消化產甲烷無效果[29]，而漆酶與化學聯合預處理，則比單一化學預處理效果好，其中漆酶聯合堿預處理能提高38%甲烷產量[29]?？傮w上，木質素酶預處理纖維素生物質產甲烷的效果取決于底物種類、木質素酶種類和預處理時間。

2.2 纖維素酶和半纖維素酶

單一纖維素酶預處理纖維素生物質，可提高厭氧消化的甲烷產生量，Wang[30]利用纖維素酶系預處理玉米秸稈，包括：外切葡聚糖酶、內切葡聚糖酶、纖維二糖水解酶和β-葡萄糖苷酶，提高了103.2%的甲烷產量；但纖維素酶和半纖維素酶聯合預處理更能快速提高水解率，如β-木糖苷酶和β-葡糖苷酶[31]，研究得出，內切葡聚糖酶和木聚糖酶混合預處理甜菜渣，比單一內切葡聚糖酶的產氣效果好[32]，因為綜合提高了纖維素和半纖維素水解。Rodríguez[33]使用了內切葡聚糖酶、附屬纖維素酶、木聚糖酶和阿魏酸脂酶預處理玉米芯和葡萄樹枝，均提高了兩種底物厭氧消化的甲烷產生量，其中葡萄樹枝底物甲烷提高率比玉米芯高，達59.8%，因為阿魏酸脂酶有去木質化作用，對于木質素組分高的葡萄樹枝底物，水解效果更好。此外，酶預處理可與物理、化學預處理進行結合，例如：堿、堿+擠壓和超聲波預處理[33-35]，這些研究得出，聯合預處理產甲烷量比單一酶預處理高，說明了物理法、化學法擴大纖維素酶和半纖維素酶與底物的接觸面積。然而也有其它研究表明，在預處理過程中添加纖維素酶和半纖維素酶，無法增加甲烷產量[36-37]，因為接種物中微生物分泌的纖維素和半纖維素酶足夠水解底物，且添加酶和不添加酶的處理間微生物種群無差異性[37]。

2.3 其它酶

商品淀粉酶和蛋白酶也能促進纖維素生物質厭氧消化產甲烷，α-淀粉酶預處理玉米秸稈比單一纖維素酶更能提高甲烷產量，提高了110.79%，因為玉米秸稈中也包含淀粉，在淀粉酶作用下，生成大量葡萄糖和低聚物[30]；但是蛋白酶預處理效果不如淀粉酶和纖維素酶，僅提高了1.47%[30]。對于細胞壁由纖維素構成的藻類，蛋白酶預處理可提高其甲烷產量，如：蛋白酶預處理小球藻，可以增加2.6倍的甲烷產量，77%有機氮得到礦化[38]，因為藻類主要成分是蛋白質。因此，其它酶預處理效果，取決于纖維素生物質其它組分含量及結構。

總體上，酶預處理雖然有專一性、溫和性和高效性等優點[39]，但對于厭氧消化產甲烷來說，效果不明顯，且酶提取成本頗高[21-22]；此外，由于酶有自身生長優化條件范圍，不易適應外界環境[40]。酶的提取通常來源于植物、動物和微生物，最主要的來源為微生物[41]。預處理過程中添加微生物，提供了一個持續產酶的可能性[42]，且酶多樣性高、成本低[43]，有效促進厭氧消化產甲烷。

3 單一微生物預處理對厭氧消化產甲烷的影響

3.1 真菌

真菌不僅能產生木質素酶[44]，而且還能高效生產β-葡聚糖酶，β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶[45]；此外，真菌的產酶效率和酶多樣性較高，用真菌進行預處理成本較為低廉[43]。真菌預處理纖維素生物質提高厭氧消化產甲烷的研究較多，早在1983年，Bisaria利用Pleurotussajor-caju處理稻稈40天后，木質素、纖維素、半纖維素比例都發生下降，其中木質素水解程度最高，從17%下降到9%，而處理后稻稈厭氧消化15天的產氣量提高了53.8%[46]。Pleurotussp.“florida”預處理小麥秸稈也能水解木質素[47]，預處理30天木質素僅水解了0.9%，甲烷產量提高了10%，而60天和90天后的木質素水解程度相當，木質素比例分別下降了2.5%和2%，甲烷產量分別提高了18%和28%，研究表明預處理時間越長，甲烷產量越高[47-48]；但預處理時間越長，半纖維素也發生了損失，預處理90天后，半纖維素損失了6.2%[47]，因此最佳預處理時間為60天。

白腐真菌比棕腐真菌具有更強的木質素水解能力，Ghosh[49]研究得出：Phanerochaetechrysosporium和Polyporusostreiformis預處理稻稈后，產甲烷量分別提高了46.19%和31.94%。在白腐真菌中，不是木質素去除能力越強，甲烷產量越高，Capelar[50]研究了72種白腐真菌發現，木質素去除能力最強的是Lentinuscrinitus，60天木質素水解了80%，而提高甲烷產量最多為Peniopharautriculosa，表明了在預處理過程中，纖維素和半纖維素產生損失。因此，木質素去除和碳損失之間的平衡是生物預處理研究關注重點之一，Agosin[51]采用14C-lignin追蹤方法，不同溫度條件下，探索8種白腐真菌處理小麥秸稈的碳損失，研究得出僅有Dichomitussqualens和Cyathusstercoreus在15～20天具有較強木質素去除能力，且碳損失最少；這兩種真菌在30℃～35℃范圍內的酶活最佳。雖然Sporotrichumpulverulentum和StrainNancon在短時間內水解木質素達40%以上，但導致了較多碳損失。

除了稻稈、小麥秸稈、玉米秸稈、桔子皮等農業廢棄物，真菌對于木質素含量較高的纖維素生物質促甲烷產生效果更好，例如：日本香柏木、日本柳杉芯和劍麻葉[52-54]。Amirta[52]研究得出3種Ceriporiopsissubvermispora預處理日本香柏木的產甲烷效果比Pleurocybellaporrigens好，所有真菌預處理日本香柏木，8周比4周產生更多甲烷，其中C.subvermisporaATCC90467最高，甲烷產量提高率達350%。此外，接種量對甲烷產量也有影響，里氏木霉處理劍麻葉，不同接種量提高甲烷產量范圍為30%～101%；但并不是接種量越高，甲烷產生量越多，最佳接種量為10%[54]。近15年真菌預處理的研究比較見表1。

由表1可見，菌種、預處理時間、溫度等因子影響厭氧消化產甲烷效果。具有木質素去除能力的真菌集中在多孔菌屬、栓菌屬、木霉菌屬、香菇屬、火菇屬、平革菌屬、隔孢伏革屬、黑蛋巢菌屬、革蓋菌屬、擬蠟菌屬，其中效果最好為擬蠟菌屬和平革菌屬，沼氣或甲烷提高率均能達到100%以上[52,57-59]，但僅限于木質素含量較高的農林廢棄物，對于草類效果不明顯[63]，而且木質素含量越高[67]，沼氣或甲烷提高率越大。預處理時間通常為5～90天[55-68]，在一定范圍內，預處理時間越長，沼氣或甲烷產量越高，但時間過長(>60 d)則會引起纖維素和半纖維素的損失，沼氣或甲烷產量反而降低[65]。最佳預處理溫度為60%～75%[60,64-65]，最佳接種量為10%[54,62]，而預處理最適合溫度范圍為25℃～30℃。

表1 近15年真菌預處理纖維素生物質產甲烷研究比較[55-68]

總體上，真菌預處理纖維素生物質雖然能高效去除木質素(20%～80%)，且無抑制厭氧消化過程的代謝物質產生，沼氣或甲烷提高率為10%～300%；但也存在3個缺點[43,69]：一是預處理時間長，一般1周至3個月；二是容易導致纖維素和半纖維素的損失；三是需要特定固態生長介質，生長條件要求高，定植困難。

3.2 細菌

細菌具有體積小、繁殖速度快、適應性強等特點[70]，比真菌更易培養。水解木質素的細菌大多為好氧或兼性細菌，主要集中在放線菌門(Actinobacteria)、變形菌門(Proteobacteria)和厚壁菌門(Firmicutes)等[71]，例如：變形菌門中的Pseudomonasputida和Enterobactersolisp[72-74]；放線菌門的RhodococcusjostiiRHA1.[72,75-76]；厚壁菌門下BacillusligniniphilusL1和Bacillussp.BP-7[77- 78]。具有木質素水解能力細菌見表2，其中變形菌門的細菌為革蘭氏陰性細菌，而放線菌門和厚壁菌門的細菌為革蘭氏陽性細菌。此外，一些研究發現變形菌門中，Sphingobiumsp.SYK-6也具木質素水解能力[73,79]。

單一細菌預處理對厭氧消化影響的研究較少，He[80]37℃利用Bacilluslicheniformis預處理Chlorellavulgaris，60 h后進行厭氧消化，甲烷產量提高9.2%～22.7%，且接種量越高，甲烷產量提高率就越大。溫度對細菌預處理產甲烷有影響，55℃高溫更利于Pseudobutyrivibrioxylanivorans水解微藻生物質，Vidmar[81]使用Pseudobutyrivibrioxylanivorans預處理微藻，經過24 h甲烷提高率為6%(37℃)和17%(55℃)，此外，細菌和微氧結合能縮短預處理時間和預處理溫度，Bacilluslicheniformis預處理過程中通以不同氧氣量，得出5 mL·g-1VS處理甲烷提高率能達17.6%[82]，和之前研究相比[80]，將預處理時間縮短到24 h；在5 mL·g-1VS通氧量和37℃條件下，Bacillussubtilis預處理玉米秸稈后，甲烷產量提高率達17.35%[83]，降低了預處理溫度。

表2 具有木質素水解能力細菌[6]

總體上，相對于真菌，細菌木質素水解能力比較弱[45]，細菌漆酶和過氧化物酶目前所存在酶產量低、酶活性低、容易失活等問題[70]，所以，厭氧消化生物預處理關注單一細菌較少，研究集中在細菌群落預處理。

4 菌群預處理對厭氧消化產甲烷的影響

4.1 貯存預處理

青貯和黃貯可作為一種生物預處理方法應用于厭氧消化中，一類是直接貯存，利用自身的菌群；另一類是人工添加特定微生物或菌群(青貯劑)。直接貯存常見于早期的研究中[84]，近年來，主要關注人工添加微生物對貯存及厭氧消化的影響。青貯劑SILASIL ENERGY(Lactobacillusplantarum和Lactobacillusbuchneri)、BONSILAGE PLUS(L.plantarum,Pediococcuspentosaceus和L.buchneri)，BIO-SIL(L.plantarum)的添加，促進玉米和黑麥產甲烷，其中BONSILAGE PLUS作用90 d后，相對于空白對照組，甲烷提高率分別為12.6%和10.2%；但相對于自然貯存90 d 的處理，僅有3%差異性[85]。青貯劑Silasil Energy(乳桿菌、戊糖乳桿菌和布赫內氏乳桿菌)，Sil-all(L.plantarum,Enterococcusfaecium,Pediococcusacidilacti,Lactobacillussalivarius和4種酶)、Microferm(乳酸菌、酵母菌和真菌，未知種類)能有效提高玉米厭氧消化產氣量，分別為11.8%，10.1%和14.7%[86]，此外，Kristensen[87]研究發現，青貯劑Sill-All Fireguard(同質消化乳酸菌，纖維素酶、淀粉酶、苯甲酸鈉、鉀)和BiotalAxcool Gold(異質和同質消化乳酸菌、木聚糖酶、Beta-葡聚糖酶)的添加，分別將干物質損失從3.5%～6.5%降低到2.3%～5.0%和3.6%～5.6%。對于高羊茅和羊茅黑麥草，最高甲烷產量都是Sill-All Fireguard添加處理，高羊茅最佳貯存時間是3個月，而羊茅黑麥草最佳貯存時間是6個月；對于蘆，青貯劑的添加并不能提高其厭氧消化甲烷產量。因此，貯存預處理影響厭氧消化產甲烷過程，其關鍵因子有：青貯劑組成、貯存時間、底物種類。

4.2 堆肥預處理

堆肥可作為一種由天然或未受控復雜菌群作用下的生物預處理，但極少應用到厭氧消化中[43]。盡管在好氧條件下，有機質容易消耗，物質和甲烷會損失，但可避免厭氧消化體系酸化[88]。纖維素生物質堆肥預處理的研究頗少，Zhou[89]研究得出，玉米秸稈和牛糞于室溫下堆肥20 d后，厭氧消化產氣量提高了30%。在60℃～70℃高溫下開展堆肥預處理稻稈7 d，每個堆肥預處理厭氧消化的產氣率都提高了，預處理后木質素從31.95%下降到27.60%，總碳損失僅1.4%[90]。但是，將堆肥后好氧菌群直接用于生物纖維預處理(20 d)，厭氧消化的沼氣和甲烷產量并未提高[29]。

4.3 微氧預處理

通氧可作為厭氧消化的一種預處理方法以提高生物質的水解。Nguyen[91]在研究城市固體廢棄物處理時，以0.4 L·kg-1h-1的空氣流量進行曝氣預處理，經過五天的曝氣后，不僅沼氣產量大幅提高，而且提高了沼氣中甲烷所占比例。不同于水解階段曝氣，Fu SF[92]在預處理時采用了更少通氧量和通氧時間，提高玉米秸稈厭氧消化產氣和產甲烷量，得到最佳通氧量是5 mL·g-1VS，產甲烷量提高了16.24%，這是因為微氧預處理前后菌群發生了變化，厚壁菌門下Clostridia增多，預處理后Clostridiales相對豐度77.99%，高于處理前15.7%(見圖2和圖3)，產生多種水解酶促進生物質水解[93-94]。因此，微氧預處理(Micro-aerobic pretreatment)也作為生物預處理方法之一，可應用于厭氧消化中。

圖2 微氧預處理前菌群結構[93-94]

圖3 微氧預處理后菌群結構[93-94]

4.4 人工菌群預處理

由于細菌繁殖快和共生能力強，近年人工菌群研究聚焦在特定細菌群落篩選和功能強化。不同于真菌，細菌群落通常有較高的纖維素、半纖維素水解能力[22]。無錫水稻土和高溫填埋場篩選的高溫菌群，55℃預處理木薯渣，其中12 h 預處理甲烷產量最高，提高率為96.63%[95]；通過測序得出，微生物主要為梭菌屬、芽孢桿菌屬細菌及未識別土壤土著菌。此外，用來源于土壤腐植質的菌群處理玉米秸稈15 d，甲烷產量提高75.57%，包括酵母菌、一些可水解纖維素細菌和乳酸菌[96]。

復合菌劑MC-1是從不同底物堆肥后篩選的菌群[97]，具有很強的纖維素和半纖維素水解能力[98-99]，主要包括了5種功能菌株ClostridiumstraminisolvensCSK1,Clostridiumsp.strainFG4,Pseudoxanthomonassp.strainM1-3,Brevibacillussp.,strainM1-5,Bordetellasp.strainM1-6[100]。Yuan[101]使用MC-1預處理玉米秸稈，厭氧消化甲烷產量最高的處理是6 d,2%接種量，提高率達140%。MC-1還應用于預處理廢紙，預處理時間4 d 最佳，最佳接種量2%，厭氧消化甲烷提高率24%～42%[102,103]。Cuo[104]也從堆肥體中篩選菌群，然后加入土壤土著菌，形成的復合菌劑XDC-2；菌群主要包括[105]：Alcaligenes sp.(98%),Alcaligenesfaecalis,Beta proteobacterium,Pseudomonadales bacterium等。與MC-1不同，XDC-2具有較強的半纖維素水解能力，高效產生胞外木聚糖酶，6 d 達330～490 U·Ml-1，稻稈12 d半纖維素水解了78.27%，而纖維素只損失14.08%[105]。Yuan[106]將XDC-2復合菌劑應用于玉米秸稈厭氧消化，預處理5 d后，甲烷提高率達87.9%。此外，Wen[107]比較了MC-1，XDC-2和WSD-5處理狼尾草后厭氧消化效果，3和7 d預處理，MC-1和XDC-2甲烷提高率比WSD-5高，7 d預處理后的厭氧消化甲烷提高率分別為137%和124%；而WSDS-5預處理13,17和21 d效果最佳，因為WSD-5復合菌劑(凋落物和土壤中篩選)包含細菌和真菌，而真菌需要較長預處理時間，才能有效地去除木質素[108-109]。

BYND-5包括Firmicutes(5.96%),Bacteroidetes(40.0%),Deferribacteres(8.94%),Proteobacteria(16.17%),Lentisphaerae(2.13%),Fibrobacteraceae(1.7%)和uncultured bacterium (25.1%)；LMC復合菌群從甘蔗蔗渣堆肥體中篩選，包括Clostridium,Rhodocyclaceae,bacilli和uncultured bacteria，無真菌存在，具有較強纖維素和半纖維素水解能力，而半纖維素酶活性比纖維素酶活性高[110]。BYND-5和LMC分別預處理稻稈和牛糞纖維素，提高了稻稈厭氧消化10%～20%的甲烷產量[111]。根據不同接種量，牛糞纖維素厭氧消化甲烷提高率為14%～59%，但接種量并不是越高越好，其中3∶1接種量最佳，提高率達59%[112]。此外，Muoz[113]從海洋中篩選復合菌群，包括Aeromonas,Pseudomonas,Chryseobacterium和Raoultella，預處理微藻后，甲烷產量提高了140%～158%。Poszytek[114]從污泥和沼液中分離了100多個具有纖維素水解能力的菌株，組成的MCHCA菌群能有效水解玉米秸稈，產氣量提高了38%。

5 結論與展望

部分微生物預處理效果明顯優于化學和物理預處理，且無污染。提取酶預處理有專一性、溫和性和高效性等優點，但也有效果不明顯、成本高的缺點。單一微生物預處理，真菌效果優于細菌，木質素去除率20%～80%，沼氣或甲烷提高率為10%～300%，但存在時間長、碳損失、定植困難的缺點。單一細菌木質素水解能力較弱，相關研究較少，甲烷提高率10%～20%，所以研究集中在細菌群落，其中人工細菌群落預處理效果最佳，沼氣或甲烷提高率達10%～200%。

然而，單一微生物比菌群更容易控制，所以特定功能菌的產酶基因表達有待進一步研究，使其在特定條件下高效生產木質素酶；同時，運用代謝組學方法，進一步研究環境因子誘導調節其代謝途徑，提高預處理過程木質素和半纖維素水解率。此外，對于菌群預處理，不同種類微生物之間相互協同作用也需進一步探索，將特殊高效菌進行組合，加快推動生物預處理菌劑在沼氣工程中的應用。