利用乳酸菌處理農業廢棄物的研究進展

付龍云　張柏松　李彥　趙自超　袁長波　井永蘋　王艷芹

摘要：我國農業廢棄物種類繁多、存量巨大，其資源化處理關乎人與自然的和諧發展。利用乳酸菌處理農業廢棄物具有安全高效、適用范圍廣泛、產品附加值高等突出優勢。本文綜述了國內外乳酸菌在農業廢棄物“飼料化”、“肥料化”、“能源化”及“材料化”中的應用現狀和研究進展，并分析了乳酸菌在其中的關鍵作用以及存在的問題，最后對利用乳酸菌處理農業廢棄物的前景與趨勢進行了展望。

關鍵詞：乳酸菌;農業廢棄物;資源化處理;青貯

中圖分類號：X71-1文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2019）11-0149-08

Advances on Research of Utilization of Lactic Acid Bacteria

in Renewable Agricultural Residues

Fu Longyun， Zhang Bosong， Li Yan， Zhao Zichao， Yuan Changbo， Jing Yongping， Wang Yanqin

（Institute of Agricultural Resources and Environment， Shandong Academy of Agricultural Sciences/ Scientific

Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation （Shandong）， Ministry of Agriculture

and Rural Affairs， Jinan 250100， China）

Abstract Agricultural residues in China were various and huge， and how to full use them was one of the key issues to the sustainable development. Treating agricultural residues with lactic acid bacteria had the outstanding advantages such as safe， high efficiency， wide application range and high additional value. In this paper， the research progresses of utilizing agricultural residues with lactic acid bacteria as feed， fertilizer， energy and materials were reviewed， and the key roles of lactic acid bacteria were analyzed. Finally， the trends of agricultural residues treated with lactic acid bacteria were prospected.

Keywords Lactic acid bacteria; Agricultural residues; Resource utilization; Silage

作為一個人口大國，農業在我國經濟社會發展中一直居于基礎性重要地位。農業生產過程中不可避免地產生秸稈、尾菜、畜禽糞污、菌渣等廢棄物，其中尤以秸稈和禽畜糞污總量最為巨大。隨著我國農業生產力水平的不斷提高，農業廢棄物的產生量呈顯著增長趨勢，據有關部門統計，2017年我國秸稈產量約9億噸、禽畜糞污產量達38億噸，分別比2004年提高50.0%和407%[1，2]。與工業廢棄物相比，農業廢棄物一般有機物含量高，富含氮、磷、鉀等植物營養元素，可生化性良好，如果不加有效管理、隨意丟棄，不但浪費了寶貴的可再生資源，而且會嚴重污染環境，造成水體富營養化、臭味氣體污染、人居環境惡化等各種問題。加快推進我國農業廢棄物的資源化處理進程已刻不容緩[3]。

針對農業廢棄物可生化性好的特點，通過青貯、好氧堆肥、厭氧沼氣消化等微生物發酵的方式對其進行綠色處理，可較好地保存和轉化農業廢棄物的物質與能量，減少次生污染的發生并提高產品附加值。目前常用于農業廢棄物處理的微生物種類主要有芽孢桿菌、霉菌、酵母菌、乳酸菌等。相較于其它種類的微生物，乳酸菌具有安全性較高、較耐酸、厭氧發酵等獨特優勢，可發揮其它種類微生物難以替代的重要作用[4，5]。目前關于農業廢棄物資源化處理中乳酸菌作用的研究報道較為分散，本文綜述了乳酸菌在飼料加工、肥料生產、可再生能源獲取、高附加值產品生產等方面的應用研究進展，以期促進該類微生物在農業廢棄物資源化處理中更好的應用。

1 當前農業廢棄物處理的主要方式

農業廢棄物主要指農業生產過程中產生的有機廢棄物，其種類相當廣泛，既包括農作物種植與加工過程產生的各類秸稈、尾菜、殘果等，也包括畜禽養殖過程中產生的糞便、污水，甚至病死動物的尸體。農業廢棄物富含纖維素、蛋白質等有機營養成分和氮、磷、鉀等營養元素，其合理化處理不但事關可再生資源的有效利用，也關系著農村生產生活環境的改善。目前主流的農業廢棄物處理方式主要有“飼料化”、“肥料化”、“能源化”和“材料化”方向，分別對應飼料加工、肥料生產、生物質能源開發和高附加值產品轉化等技術領域[6，7]。此外，還有秸稈粉碎后還田、秸稈加工制作日用品、利用糞便養殖蚯蚓、黑水虻生產動物蛋白等多種不同處理方式。這些方式各有特色，適合對不同種類和規模的農業廢棄物進行處理，生產實踐中也常常多個方式聯用，以取得更好的處理效果[8，9]。

3.4 在農業廢棄物材料化中的應用

以秸稈、蔬菜廢棄物、糧食加工下腳料等為原料，通過高溫碳化、蒸汽爆破、熱解、微生物發酵等手段生產活性炭、發泡材料、有機酸、多糖等多種有用材料，可極大拓展農業廢棄物應用范圍并有效提高經濟附加值，是充分實現農業廢棄物資源化利用的重要方式[52]。

乳酸本身在化工、制藥和食品加工等不同領域都有重要用途，同時又是丙二醇、多聚丙烯酸等其它化工產品的重要前體，而丙二醇、多聚丙烯酸可用于制造生物可降解塑料和膠囊等制品，環保性能優異。乳酸具有L-乳酸和D-乳酸兩種構型，均可通過化學與生物途徑獲得，通過化工辦法獲得的乳酸一般為L-乳酸和D-乳酸的混合體，而生物途徑獲得的乳酸一般為單種構型，其中只有L-乳酸可被人體吸收。生物途徑制取乳酸尤為重要，目前常用于乳酸發酵的微生物分為以酵母、根霉為代表的真菌和以乳酸菌為代表的細菌兩類[53]。乳酸菌具有獨特的生理代謝特性，絕大多數生理活動不需要氧氣參與，尤其需要注意的是，多數乳酸菌耐酸性較強（pH<5），[JP2]微生物自身生命活動更不容易被酸累積所抑制。研究發現，秸稈、麥麩等多種農業廢棄物均可成為乳酸菌生產乳酸的原料。特別是，利用乳酸菌以木質纖維素類原料生產乳酸，可以避免“工業與人爭糧”并降低生產成本。Hu等[54]以玉米秸稈為原料，通過戊糖乳桿菌（Lactobacillus pentosus）進行糖化-發酵同步處理，最終乳酸得率可達0.52～082 g/g;Grewal等[55]利用短小乳桿菌（Lactobacillus brevis）分別對棉籽餅、小麥秸稈和蔗渣進行糖化-發酵同步處理，乳酸得率分別可達022、049、052 g/g;[JP]Bustos等[56]研究了戊糖乳桿菌利用葡萄樹殘枝的水解物發酵生成乳酸的技術，葡萄殘枝首先水解為含120 g/L葡萄糖、175 g/L木糖、43 g/L阿拉伯糖的混合物，然后接種戊糖乳桿菌進行發酵，最終乳酸產量可達460 g/L;為充分利用玉米秸稈所含的纖維素、半纖維素及其衍生糖類，Cui等[57][JP2]嘗試同時利用兩種乳酸菌——鼠李糖乳桿菌（Lactobacillus rhamnosus）和[JP2]短小乳桿菌對玉米秸稈進行發酵，最終乳酸得率可達070 g/L，分別比單獨使用鼠李糖乳桿菌或短小乳桿菌進行發酵高出186%和296%，此結果十分接近以葡萄糖、木糖混合液為原料進行發酵時的乳酸得率（073 g/L）。[JP]

除乳酸之外，乳酸菌也常被用于利用多種農業廢棄物獲取γ-氨基丁酸（GABA）、甘露醇、生物表面活性劑等有用的生化產品。γ-氨基丁酸是一種非蛋白氨基酸類物質，在人和哺乳動物神經信號傳導中具有重要作用，廣泛應用于醫藥、食品、保健等領域。Yokoyama等[58]以日本清酒酒糟為原料，通過短小乳桿菌發酵制取γ-氨基丁酸，發酵液中γ-氨基丁酸的粗產量為1018 mmol/L;為解決生產中過剩的葡萄汁的應用問題，Di Cagno等[59]利用植物乳桿菌對其進行發酵制取γ-氨基丁酸，30℃下發酵72 h后γ-氨基丁酸的粗產量為483 mmol/L。甘露醇是一種具有抗氧化、調節滲透壓等功能的六碳糖醇，在制藥、食品、化工等領域有重要用途。Zhang等[60]綜述了通過腸膜狀明串珠菌（Leuconostoc mesenteroides）、中間乳桿菌（Lactobacillus intermedius）等乳酸菌發酵菊粉、糖蜜等低值農業下腳料代替果糖生產甘露醇的研究;生物表面活性劑是一類由微生物合成的、可降解的表面活性劑，成分比較復雜，可能包含糖脂、脂肽等多種成分，環境友好，在環保、日用化工、食品等領域有重要用途。Moldes等[61]分別以大麥麩、葡萄樹殘枝、玉米芯和藍桉樹枝等農業廢棄物的水解液為原料，接種戊糖乳桿菌進行發酵，生物表面活性劑產量分別為2.9、6.5、4.7、4.0 g/L，以木質纖維物料為原料時生物表面活性劑產量更高。

4 存在的問題及解決辦法

利用乳酸菌對農業廢棄物進行資源化處理，在兼顧環保的同時可以獲得不錯的經濟效益。但是在科研與生產中仍有若干問題需要格外注意和加以解決，以獲取更好的處理效果。

第一，安全性問題。雖然多種乳酸菌是被國內、國際眾多監管機構認可的安全微生物，但是這種“安全性”是有限定范圍的，如飼料工業中認定安全的微生物不一定可以安全地用在食品、藥品等領域，同種微生物的不同菌株安全性也可能不一致。有研究表明，部分乳酸菌生理代謝可產生一些亞硝酸鹽、吲哚等有毒物質，這些物質累積超過一定限度可能引起動物疾病;部分菌株在正常情況下為無害菌，但是當宿主免疫力低下時可能成為致病菌;抗生素基因可能在不同菌株之間擴散，引發抗藥性問題等等[62-64]。因此，在充分利用乳酸菌各種優良特性的同時，要充分做好菌株的安全性評價工作，避免使用有潛在致病性的菌株。同時，由于許多農業廢棄物的發酵過程不對原料進行預滅菌處理，其中可能存在大腸桿菌、沙門氏菌等致病微生物，因而需要做好發酵過程控制與產品質量檢測，以符合相關衛生標準。

第二，氧氣的影響。氧氣對菌株及發酵的影響非常顯著，部分常用的乳酸菌菌株也存在對氧氣過于敏感，易導致菌株失活、發酵穩定性較差等現象。如雙歧桿菌（Bifidobacterium spp.）為嚴格厭氧菌，細胞缺乏抗氧化系統，環境中少量的活性氧即可導致細胞形態畸變，蛋白質、脂肪等大分子合成受到抑制，甚至完全死亡[65，66];乳桿菌屬的多種微生物也缺乏過氧化氫酶、超氧化物歧化酶等在好氧菌中常見的抗氧化酶類，對高濃度的氧氣較為敏感，難以適應通氧發酵，限制了高密度發酵技術在乳酸菌培養中的應用[67，68]。而在利用乳酸菌處理農業廢棄物時，一般并不能進行嚴格的厭氧操作，因此，應篩選對氧氣耐性較強的菌株或對菌株進行遺傳改造，以確保菌株活性的正常發揮和提高生物量。

第三，多菌種和添加劑配伍問題。乳酸菌效果的發揮離不開其它種類微生物和添加劑的支持。限于菌株自身性質，大多數乳酸菌對木質纖維素材料的分解能力并不強，而通過纖維素酶、曲霉、芽孢桿菌等與乳酸菌共同使用，則可以有效提高青貯（黃貯）秸稈的品質，降低木質化程度和提高有益活菌數[16，69];同樣的情況也出現在利用多種農業廢棄物生產乳酸等生化產品的實踐中[5，70]。在科研與生產中，應注意通過理論推演和預試驗，尋找乳酸菌與其它微生物、添加劑的最佳配伍方式，盡量防止菌株拮抗、競爭抑制等現象的發生。

5 總結與展望

近年來，隨著人們對廢棄物認識的不斷深入和相關環保法規的日趨嚴格，農業廢棄物的資源化處理問題日益受到國內外學者的重視，如何在環保的前提下提高廢棄物的經濟價值是主要的研究方向之一。本文綜述了國內外利用乳酸菌對農業廢棄物進行資源化處理的最新進展。乳酸菌具有相對安全、較耐酸、厭氧發酵等獨特優勢，可起到保存有機物質、延緩木質化進程、高效發酵轉化等良好效果，在農業廢棄物“飼料化”、“肥料化”、“能源化”及“材料化”等主要應用領域可發揮不同作用，特別是在青貯、乳酸發酵等重要技術環節更具有顯著優勢，可大大提高農業廢棄物產品附加值。簡言之，乳酸菌的主要作用在于：可賦予飼料更好的營養與口感，可給予肥料更佳的腐熟度和氣味，可更好的保存與預處理生物質材料，可生產多種生物化工平臺化合物。

目前，在國家大力推進垃圾分類回收的大背景下，農業廢棄物的處理問題變得愈加重要。可以預見，在不遠的將來，不對農業廢棄物進行合理、有效的處理將會面臨相關政策法規的嚴厲處罰。垃圾只是放錯位置的資源，在今后的農業廢棄物資源化處理中，我們應當充分利用乳酸菌這一類功能微生物，在保證微生物安全性的前提下，結合基因工程、微生物代謝改造、宏基因組學等生命科學技術手段，提高處理效率，拓展應用范圍，大力提高產品附加值;同時將各種處理方式有機串聯，力爭實現更多種類農業廢棄物的全量消納。

參 考 文 獻：

[1]黃金枝， 胡桂萍， 俞燕芳， 等. 微生物在農業廢棄物堆肥應用中的研究進展[J].廣東農業科學，2019，46（1）：64-70.

[2]李想， 趙立欣， 韓捷， 等. 農業廢棄物資源化利用新方向——沼氣干發酵技術[J].中國沼氣， 2006（4）：23-27.

[3]張野， 何鐵光， 何永群， 等. 農業廢棄物資源化利用現狀概述[J].農業研究與應用，2014（3）：64-67，72.

[4]Knig H， Frhlich J. Lactic acid bacteria[M]// Biology of Microorganisms on Grapes， in Must and in Wine. 2009.

[5]Abdel-Rahman M A， Tashiro Y， Sonomoto K. Lactic acid production from Lignocellulose-derived sugars using lactic acid bacteria：overview and limits[J]. Journal of Biotechnology， 2011， 156（4）：286-301.

[6]陳智遠. 農業廢棄物資源化利用技術的應用進展[J].中國人口·資源與環境， 2010， 20（12）：112-116.

[7]Sadh P K， Duhan S， Duhan J S， et al. Agro-industrial wastes and their utilization using solid state fermentation： a review[J]. Bioresources and Bioprocessing， 2018，5：1.

[8][JP2]馬驍軒， 蔡紅珍， 付鵬， 等. 中國農業固體廢棄物秸稈的資源化處置途徑分析[J].生態環境學報，2016，25（1）：168-174.[JP]

[9]鐘佳蕓. 畜禽糞便資源化技術研究[D].重慶：西南交通大學，2016.

[10]Papadimitriou K， Alegria A， Bron P A， et al. Stress physiology of lactic acid bacteria[J]. Microbiology and Molecular Biology Reviews， 2016， 80（3）： 837-890.

[11]Ghaffar T， Irshad M， Anwar Z， et al. Recent trends in lactic acid biotechnology：a brief review on production to purification[J]. Journal of Radiation Research and Applied Sciences， 2014， 7（2）： 222-229.

[12]李俊，劉李峰，張晴. 餐廚廢棄物用作動物飼料國內外經驗及科研進展[J].飼料工業，2009，30（21）：54-57.

[13]陳衛紅，石曉旭. 我國農林廢棄物的應用與研究現狀[J].現代農業科技，2017（18）：148-149.

[14]秦淵淵，郭文忠，李靜， 等. 蔬菜廢棄物資源化利用研究進展[J].中國蔬菜，2018（10）：17-24.

[15]趙金鵬，趙杰，李君風， 等. 不同添加劑對水稻秸稈青貯發酵品質和結構性碳水化合物組分的影響[J].南京農業大學學報，2019，42（1）：152-159.

[16]楊世帆，田鑫淼，張夢瑤， 等. 添加飼用復合菌劑黃貯玉米秸稈品質的綜合評定[J].飼料研究，2019，42（5）：82-86.

[45]任海偉，王聰，竇俊偉， 等. 玉米秸稈與廢棄白菜的混合青貯品質及產沼氣能力分析[J].農業工程學報，2016，32（12）：187-194.

[46]Reich L J， Kung L. Effects of combining Lactobacillus buchneri 40788 with various lactic acid bacteria on the fermentation and aerobic stability of corn silage[J]. Animal Feed Science and Technology， 2010， 159（3）： 105-109.

[47]Chen Y， Sharma-Shivappa R R， Chen C. Ensiling agricultural residues for bioethanol production[J]. Applied Biochemistry & Biotechnology Part A Enzyme Engineering & Biotechnology， 2007， 143（1）：80-92.

[48]Thomsen M H， Holm-Nielsen J B， Oleskowicz-Popiel P， et al. Pretreatment of whole-crop harvested， ensiled maize for ethanol production[J]. Applied Biochemistry & Biotechnology， 2008， 148（1/2/3）：23-33.

[49]Pakarinen O， LehtomaKi A， Rissanen S， et al. Storing energy crops for methane production： effects of solids content and biological additive[J]. Bioresource Technology， 2008， 99（15）：7074-7082.

[50]Vervaeren H， Hostyn K， Ghekiere G， et al. Biological ensilage additives as pretreatment for maize to increase the biogas production[J]. Renewable Energy， 2010， 35（9）：2089-2093.

[51]任海偉，王聰，馬延琴， 等. 接種不同乳酸菌對干玉米秸稈與白菜廢棄物混貯品質的影響[J].應用與環境生物學報，2018，24（3）：547-556.

[52]姜曼曼，周飛. 農業廢棄物資源化利用技術現狀[J].低碳世界，2018（6）：10-11.

[53]Martinez F A， Balciunas E M， Salgado J M， et al. Lactic acid properties， applications and production： a review[J]. Trends in Food Science and Technology， 2013， 30（1）： 70-83.

[54]Hu J L， Lin Y X， Zhang Z T， et al. High-titer lactic acid production by Lactobacillus pentosus FL0421 from corn stover using fed-batch simultaneous saccharification and fermentation[J]. Bioresource Technology， 2016， 214： 74-80.

[55]Grewal J， Khare S K. One-pot bioprocess for lactic acid production from lignocellulosic agro-wastes by using ionic liquid stable Lactobacillus brevis[J]. Bioresource Technology， 2018， 251： 268-273.

[56]Bustos G，Moldes A B，Cruz J M，et al. Influence of the metabolism pathway on lactic acid production from hemicellulosic trimming vine shoots hydrolyzates using Lactobacillus pentosus[J]. Biotechnol Prog.， 2005， 21：793-798.

[57]Cui F， Li Y， Wan C. Lactic acid production from corn stover using mixed cultures of Lactobacillus rhamnosus and Lactobacillus brevis[J]. Bioresour Technol.， 2011， 102（2）：1831-1836.

[58]Yokoyama S， Hiramatsu J， Hayakawa K. Production of γ-aminobutyric acid from alcohol distillery lees by Lactobacillus brevis IFO-12005[J]. Journal of Bioscience and Bioengineering， 2002， 93（1）： 95-97.

[59][JP2]Di Cagno R，Mazzacane F，Rizzello C G，et al.Synthesis of γ-aminobutyric[JP]acid （GABA） by Lactobacillus plantarum DSM19463： functional grape must beverage and dermatological applications[J]. Applied Microbiology and Biotechnology， 2010， 86（2）： 731-741.

[60]Zhang M， Gu L， Cheng C， et al. Recent advances in microbial production of mannitol： utilization of low-cost substrates， strain development and regulation strategies[J]. World Journal of Microbiology & Biotechnology， 2018， 34： 41.

[61]Moldes A B， Torrado A M，Barrd M T， et al. Evaluation of biosurfactant production from various agricultural residues by Lactobacillus pentosus[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry， 2007， 55（11）：4481-4486.

[62]劉少文，何光華，王玲， 等. 乳酸菌的應用及其安全性評價[J].中國畜牧業，2018（11）：53-56.

[63]李鳳琴.食品微生物菌種安全性評估研究進展[J]. 中國食品衛生雜志，2018，30（6）：667-672.

[64]Capita R， Alonso-Calleja C. Antibiotic-resistant bacteria： a challenge for the food industry[J]. Critical Reviews in Food Science and Nutrition， 2013， 53（1）：11-48.

[65]王瑩，孫健，牛天嬌， 等. 動物雙歧桿菌耐氧航天誘變菌株MN-Gup的篩選[J].中國奶牛，2018（6）：1-6.

[66]李青青. 耐氧性雙歧桿菌的篩選及其生理特性與應用研究[D].杭州：浙江大學，2010.

[67]Ianniello R G，Zotta T，Matera A， et al. Investigation of factors affecting aerobic and respiratory growth in the oxygen-tolerant strain Lactobacillus casei N87[J]. PLoS ONE， 2016， 11（11）：e0164065.

[68]Zotta T， Parente E， Ricciardi A. Aerobic metabolism in the genus Lactobacillus：impact on stress response and potential applications in the food industry[J]. Journal of Applied Microbiology， 2017， 122（4）：857-869.

[69]萬江春，于輝，張延輝， 等. 纖維素酶及乳酸菌對棉花秸稈青貯飼料發酵品質及體外消化率的影響[J].中國畜牧雜志，2019，55（4）：101-106.

[70]Idrees M， Adnan A， Qureshi F A. Optimization of sulfide/sulfite pretreatment of lignocellulosic biomass for lactic acid production[J]. BioMed Research International， 2013， 2013：1-11.

收稿日期：2019-07-05

基金項目：山東省自然科學基金項目“蔬菜秸稈沼氣發酵的微生物群落演化規律研究及優化模型的建立”（ZR2017BEE077）;山東省農業重大應用技術創新項目“規模化奶牛場廢棄物除臭減污資源化關鍵技術研究與應用”;山東省重點研發計劃項目“作物秸稈沼氣循環生產關鍵技術研究及產業化示范”（2016GGH3103）;山東省農業科學院青年科研基金項目“農作物秸稈厭氧發酵的菌群分布變化特征研究”（2016YQN39）

作者簡介：付龍云（1983—），男，博士，助理研究員，研究方向為農業微生物與環境保護。E-mail： fulongyun2013@163.com

通訊作者：王艷芹（1978—），女，研究員，研究方向為沼氣科學與環境保護。E-mail： wangyanqin2003@126.com