瘤胃微生物在生物质废物资源化领域应用研究进展

孙衍宁 牛梅红 张学金 金光范 李 娜，，* 张 健

( 1. 大连工业大学轻工与化学工程学院，辽宁大连，116034； 2. 浙江科技学院浙江省废弃生物质循环利用与生态处理技术重点实验室， 浙江杭州，310023)

生物质是指利用大气、水、土地等并通过光合作用而产生的各种有机体，即一切有生命的可以生长的有机物质统称为生物质，包括植物、动物和微生物。生物质废物是人类在利用生物质的过程中生产和消费产生的废弃物，它仍然属于生物质的宏观范畴。根据不同的来源，可将生物质废物分为3类：城市生物质废物、农作物废物、禽畜粪便。城市生物质废物主要来源于餐厨垃圾、城市污水处理厂污泥等；而农作物废物主要是农作物加工剩余物，如秸秆、谷壳、菜叶等。因此，对于城市生物质废物和农作物废物来说，其共同特点是富含大量植物纤维类物质，这部分植物纤维类物质属于可再生生物质资源，在目前全球能源紧张的大环境下，如何有效利用植物纤维素类物质进行能源的转化已成为研究的热点。全球每年产生大量此类生物质废物，如能有效利用，将对发展和促进生物质废物资源化利用和缓解全球能源紧张具有重大意义。

瘤胃微生物是栖息在反刍类动物瘤胃中的微生物总称，是迄今为止已知自然界中对植物纤维类物质转化效率最高的天然微生物体系。利用瘤胃微生物这一特点促进生物质废物厌氧发酵产甲烷的研究已经进行了几十年，其卓越的降解能力和产甲烷性能已被多数实验印证。本文将从瘤胃微生物对不同种类富纤维素固体废弃物的水解能力及降解性能、产甲烷效率及厌氧反应器研究现状角度出发，对近些年来所取得的相关研究进展做部分总结。

1 瘤胃微生物简介

瘤胃微生物种类繁多，主要包括细菌、原虫、真菌和噬菌体[1]。不同微生物之间互惠互生，处在一种即协同又制约的动态平衡下，这些微生物的共同作用能够有效降解木质纤维素类物质[2- 3]，生成短链脂肪酸，如乙酸、丙酸、正丁酸及异丁酸等[4- 5]。

在植物纤维类物质的降解过程中，90%以上的植物纤维是由瘤胃中的细菌降解并转化生成短链脂肪酸和微生物蛋白。瘤胃中的细菌超过200种，活菌数高达1011个/mL[6]，其组成非常复杂[7]，主要由拟杆菌门、厚壁菌门和变形菌门组成[8]。其中，能分解纤维素的瘤胃细菌主要有：琥珀色拟杆菌(Bacteroidessuccinogenes)、小生纤维梭菌(Cl.Cellobioparus)、黄色瘤胃球菌(Ruminococcusflavefaciens)、白色瘤胃球菌(Ruminococcusalbus)、小瘤胃杆菌(Ruminobacterparvum)等。这些瘤胃细菌通过分泌纤维素水解酶来降解纤维素。目前，已从瘤胃细菌中分离出的纤维素水解酶包括β- 1,4-内切葡聚糖酶、纤维二糖水解酶、β-葡糖苷酶等。

另外一种在植物纤维类物质降解过程中起重要作用的微生物是瘤胃真菌。瘤胃内厌氧真菌有 5 个属，真菌孢子数量为 103～105个/mL[6]。由于厌氧真菌在瘤胃内存在的百分比不高，仅约8%，因此之前被研究者所忽略。1977 年，Orpin 首次证明厌氧真菌能够降解植物纤维细胞壁[9- 10]，之后大量实验证明：厌氧真菌是食草动物消化道内降解木质纤维素最有效的微生物类群[11]。瘤胃真菌是专性厌氧菌，在降解植物纤维类物质过程中可附着在植物木质化组织上，真菌假根可刺穿并深入到植物纤维细胞壁内，降低植物纤维组织的内部张力，同时借助水解酶尤其是木质纤维素降解酶对植物纤维细胞壁进行消化，从而达到对植物纤维细胞壁的深度降解[12]。厌氧真菌作为植物木质化组织的主要附着者[13]，与整个瘤胃微生物系统相比，也具有与之几乎相同的附着叶片、降解纤维的速率和程度[14]。

2 瘤胃微生物在生物质废物资源化应用中的研究进展

生物质废物中因富含纤维类物质而具有潜在的能源价值。在面临矿产资源枯竭、环境污染日益严重的背景下，生物质废物的资源化不仅可解决其污染问题，更能够有效开发利用其中的能源，因此成为世界各国政府和科学家关注的热点[15]。

瘤胃微生物因具有卓越的植物纤维类物质降解能力而在生物质废物资源化研究中备受关注。国内外学者对瘤胃微生物体外降解生物质废物进行了大量研究，为瘤胃微生物厌氧消化生物质废物产甲烷工艺奠定了一定的理论基础，研究内容主要集中在以下几方面。

2.1 瘤胃微生物对不同生物质废物的降解性能研究进展

Ganesh G等[16]通过向厌氧反应器污泥中加入一定量的瘤胃微生物，加速了城市生物质废物的水解，反应器上层水解液中COD、挥发性脂肪酸等产量都高于未添加瘤胃微生物的反应器。Williams Allan G等[17]通过在试管中进行的厌氧消化海藻产甲烷实验发现，瘤胃微生物种群或分离出的代表性微生物产生的酶能够促进海藻的水解，提高利用海藻生产甲烷的效率。研究结果表明，瘤胃微生物能够适应外界环境的改变，其复杂多变的酶系使其能够保持高效水解木质纤维素的能力。Gijzen Huub J等[18]对利用瘤胃微生物厌氧发酵制浆造纸厂污泥进行了研究；研究发现，瘤胃微生物能够提高污泥的降解效率，在污泥停留时间仅为60 h，高进料负荷34.4 g/(L·d) 的情况下，污泥的降解效率能达到60%～70%，其中木质素降解率能达到48%；同时研究还发现，瘤胃微生物中内毛虫类纤虫种群在生物污泥细胞的溶解中起到主要作用，而两腰纤毛虫属种群在木质纤维素类底物的降解中起主要作用。Yue Zheng-Bo等[19]对瘤胃微生物和传统消化池污泥两者的厌氧消化能力进行了对比，在对原芦苇和蒸汽爆破后的芦苇都进行厌氧消化实验后发现，无论是对于原芦苇还是蒸汽爆破后的芦苇，瘤胃微生物的降解效率均高于传统消化池污泥的降解效率。Zhao Bai-Hang等[20]对瘤胃微生物厌氧消化香蒲过程中木质纤维素的降解动力学进行了研究，建立了其降解动力学模型。Hu Zhen-Hu等[21]实验发现，香蒲经微波预处理后可以提高其在瘤胃微生物中的降解效率。Jin Wenyao等[22]研究了在试管中利用瘤胃微生物厌氧消化玉米秸秆；结果显示，干物质消化率达到73.76%，乙酸产量为1756 mg/L，并提出了这是一种非常经济有效的玉米秸秆处理方法。Gijzen等[23]研究了含有大量无机物质的造纸厂污泥的厌氧消化情况，尽管底物中含有约58%的无机物，在接种了瘤胃微生物的反应器中，污泥的水解率和产酸率都很高，在污泥负荷为34.2 g/(L·d)和固体停留时间为51 h时，中性洗涤纤维的降解率达62%。

2.2 瘤胃微生物对不同生物质废物产气、产甲烷性能研究进展

沼气是厌氧消化的最终产物，通常由氢气、二氧化碳和甲烷组成，其中甲烷是沼气利用的主要有效成分。Yerima M等[24]研究了利用瘤胃微生物降解水生植物水葫芦；实验表明，1 g绝干水葫芦经瘤胃微生物厌氧发酵后产气量可高达145 cm3。Aragaw Tamrat等[25]研究了利用瘤胃微生物处理牛粪和餐厨垃圾的混合物；结果表明，其甲烷的产量较传统厌氧反应池能提高24%～47%。Baba Yasunori等[26]开展了利用瘤胃微生物厌氧发酵废纸以提高甲烷产量的研究；研究结果表明，在37℃下利用瘤胃微生物分别处理废纸6 h和24 h后，产生了多种挥发性脂肪酸，其中乙酸的含量最高；在20天的半连续产甲烷实验中发现，经6 h瘤胃微生物处理后废纸单日产甲烷量最高，其产量是未经瘤胃微生物处理废纸的2.6倍，达到了理论甲烷产量的73.4%，并且经过瘤胃微生物处理后，废纸中纤维素、半纤维素和木质素的降解率都有所提高。以上研究结果与Yu Han-Qing等[27]的观点一致，其认为瘤胃微生物发酵系统是富产甲烷发酵系统。

2.3 瘤胃微生物用厌氧反应器研究进展

厌氧反应器是实现厌氧消化的重要设备，近几十年，瘤胃微生物厌氧消化反应器也成为了研究的热点。连续流厌氧反应器是早期应用在瘤胃微生物厌氧消化研究中的一种反应器，Kistner A等[28]应用连续流厌氧反应器对瘤胃微生物厌氧消化植物纤维进行了定量研究。Yue Z-B等[27]指出， 研究瘤胃微生物新陈代谢时，连续流反应器是比封闭孵化反应器更接近试管实验的一种方法。Barnes S等[29]开发了一种针对于瘤胃微生物接种液的厌氧序批反应器；研究发现，长固体停留时间(SRT)有利于增加反应器内瘤胃微生物数量，而短水力停留时间(HRT)有助于减轻消化液中挥发性脂肪酸累积引起的酸化抑制作用。这些研究结果都为后续厌氧消化反应器的设计指明了方向。在此基础上，Hu Z-H等[30]开发了一种改进的上流式厌氧污泥床反应器，其通过控制进料泵和固体排出泵实现了HRT和SRT的单独控制，该系统能够保持高瘤胃微生物数量，为瘤胃微生物厌氧消化系统的工业化应用奠定了一定基础。

3 结 语

瘤胃微生物是非常古老、复杂且功能强大的微生物共生体系。迄今为止，人们对于瘤胃微生物的研究还在不断的进行和深入。其具有强大的植物纤维类物质降解能力及高效的产甲烷系统，因此在处理固体生物质废物中显示出了卓越的性能和良好的应用前景。但瘤胃微生物对富木质纤维素生物质废物消化过程中的微生物演替规律及其对木质纤维素降解的影响机制、降解木质纤维素优势菌群等问题还需进一步探究。研究结果将对实现瘤胃微生物功能菌剂的制备、加速生物质废物的资源化和无害化具有重大的推进作用。

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