微生物在油菜秸秆资源化中的应用研究进展

李 豪，邹 伟

（四川理工学院生物工程学院，四川自贡 643000）

油菜是我国重要的经济作物之一，2016年我国油菜种植面积已达710万hm2，油菜籽产量约为 1400万 t（陈艳军，2017），油菜秸秆年产量约为3780万t[按油菜草谷比2.7（毕于运，2010）推算]。由于体积大、重量轻，收获时间通常与水稻种植相冲突等因素，油菜秸秆常常被直接丢弃和焚烧处理（张蓓蓓等，2017）。废弃秸秆不仅占用土地空间、浪费资源，而焚烧后可能会加重部分地区雾霾污染（汪玉芳，2013）。研究表明：油菜秸秆含有多种营养物质和微量元素 （牛文娟，2015），具有巨大的资源潜力（表1）。因此，油菜秸秆的资源化利用势在必行。目前，油菜秸秆资源化处理方法多种多样，常见的有：物理处理法如制作燃料碳，化学处理法如氨化处理，生物处理法如腐熟还田、发酵产秸秆饲料、食用菌基料和污水处理 （韦波，2015；刘标等，2014；饶婵，2012）等。这其中生物处理法以其高效率、低成本、无污染的优点，一直是油菜秸秆资源化研究的热点，而微生物在生物处理法中起重要作用。本文主要综述了微生物在油菜秸秆资源化中的应用研究进展。

1 油菜秸秆成分特征

由于油菜的种类以及栽种地域不同，油菜秸秆间成分存在部分差异。油菜秸秆的主要成分是粗纤维，占 40% ～ 51%（Abreu 等，1998）。 与大豆、玉米、小麦秸秆相比，油菜秸秆粗蛋白质较高，营养物质丰富，是良好的动物饲料（乌兰等，2010）。同时，油菜秸秆不同部位化学成分也有差异，杆部的纤维素含量一般较高，而穗部半纤维素和木质素含量较高（赵蒙蒙等，2011）。 Petersson 等（2007）比较了油菜、冬黑麦和蚕豆秸秆的化学成分，发现油菜秸秆葡聚糖、木聚糖、木质素和灰分含量较高，分别达到干重的27.3%、15%、14.2%和9.6%。总体来说油菜秸秆营养丰富，具有巨大的资源潜力。

2 微生物在油菜秸秆中的应用

2.1 微生物降解油菜秸秆 微生物降解油菜秸秆主要依靠其自身分泌的各种功能酶如纤维素酶、木质素酶等完成（兰晓玲等，2013）。由于秸秆中纤维素、木质素和半纤维素相互紧紧包裹使得酶难以接近，通常在微生物处理前需要配合一定的化学或物理预处理技术。目前已筛选得到油菜秸秆降解菌主要有霉菌、放线菌、芽孢杆菌等（张辉等，2011）。油菜秸秆降解菌常见为纤维素降解菌、木质素降解菌等。Tuyen等（2013）利用白腐真菌发酵油菜秸秆，20 d时木质素降解率达58.07%，发酵玉米秆和稻草时木质素的降解率为16.3%和64.1%。陈丽园等（2007）从还田处理30 d的油菜秸秆中得到一株分解纤维素能力较强的菌株，发酵第10天CMC酶活达到最大为1064.88U/mL。以上均为单菌降解油菜秸秆研究，但油菜秸秆成分复杂，分解过程通常需要多种酶共同完成，而单一菌种分泌的酶系往往不全，因此可利用多菌株混合培养发酵，增加降解效率。陈朝琼等（2011）从腐烂秸秆土壤中筛得降解油菜秸秆的优势菌群，其纤维素酶活性达924 U/mL，发酵油菜秸秆14 d后秸秆、纤维素、木质素降解率分别为71%、82%、53%。郭豪等（2013）将筛得的芽孢杆菌、链霉菌、米根霉和木霉制成混合菌剂并发酵油菜秸秆14 d后秸秆、纤维素和半纤维素降解率分别为28.3%、33.1%和23.7%，与市售腐熟剂的处理效果相当。

表1 不同品种油菜秸秆化学成分表

2.2 生物乙醇和生物丁醇发酵 油菜秸秆化学成分中一半是纤维素和半纤维素，将大分子纤维素和半纤维素降解为小分子六碳糖和五碳糖，可作为廉价底物发酵生产燃料乙醇、丁醇等 （覃央央，2017）。通常发酵油菜秸秆生产乙醇的菌种为酵母菌，例如雷韬（2016）利用K氏酵母发酵乙醇时，酒精产率为9.7701%，与理论值相差0.57%。油菜秸秆的预处理技术是发酵生产乙醇的关键，如果秸秆预处理后还含有部分大分子物质，可以采用酵母菌结合曲霉共同发酵 （杜苏萌等，2012；Yu 等，2009）。 为提高发酵效率，李文（2014）将酵母菌固定化后用于乙醇发酵，120 h后乙醇浓度为28.94 g/L，乙醇产率为76%。覃央央（2017）将油菜秸秆用食盐水漂洗后再烘干粉碎，放入微波反应器加入糖化液糖化后接入丙酮丁醇梭菌发酵能够生产丁醇，丁醇得率为66%左右。田磊（2015）利用玉米秸秆发酵产丁醇，在经过抑制剂脱除后丁醇产量为10.8 g/L。胡金峰（2014）利用蔗渣生物发酵产丁醇时脱毒后丁醇浓度能达12 g/L。这些研究为油菜秸秆转化为生物燃料提供了理论支撑。

2.3 生物质能源 沼气作为能源具有热值高、能量转化率高和污染小等特点（高鑫，2013）。白娜等（2011）将油菜秸秆仅经简单粉碎处理后进行沼气发酵，发现油菜秸秆的产气潜力为0.47 L/g。罗义轩等（2013）将豌豆、高粱、蚕豆和油菜四种秸秆接种厌氧污泥在35℃恒温发酵时，油菜秸秆总产气量为1303.5 mL，仅次于豌豆秸秆，油菜秸秆产气率为191.7 mL/g。油菜秸秆产气速率较慢，可能与油菜秸秆木质素含量较高有关，但其产气总量可观，可以作为产沼气原料。罗彬等（2014）利用纤维素分解产甲烷菌群在CSTR厌氧反应器中分解油菜秸秆41 d，厌氧消化产甲烷时，能产生大量的沼气，50 g干秸秆能产气13200 mL，产气效率达264 mL/g。孙全平等（2014）利用油菜秸秆厌氧发酵日产气量最高达4.25 L/d，最高累积产气量达70.665 L，产气潜力达到0.37 L/g。

2.4 油菜秸秆饲料 油菜秸秆木质化程度高、秸秆粗硬、适口性差，动物直接采食难度大（Ramirezbribiesca等，2011）。 目前可通过氨化、复合青贮、微贮等方式提高油菜秸秆的营养价值和适口性。孟春花等 （2016）将粉碎的油菜秸秆用30%的水和不同比例的碳酸氢铵进行氨化处理时，氨化21 d后的秸秆粗蛋白质增加2倍以上，粗脂肪下降70%，中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维下降10%以上。陈丽园等（2010）比较了改良氨化、混合青贮、商业微贮剂和自筛菌株发酵对油菜秸秆纤维素降解效果，发现混合青贮的纤维素降解率最高，为84.50%，结合混合青贮和改良氨化处理后得到的秸秆饲料能够代替山羊20%的日粮。才旦等（2006）将油菜秸秆制成草粉与菌粉混合在塑料袋中进行发酵，最终油菜秸秆粗蛋白质提高了33.15%，粗脂肪下降了38.31%，可用此油菜秸秆替代30%的饲料饲喂猪，显著降低饲养成本。另外，油菜秸秆可以直接粉碎后与其他植物混合发酵，油菜秸秆与皇竹草按3∶7混合，添加150 mg/kg乳酸粪球菌进行混合青贮后，可显著提高饲料的干物质、有机物质、粗蛋白质、中洗纤维和酸洗纤维的消化率，促进锦江黄牛生长和生产性能 （许兰娇等，2016）。由于油菜秸秆成分复杂、木质素含量高等，发酵饲料采食过程容易染菌造成二次污染，若要大面积推广还需进一步深入研究。

2.5 腐熟还田 腐熟还田是一种较为简易可行的油菜秸秆处理方式。油菜秸秆中富含氮、磷、钾等元素，腐熟还田后能提高土壤肥力，改善土壤和农田系统，具有减少化肥使用和提高农作物产量的作用（王旭等，2016）。油菜秸秆由于纤维素含量高，自然分解过程耗时较长，需要加入多种微生物混合的腐熟剂才能加速腐熟进度（Blazier等，2008）。不同腐熟剂对油菜秸秆腐熟效果不同，腐熟10 d后腐解效果相差最大为34.49%，说明腐熟剂能使秸秆快速腐熟，缩短腐解时间，提高秸秆的利用率（柳玲玲等，2014）。使用复合菌剂腐熟并还田处理能降低土壤pH和容重，提高有机质和全氮含量，增加土壤养分，油菜产量能提高5.33%（吕黎等，2014）。油菜秸秆的腐熟还与其所处位置相关，油菜秸秆在表层腐解最快，地下10 cm时最慢，地下20 cm时居中。地表微生物种类多、活动频繁且夏季地表温度高，所以地表腐解最快（胡宏详等，2012）。

2.6 堆肥 堆肥是指利用自然界广泛存在的微生物，人为的将有机物生物降解为稳定的腐殖质的过程，是一种使固体废料无害化、资源化的方法。施用油菜秸秆堆肥不仅能促进水稻生长、提高产量（增产产幅达4.7% ～18.2%），还能调节土壤酸碱度，促进pH较低的水稻土中养分释放和养分平衡（汪根法，2012）。由于堆肥制作时恶臭难闻且伴有污水产生，目前利用油菜秸秆制作堆肥的主要研究方向在缩短堆肥堆制时间和加快腐熟进度。汪季涛等（2006）确定油菜秸秆堆肥发酵条件即粒径长度为5 cm，C/N比值为25，含水量为70%，氮源为鸡粪。堆肥中常见微生物包括细菌、酵母菌和纤维素分解菌等，其中细菌是堆肥中的主要微生物菌群。研究发现在堆肥中引入嗜温细菌、嗜温放线菌、高温酵母菌和分解纤维素的霉菌，可以有效加快堆肥腐熟进度（兰时乐等，2010）。

2.7 食用菌栽培 油菜秸秆用于食用菌栽培既能减少秸秆的浪费，又能降低食用菌的栽培成本，是一种具有较好经济效益的处理方式。目前利用油菜秸秆栽培食用菌的研究主要集中在平菇、金针菇、蟹味菇、草菇和香菇等（宋海燕等，2015；丁伦保，2014）。栽培食用菌的关键技术是油菜秸秆与其他配料的配比。油菜秸秆可与棉籽壳混合栽培平菇，油菜秸秆组织疏松能增加培养料的通气性能，可加快平菇菌丝的生长。熊维全等（2010）发现，油菜秸秆的最大添加量为36%，超过36%后出菇时间延长，产量、外观均比对照组差。油菜秸秆还可替代棉籽壳栽培糙皮侧耳菌，40%的油菜秸秆替代棉籽壳可促进菌丝生长且不影响子实体生长和产量（杜静等，2015）。

3 展望

当前我国油菜秸秆的资源化利用还不够充分，大量的油菜秸秆仍然被焚烧或自然丢弃，造成环境污染和浪费。油菜秸秆资源化利用方式较多，微生物处理法与化学和物理方法相比具有投入少、操作简单和无污染等优点。目前大量油菜秸秆降解菌株已经被筛选、鉴定，并用到实际发酵过程。这类微生物主要是芽孢杆菌、木霉、白腐菌等。由于纤维素、木质素和半纤维素的镶嵌结构，使得降解前的预处理技术变得极为关键 （卢光新，2012）。多菌株混菌发酵降解效果一般要优于单菌发酵。油菜秸秆是一种具有巨大潜能的生物质原料，利用其水解产物为底物生产生物乙醇或丁醇的主要技术关键在秸秆预处理以及解除秸秆水解液中存在的化学物对发酵过程的抑制（岳耀峰，2010）。秸秆饲料应用时应注重发酵产物的饲喂安全性，同时也要注意饲喂的便宜性，减少由于取料带来的二次发酵。秸秆腐熟和堆肥这方面研究实践较多，应注重提高经济效益，缩短发酵时间。食用菌栽培利用要研究适宜的配比，注重减少染菌。

虽然目前油菜秸秆资源化仍然存在很多问题，如利用率低、经济效益低、农户对油菜秸秆资源利用意识不强等。同时油菜秸秆收集较困难，人工收集效率较低，机械收集花费较高，使得秸秆被焚烧或丢弃（彭春艳等，2014）。微生物在油菜秸秆资源化中展现出极大优势和潜力，对解决秸秆过剩带来的各种问题具有重要的现实意义。随着微生物技术如代谢工程、酶工程、合成生物学技术的发展，油菜秸秆的可持续资源化利用也将逐步完善，为我国农业、畜牧业、环境保护等方面做出积极贡献。