利用生物技术降解纤维素的研究进展

郭香圆 张斌斌 张圣铭 谢滔 胡庆 张海涛

摘要：生物技术是一门以生命科学作为基础的学科，也被称为生物工程，是一种通过结合生物的自身特性功能与工程原理，构造出设想中的新体系物种，进行加工生产后，向社会输送商品以及服务的综合技术体系。生物技术的范围十分广泛，它几乎涵盖了生物科学、化学、数学、微电子技术、计算机科学等所有尖端基础学科，并以此为支撑，形成了如今这种一门学科多门渗透的综合模式，在效益、智力、投入、竞争、风险以及势能六个方面的特征也与其他高新技术一样。而纤维素则是地球上分布最广泛、含量也最为丰富的碳水化合物之一，大概占据全球植物总干重的三成至五成左右，不过由于纤维素分子是链状高分子聚合物，在分子本身的致密结构和保护层的双重阻碍下，纤维素的降解十分不易，且绝大部分都是被微生物直接作为碳源物质利用了。因此本文就利用生物技术降解纤维素进行了一系列的研究，意图为生物工程的研究人员们提供可行性的参考。

关键词：生物技术;降解;纤维素

前言：

根据现有资料的统计，在地球上每年通过光合作用产生的植物物质中有近9成没有被合理利用甚至完全没有被利用，像秸秆一类的更是以直接焚烧收场。就目前情况来看，农林纤维副产物的开发在全世界所占的比例仅为2%左右，我国作为农业大国，在田间地头被白白烧掉的农林废弃物更是高达半数以上。全球每年因这类情况造成的经济损失达高达数十亿元，且焚烧造成的废气废物排放等也严重影响了交通运输的安全，对生态环境造成了不同程度的影响，另外，随着经济全球化，日渐加速的发展，进程使得石油、煤炭等不可再生资源极速减少，能源危机成为了当前世界众多国家亟待解决的问题。[1]资源的过度开采导致生存环境不断恶化，因此以可再生资源研究开发为前提的可持续发展战略在世界各个角落蔓延开来，由此可见，植物纤维素资源的開发利用对解决能源短缺及环境污染有重要的意义。

一、玉米秸秆资源与应用概况

由于生物工程技术的体系过于庞大，为避免本文言不符实，因此笔者以玉米秸秆为例，为读者讲解生物技术降解纤维素的研究过程。玉米是一种众所周知的集粮食、经济和饲料为一体的农作物，也是全球主要农作物之一，将成熟的玉米摘下来后，余下的茎叶部位便是大众口中俗称的玉米秸秆。玉米秸秆虽不能食用，但其化学组成成分十分丰富，进一步加工成燃料、饲料、肥料等，在工业与农业方面都有着一定的应用价值。就目前情况来看，玉米秸秆在进行降解处理时常用的方法有三大类，分别是化学法、物理法以及生物法。生物法虽展开研究的时间最短，但有着绿色环保的特征，为生态环境保护作出了巨大的贡献，其由此成为了玉米秸秆降解的重点研究方向。传统意义上的生物降解对木质纤维素及营养的转换效果较差，尤其在我国玉米产量持续增长的今天，五分之四的玉米秸秆都没有得到有效加工，间接地阻碍了大规模开发玉米秸秆的进程，因此恰当处置玉米秸秆，是进行可持续发展战略地有效途径。

二、运用生物技术体系降解玉米秸秆纤维素的研究进展

2.1生物处理方法

本文主要讲解方向为生物技术降解纤维素，因此上文提到的物理处理与化学处理法在这里不详加叙述。生物处理法简单的概括来说，便是将单种或多种微生物在玉米秸秆上进行共同作用，通过生物酶的协作，改变玉米秸秆的理化性质，从而达到降解木质纤维，提高营养组成的目的。就目前来看，常用的生物处理方法有两种，一是传统法，二是酶解法。传统法在如今的纤维素降解中运用的最为广泛，以青贮、微贮为主，青贮即将玉米秸秆放置于厌氧环境中，利用其自身厌氧菌株进行分解产酸，进而抑制或清除有害菌，以提高玉米秸秆的贮存时长，微贮则是通过添加微生物来处理玉米秸秆;酶解法虽运用的不最广泛的，但是目前最成熟的生物降解法，其原理为同时应用多种纤维素水解酶，协同处理玉米秸秆，进而降低玉米秸秆中的纤维素，提高可溶性含糖量。

2.2 菌类降解体系

菌类降解体系可分为细菌、真菌以及放线菌三种。就细菌而言，当前已知晓的可降解木质纤维素的细菌有生胞噬纤维菌属 、堆囊菌属、原粘杆菌属、微球菌属、梭菌属、纤维杆菌属、纤维粘菌属 、 弧菌属 、瘤胃球菌属 、纤维单胞菌属 、假单胞菌属、芽孢杆菌属及螺旋体属等。它们由于体积小，进入木质纤维间隙速度快，对改性、降解纤维素有着极好的效果，也是三种方法中研究最为深入的一类。其二是真菌降解，经研究人员反复实验，发现真菌为降解纤维素、半纤维素以及木质纤维素效果最强的微生物，它不仅有着各种各样的降解方式，还可以分泌纤维素降解酶和具有机械穿插作用的丝状菌丝，均可穿过木质纤维素角质层，明显提升纤维素和对应降解酶的接触率，从而增强降解效果。[2]不过值得注意的是，虽如今众多的真菌运用在了玉米秸秆的降解研究中，但真菌生长速度慢且生长条件十分严格的特点，导致其在现实中的应用中明显受到了阻碍。最后便是放线菌降解，从大方向来看，放线菌的繁殖速度比细菌慢，降解效率和范围比真菌低，看起来似乎没有什么作用，不过按照“存在即合理”的惯例，放线菌的优势便是可以在高温、高碱性等恶劣环境下完好保存自身的同时提高玉米秸秆的水溶性，有效降解木质纤维素。[3] 例如节杆菌属、高温放线菌属、链霉菌属、小单孢菌属、诺卡氏菌属等都是典型的放线菌代表。放线菌在玉米秸秆降解展开应用的时间最晚，但其适应性强，可以极快的融入到现实工作研究中，发展前景较为良好。

三、结论

本文以大众熟知的玉米秸秆为例，就生物技术在降解纤维素方面进行了一系列的分析研究，在植物纤维素资源的开发利用方面提出了相应的观点，也概述了生物技术的运用方向，力求为生物工程的研究人员们提供可行性的参考建议。但由于笔者自身资历尚浅，文中阐述观点或有不足之处，还望广大读者予以见谅。

参考文献

[1]王霞，华琳，张海龙，等.纤维素降解菌 CMC -4 的分离鉴定、诱变和酶学特性研究[J].土壤， 2017，49（ 5） ： 919-925.

[2]金伟，陈文静，缪礼鸿，等. 1 株耐热纤维素酶产生菌的筛选及其酶学特性[ J].江苏农业科学， 2017，45（ 20） ：272-274.

{3}王垚，韩燕峰，虞泓，等.爱尔兰帚霉产低温纤维素酶 的酶学性质和发酵工艺[J].菌物学报， 2017，36（ 8） ： 1132-1140.