关于木质纤维素生物降解的文献计量分析

郭鹏博,张亚莉,徐红敏,刘雨欣,王伟东

(黑龙江省寒区环境微生物与农业废弃物资源化利用重点实验室，黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院，黑龙江 大庆 163319)

自然界中，木质纤维素是存储量最丰富、最廉价的可再生生物质资源[1]。进入20世纪以来，世界上的大部分国家先后完成了工业革命，经济飞速发展，但在这种繁荣的社会发展背后，是以不可再生资源大量消耗为支撑的。由于不可再生性资源自身的局限性，无法满足人类的需要也成为了一种必然趋势，所以可再生资源的研究日益显现出了巨大的发展前景[2]。合理开发储量巨大的可再生生物质用于社会发展，可以帮助全世界缓解能源危机[3]，同时有效地缓解由于大量使用化石燃料所造成的环境恶化的局势[4]。

秸秆是一种以木质纤维素为主要成分的农业废弃物，这是其难以降解的主要原因之一。秸秆的数量极其庞大，一部分秸秆作为喂养牲畜的饲料，一部分则以肥料的形式直接还田[5-6]，可以被高效率降解的秸秆只占其总量很少的一部分，而且秸秆燃烧时会向空气中释放很多有毒物质。秸秆降解后可以产生有机酸等产物，这些产物可以作为生产生物柴油[7]、生物乙醇的前体[8]。做到高效地降解秸秆可以很大程度上避免资源浪费。

木质纤维素3个主要组成部分为木质素、纤维素和半纤维素[9]。木质纤维素本身的结构非常稳定，其中半纤维素和木质素之间通过共价键相连，从而形成一种致密的类似网状的结构并且把纤维素包围住，导致纤维素难以接触到纤维素降解酶，物理上阻碍了其降解[10]。因为自身结构的特殊性，木质纤维素生物降解过程往往伴随着复杂的酶作用，其降解需要多种酶来相继配合并协同完成，其中最主要的3种酶为纤维素降解酶，半纤维素降解酶和木质素降解酶[11]。

目前，人类发现自然界存在很多的细菌、真菌，以及放线菌等微生物可以对木质纤维素起到有效地降解作用[12]。在动物方面，目前发现木食性白蚁的肠道可以高效地利用木质纤维素[13]，在耗牛的体内，发现大量瘤胃微生物使得其瘤胃成为了高效降解木质纤维素的天然发酵罐，其瘤胃中存在的厌氧真菌对降解木质纤维素发挥了重要作用[14-15]。除了在动物领域，人类在高寒地区长期被牛粪覆盖的土壤，以及温泉区土壤中已分别筛选出了可以耐低温和耐热的降解木质纤维素的复合菌系[16-17]。除此之外，在堆肥处理的秸秆中也已筛选出了降解木质纤维素的优势菌属，例如芽孢杆菌属，纤维弧菌属，假单胞菌属和梭菌属[18]。在传统营养学中，木质素被认为是不可降解的，但目前在科研人员对部分反刍动物的瘤胃微生物，以及土壤微生物的研究中，分离出了木质素降解菌，为攻克木质纤维素生物降解的部分难点提供了新的思路[19]。目前，人类虽然在木质纤维素的生物降解领域取得了很多实质性的进展，但是该领域的研究在未来依旧有着非常大的潜力，其研究意义十分深远[20]。该文基于文献数据库客观地分析目前木质纤维素生物降解领域的总体发展趋势，旨在为木质纤维素生物降解研究领域的科研人员提供可参考的数据及资源，为高效降解木质纤维素做出贡献。

1 数据来源

该文数据均来源于Web of science核心合集数据库中的Science Citation Index Expanded(SCI-EXPANDED)数据库，检索关键字词为(ligin OR cellulose OR hemicellulose)AND(bacteria OR fungs OR actinomycetes OR biodegradation)，检索的文献类型为所有文献类型，检索时间跨度为2001—2020年，共检索出相关文献7 639篇，检索文献以及进行数据分析时间为2020年10月2日。

2 研究方法

根据检索出的7 639篇文献，利用Web of science的检索结果以及数据分析的功能对所有相关文献进行分析，对文献类型、近年数量变化趋势、重点发文国家、重点发文作者、重点发文机构、发文研究方向、重点发文期刊7个方面进行分析。

3 文献类型分析

在统计出的7 639篇文献中，论文共有7 155篇，占93.66%，综述共有453篇，占5.93%，会议论文共有212篇，占2.78%，会议文摘共有76篇，占0.99%。关于木质纤维素生物降解领域的研究成果主要以论文形式发表。

4 文献数量近年变化趋势

由图1可知，在最近20年中(2001—2020年)，关于木质纤维素生物降解领域的文献发布数量总体呈上升趋势，并且在2019年达到了顶峰，2019年Science Citation Index Expanded(SCI-EXPANDED)共收录了该研究领域的798篇文献，占所有收录文献总数量的10.44%。收录文献数量最低的一年即2002年，一共收录了139篇文献，占总量的1.82%，虽然总体数量的发展趋势表现为上升，但是在2001—2007年的7年中文献数量的变化表现为相对持平的状态，而且在2002，2006，2015年均出现了小幅度的下降势头，不过均不影响总体趋势表现为稳步上升。根据数据可以看出，进入21世纪以来，全世界范围内的科研人员愈发重视对木质纤维素生物降解领域的相关研究，研究进展也呈现出良好发展的态势，而且最近3年被收录文献数量变化呈较大幅上涨的趋势，结合历史发展规律可以预测，在未来，木质纤维素生物降解领域的发文数量会继续呈良好的上升趋势。

5 重点发文国家分析

这10个国家发表的相关文献总计5 984篇，占统计范围内总发文量的78.33%。排名最高的美国共被收录了1 532篇文献，占收录文献总量的20.06%，排名第2的中国共被收录了1 395篇文献，占总量的18.26%，两国的发文量明显高于其他国家。由此可见，目前全世界范围内关于木质纤维素生物降解的研究主要集中在中美两国。值得注意的是，美国、中国和印度是世界上著名的人口大国，3国的人口数量分别排在世界的第3，第1和第2，而在该领域的排行中美国，中国和印度同样高居前列。在所统计的国家中，从经济发展水平和贫富状况的角度来看，其中中国、印度和巴西3个国家均为发展中国家，其余7国则为发达国家。从国家的农业现代化水平来看，美国、加拿大、日本、德国都位列世界7大农业强国，其余6国的农业总体发展水平较此四国还有一定的差距。从国家的地理位置分布来看，10个国家分别分布于亚洲，欧洲，北美洲以及南美洲，其中来自亚洲的国家多达4个，其次为欧洲，再次为北美洲，最后为南美洲。

研究一个国家在相关领域的科研综合实力，除了要关注发文数量，其发文的质量，参考价值及其影响力也是一个重要参考依据。在统计的发文数量排名的前10个国家中，根据表1可以看出各个国家发表的文献总被引次数，篇平均被引次数以及H指数。H指数是指将相关统计项目所发表的文献按照被引频次进行从高到低的排序，论文的H指数与论文在相关领域的影响力成正比[21]。可以看出美国无论在发文量、总被引次数、还是篇平均被引次数和H指数来看均高居第1位，尤其是在H指数的排行中，美国相对于其他国家保持遥遥领先的态势，可以表明在木质纤维素生物降解的研究领域中，美国有着非常强大科研实力，其发文也有着非常大的影响力。我国虽然在发文量排行和总被引次数排行中高居次席，但篇平均被引次数排名最后1位，这说明我国在该领域的研究中科研实力尚不成熟，还有很大的发展空间，还需进一步加强该领域的研究力度。从相关领域整体科研实力和发文影响力的角度看，来自亚洲和南美洲的国家发展空间还很大，因为其数量虽然可观，但篇平均被引次数和H指数的排名整体来看落后欧美国家，在木质纤维素生物降解领域的研究力度还需进一步加强。

表1 木质纤维素生物降解发文量TOP10国家Table 1 Top ten countries in terms of the number of literatures on lignocellulose biodegradation

6 重点发文作者分析

在统计范围内，发文量排名前10的作者见表2。在收录的关于木质纤维素生物降解领域的7 639篇文献中，这10名作者共发布了396篇文献，占发文总量的5.18%，排名第1的作者BATER EA共发表了72篇文献，占总体文献数量的0.94%，显著高于其他作者的发文量，而且其H指数名列10位作者中的首位，说明其发文量以及影响力在相关领域的影响力非常高。

表2 关于木质纤维素生物降解发文量前10的作者Table 2 Top ten authors about lignocellulose biodegradation

排名第2位的LAMED R发文数量高居第2，而且H指数排名同样位居第2，说明LAMED R在相关研究领域内的影响力都很高。排名第4位和并列第7位的作者WANG Y，LI Y在篇平均被引次数的排名中位列第9和第10，在H指数的排名中分别排在了并列第6位和第9位，说明这2位作者在木质纤维素生物降解领域的发文参考价值及其影响力相对有限。排名第3位的作者LYND LR在发文总量上和前2位作者相比相对有限，但其篇平均被引次数排名第1，H指数排名第3，而且其篇平均被引次数是第2名的3倍左右，有着非常明显的优势，这说明作者LYND L R在木质纤维素生物降解领域的发文具有非常大的参考意义，并且有着较大的影响力。

7 重点发文机构分析

在统计的文献范围内，木质纤维素生物降解相关发文量前10名的机构如表3所示。这10个机构共发布了868篇文献，占文献发布总量的11.38%。数量排名前10的发文机构来自6个不同的国家，其中来自美国的有5所，中国、巴西、俄罗斯、以色列、西班牙各有一所。在排名前10位的机构中，其中有4所是来自世界各地的高校，另外6所则是来自世界各地的研究委员会或研究所。在10所机构中，排名第1的我国的中国科学院，其发文量为181篇，占总量的2.37%，但篇平均被引次数排名第9，这说明中国科学院虽然在木质纤维素生物降解领域的论文产出量大，但文章的参考价值相对有限。与中国科学院情况相似的还有俄罗斯科学院，虽然其发文数量高居次席，但是篇平均被引次数排名第10，H指数排名第9，证明了俄罗斯科学院在木质纤维素生物降解领域发表的文献参考价值和影响力较低。排名第二的美国橡树岭国家实验室在篇平均被引次数和H指数的排名中均位列第1，说明该实验室在木质纤维素生物降解领域发表的文献参考价值和影响力都非常高。

表3 木质纤维素生物降解发文量TOP10机构Table 3 Top ten institutions about lignocellulose biodegradation

在统计的10所机构中，来自美国的机构高达5所，而且这5所机构发表文章的篇平均被引次数和H指数总体来看排名靠前，证明了美国在该领域的研究中科研实力非常成熟。其中排名第10的威斯康辛的大学虽然在论文发表数量上相对有限，但是在篇平均被引次数中排名第2，H指数排名并列第5，说明威斯康辛大学在木质纤维素生物降解领域的发文参考价值较高。

8 发文研究方向分析

在统计范围内，发文量排名前10的研究方向如表4所示。发文数量前10名，从高到低分别是生物技术应用微生物学、微生物学、化学、高分子材料学、材料学、生物化学分子生物学、农业、工程学、生态环境科学以及科技其他专题10个研究方向。生物技术应用微生物学领域的文献发布量排名第1，有1 840篇，占总文献数目的24.09%，非常明显地高于其他领域。结合排名第2的微生物学和排名第3的化学，可以看出木质纤维素生物降解领域的研究方向主要面向生物和化学领域，再联系生态环境科学，农业这2个研究方向，可以判断出相关领域的研究总体方向是利用有关生物学和化学的方法完成木质纤维素的高效降解并转化为其他社会发展可利用的能源物质，从而达到减少大量生物质资源浪费的现状以及缓解环境污染危机的研究目的。

表4 木质纤维素生物降解发文量TOP10研究方向Table 4 Top ten research directions on the amount of lignocellulose biodegradation

排名第1的生物技术应用微生物学和排名第2的微生物学在H指数的排名中分别排在了第2和第1位，在篇平均被引次数的排名中分别位列第4和第2位，说明在木质纤维素生物降解领域中这2个研究方向的论文更加受到读者的关注，同时也被相关领域的研究人员更多地参考与引用，且在该领域内的影响力非常大。

9 重点发文期刊分析

在统计范围内，木质纤维素生物降解领域发文量排名前10的期刊如表5所示。这10种期刊总计发文1 444篇，占总量的18.90%，其中,发文量排名第1的期刊“CARBOHYDRATE POLYMERS”共发表木质纤维素生物降解相关文献211篇，占总量的2.76%，在总被引次数和H指数的排名中该期刊分别位列第2和并列第1，说明期刊“CARBOHYDRATE POLYMERS”在木质纤维素生物降解领域的论文学术价值和影响力很大。排名第4位的期刊“APPLIED MICROBIOLOGY AND BIOTECHNOLOGY”篇平均被引次数排名第1，H指数排名第3。排名最后1位的期刊“FRONTIERS IN MICROBIOLOGY”在篇平均被引次数中排名第2，H指数排名中位列第10，证明该期刊中关于该领域文章的参考价值和影响力相对较低。

表5 木质纤维素生物降解发文量TOP10期刊Table 5 Top ten journals on lignocellulose biodegradation

10 讨论与结论

通过该文对木质纤维素生物降解领域的7 639篇参考文献进行的多个角度的分析结果可以看出，最近20年来，全球范围内木质纤维素生物降解领域的发文量呈一个明显的上升趋势，该领域的研究正在被相关科研人员逐渐重视，而且愈发地成为了研究热点。

从高发文国家的分析中可以看出，美国在木质纤维素生物降解领域的科研实力非常雄厚。而中国在该领域的论文产出量虽然可观，但是我国在该领域的研究中高水平论文产量有限，影响力也较低，这表明我国在该领域的科研整体实力还有待进一步提升。在前10名国家中，虽然来自亚洲的国家最多，但通过对篇平均被引次数和H指数可以看出，欧美发达国家在木质纤维素生物降解领域的发文中高水平文献更多，同时具备更大的影响力，说明欧美国家在该领域的科研实力相对成熟，我国在该领域的相关科研人员应加强与欧美发达国家之间关于木质纤维素生物降解领域的科研合作，带动我国在该领域的科研整体水平。作为人口数量上亿的国家，美国、中国、日本、印度包揽了论文产出量的前4位。因为粮食的原因，人口大国不得不注重农业的发展，而木质纤维素与产量最大的农业废弃资源，即秸秆息息相关，我国作为每年可以产生6.4亿t秸秆的农业大国[22]，更应该在木质纤维素生物降解领域加大研究力度，并加强农业科学技术在农业生态环境与农业经济发展中的作用，为我国的农业现代化发展贡献力量。

木质纤维素生物降解领域的发文量前10名的机构中，美国占据了5席，种类有高校、实验室和研究所。可以看出美国在该领域的科研阵地的种类较为多样化，而我国仅有中国科学院1所机构进入了前10名的排行。在该研究领域发文量排名前10的研究方向和期刊的种类中可以看出，有关微生物学和生物技术方面的文章往往会受到更多的关注。

综上所述，木质纤维素生物降解的研究在全世界范围内逐渐成为研究热点，我国虽然重视该领域的研究，但是成熟度还不够，我国应继续加大该领域的科研力度并与部分欧美发达国家展开更为密切的合作，充分挖掘科研潜力，为缓解环境污染现状，能源危机，以及推动我国农业现代化的发展做出贡献。