水稻秸秆预处理技术研究进展

才金玲 王乃可 王娟 李德茂

（1 天津科技大学 化工与材料学院/天津市卤水化工与资源生态化利用重点实验室，天津 300457；2 中国科学院 天津工业生物技术研究所/天津市工业生物系统与过程工程重点实验室，天津 300308；第一作者：jinlingcai@tust.edu.cn；*通讯作者：li_dm@tib.cas.cn）

我国具有丰富的水稻秸秆资源，其年约产生1.4亿t 左右[1]。水稻秸秆含有丰富的C、N、K、P 等元素，可以成为重要的肥料来源；同时也含有大量的纤维素、半纤维素和木质素，这些营养物质是畜牧饲料的重要来源。焚烧或遗弃秸秆会造成严重的环境污染和资源浪费。合理利用秸秆资源对改善生态环境和农业可持续发展都具有重要意义。

但是，水稻秸秆内的纤维素、半纤维素和木质素通过共价或非共价相互交联，形成独特的结晶体结构，导致其较难降解，严重限制了秸秆资源的综合利用[2]。水稻秸秆中还富含硅质，这也增加了水稻秸秆的降解难度。因此，水稻秸秆直接转化，存在启动速度慢、降解效率低等问题。预处理技术可以有效破坏水稻秸秆的物理结构，提高其生物降解性[3]，要提高水稻秸秆的转化速率和效率，对水稻秸秆进行预处理十分必要。预处理主要是通过改变秸秆的物理化学性质，增加秸秆表面积，破坏纤维素、半纤维素和木质素之间的化学键，减少纤维素的结晶，从而提高秸秆的降解效率。目前预处理技术可分为物理、化学、生物和联合处理等。

1 物理预处理

物理预处理主要包括机械处理（碾磨和挤压）、辐照处理、高温和电解等技术。该方法可以有效提高秸秆的接触面积，从而促进秸秆的生物降解。

1.1 机械处理

机械处理主要包括研磨和挤压。其中碾磨预处理一般将水稻秸秆切碎成0.2～2.0 mm 的碎片，从而降低纤维素的结晶程度。挤压处理一般通过挤压降低稻秆颗粒大小，并且挤压过程产生的热量可以为水稻秸秆提供热机械处理，是目前应用较为广泛的水稻秸秆预处理技术[4]。CHEN 等[5]研究发现，经挤压预处理的水稻秸秆粒径显著降低，物理性能改善，纤维素和半纤维素的降解效率提高，最终提高甲烷产量。机械处理常用于其他预处理方法之前，可以有效降低水稻秸秆体积、增加微生物或酶的接触面积。

1.2 辐照处理

辐照处理是对原料进行射线照射，从而改变秸秆的内部微观结构。例如水稻秸秆经800 kGy γ-射线辐照，显著增加酶的转化率，葡聚糖转化率达72.42%，是对照组的4.78 倍[6]。陈亮等[7]研究发现，辐照预处理产生的糖损失最少，后续经发酵过程产生更多的燃料乙醇。目前对辐照处理的研究尚停留在实验室阶段，工业化生产还需提高经济性和处理效率。但辐照预处理技术具有不产生抑制剂的优点。

1.3 高温处理

高温处理是在高温条件下改变纤维素、半纤维素和木质素的空间联接，从而破坏秸秆纤维结构，增加秸秆的微生物降解性[8]。ZHANG 等[9]研究发现，180 ℃可以破坏水稻秸秆中纤维素-半纤维素-木质素的空间结构，从而促进底物的降解性。高温预处理无需化学添加，对环境影响小，但是能耗大。

1.4 电解处理

电解处理能使细胞壁变得皱缩，显著提高秸秆的生物降解性。本实验室利用石墨电极维持恒定电压25V 处理水稻秸秆60 min，导致秸秆细胞呈皱缩状，同时与未处理组相比，释放大量还原糖，极大增加了发酵制氢的产量[10]。但是电解处理同样存在能耗高的问题，需从改善电极材料、电解液等领域进行优化。

2 化学预处理

常用的化学预处理主要包括酸预处理、碱预处理、离子液体预处理等。

2.1 酸预处理

酸预处理的常用试剂有磷酸、乙酸等。AMNUAYCHEEWA 等[11]用乙酸预处理水稻秸秆，破坏秸秆木质纤维素空间结构，从而提高其水解效果和沼气产量。PENG 等[12]在温和条件下，用2%乙酸预处理水稻秸秆24 h，显著提高水稻秸秆木质纤维素降解效率，同时增加甲烷产量。酸预处理对试剂浓度要求严格，过低会导致秸秆降解效率低，过高则易造成设备腐蚀，并且危害环境。

2.2 碱预处理

碱预处理的常用试剂有碳酸钠、氢氧化钠、氢氧化钙和氨水等。金显春等[13]利用碳酸钠处理水稻秸秆，再用烟曲霉及嗜鞣管囊酵母发酵产乙醇，发现碱预处理能有效促进秸秆发酵，乙醇产量达26.30±0.86 g/L。SHETTY 等[14]在常温条件下利用氢氧化钠对水稻秸秆进行预处理，并进一步厌氧消化，发现能显著提高沼气产量。本实验室利用氢氧化钠和尿素预处理水稻秸秆，显著破坏水稻秸秆的晶体结构，并增加后续的生物制氢产量[10]。碱预处理反应条件较酸预处理更温和，但处理时间更长，而且在处理过程中会形成盐，这是当前亟待解决的问题。

2.3 离子液体预处理

离子液体预处理是最近几年出现的一种预处理方法。因离子液体的新型、绿色、易合成和易回收特点逐渐受到人们的关注。MOHAMMADI 等[15]成功将吗啉离子液体1-H-3-甲基吗啉氯化物（[HMMorph] [Cl]）预处理水稻秸秆，发现经过预处理的水稻秸秆乙醇产率明显提高。离子液体预处理具有经济、工艺简单的特点，且有效解决了酸碱试剂对环境的污染问题，但是大多数离子液体对纤维素酶有毒性，限制了该技术的发展。

3 生物预处理

生物预处理主要通过微生物处理秸秆，缩短后续厌氧发酵时间，提高秸秆产物生成量[16]。常用于水稻秸秆预处理的微生物主要有真菌和细菌，如芽孢杆菌、红球菌等[4]。SREEMAHADEVAN 等[17]利用一种能在短时间内合成大量木质素酶的真菌（MVI.2011）对水稻秸秆预处理，经过1 周可以有效促进水稻秸秆产生乙醇。BARAMEE 等[18]利用高效产生木聚糖分解酶的强固芽孢杆菌K-1 对水稻秸秆进行预处理，发现预处理后的秸秆中木聚糖含量显着降低（去除率达21.0%），木聚糖的去除增强了纤维素对纤维素酶的可及性。生物预处理解决了物理预处理能耗高和化学预处理中添加化学试剂的问题，应用潜力巨大。

3.1 微生物预处理机理

微生物预处理的机理主要是通过微生物产生的降解酶单独或联合预处理秸秆纤维素、半纤维素和木质素。纤维素主要由内切型葡聚糖酶（Cx 酶）、外切型葡聚糖酶（C1 酶）和β-葡萄糖苷酶（Cb 酶）3 种酶协同作用从而分解[19]。木质素的稳定结构导致其最难降解。赵秀云等[20]研究表明，真菌在木质素降解过程中起主要作用。真菌分泌的锰过氧化物酶、漆酶和木质素过氧化物酶等在木质素降解过程中发挥重要作用。DING 等[21]利用模型化合物对相同条件下木质素非酚结构的降解机理进行了研究，发现非酚结构可以在活性氧和固体碱蒸煮过程中降解成低分子量产品，展示出一种新的木质素氧化降解途径。

3.2 降解水稻秸秆的微生物种类

降解水稻秸秆的微生物主要包括细菌、真菌和放线菌等。其中，细菌具有生长周期短、发酵快等特点，高酶活的细菌广泛用来降解秸秆。刘晓辉等[22]利用枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）L-13 成功开展低温水稻秸秆降解。ABDEL-RAHMAN 等[23]通过测定纤维素酶产生菌地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis 1-1v）和声芽孢杆菌（Bacillus sonorensis 7-1v）对水稻秸秆堆肥的潜力，发现2 种菌剂混合对秸秆的降解效果最好。真菌菌丝体可穿透秸秆表层结构，破坏难降解的木质素蜡质层，同时产生比细菌和放线菌更高的酶活力。有研究表明，添加厌氧真菌Orpinomyces joyonii 可以显著提高水稻秸秆的降解和产甲烷量[24]。因此，真菌被广泛应用于秸秆降解[25]。目前学者普遍认为，利用微生物之间协同作用研发出的降解菌系能有效提高秸秆降解效率。

基于混合菌剂展现出强于单一菌系的降解效果，使复合降解菌剂的研究成为主流。GOU 等[26]研究了由嗜冷细菌联合体（PBC）和嗜热纤维素分解真菌联合体（TCFC）组成的嗜冷-嗜热复合微生物制剂（PTCMA）在低温下对堆肥的影响，发现嗜冷菌群和嗜热菌群共同预处理的堆肥效果明显高于单独接种嗜冷菌群或嗜热菌群处理，混合菌群显著提高堆肥的总氮量、发芽指数、纤维素和木质素降解率。

4 水稻秸秆联合预处理方法

4.1 物理预处理和化学预处理相结合

物理预处理和化学预处理相结合是目前最常用的联合预处理技术。WU 等[27]利用超声波辅助碱（NaOH）预处理水稻秸秆，显著提高其糖化酶消化率；该处理方式针对性去除木质素和半纤维素，不影响纤维素，并增加水稻秸秆的孔隙率及表面积，较直接使用外部加热源预处理结晶度更低，表面积也更大。臭氧与加热处理相结合处理水稻秸秆，降低水稻秸秆19.0%的结晶度，同时降低17.0%总碳含量[28]。

4.2 化学预处理与生物预处理相结合

化学预处理与生物预处理相结合的联合预处理也备受关注。GUAN 等[29]研究表明，CaO-消化液的液体馏分生化预处理在不同预处理条件下效果最好，木质纤维素成分的去除率比对照高20.73%、甲烷产率比对照高57.56%，对秸秆降解效果显著改善。Fenton 处理结合细菌降解水稻秸秆，可以显著改善微生物菌群结构和纤维素降解酶活性，最终提高水稻秸秆降解率[30]。过硼酸钠与酶处理相结合，显著改变水稻秸秆的内部结构，同时有效减少秸秆中的木质素，最终提高秸秆降解率[31]。

联合预处理方法的作用机制相对更复杂，对操作条件的要求较高，可能出现产生抑制剂、能源要求高等新问题，距大规模应用还有一定距离。

5 目前面临的挑战和展望

物理预处理由于只改变了水稻秸秆的结构特性，降解效果有限，能耗大且成本高。化学预处理易形成有毒物质，处理不当将对环境造成危害且回收困难，有时还会产生抑制性化合物，阻碍水稻秸秆的厌氧发酵。生物预处理的周期一般较长，对生物菌剂有较高要求，微生物培养和发酵的条件比较严格。但生物降解技术优势明显，微生物实现的生物转化符合经济发展的可持续性。目前纤维素、半纤维素的降解和相关菌剂的研究成果颇丰，但降解木质素的相关菌群如放线菌等还需要深入研究。为获得具有较高木质素降解能力的菌株，利用基因工程技术导入外源基因，构建工程菌株将成为未来的研究热点。其次，目前的分解菌株大多酶活性较低，其产酶条件的优化还可能作为相关领域的研究重点。再有就是目前水稻秸秆的菌剂降解，大多只能得出表观降解效果好坏的结论，鲜有对其降解机理进行阐述。而联合预处理的出现，表明目前研究者正密切关注各种预处理的优缺点以期获得多种方法协同作用的新思路。未来仍需大量实验和深层研究来打破瓶颈，实现水稻秸秆高效、低成本的预处理。