理工论文。。秸秆与微生物关系_关于微生物工程的论文

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探讨农作物秸秆与微生物资源之间的相互关系

摘要：

作物秸秆是农作物生产系统中一项重要的生物资源 也是当今世界上仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源。而做为主要的农作物小麦的秸秆占秸秆量的农作物秸秆的综合利用是解决如今能源危机和保护环境的重要途径。而如今通过微生物研究对秸秆的综合利用是解决农作物秸秆最经济快捷的途径。据不完全估计全世界每年可产生近20亿吨秸秆，而我国农作物秸秆年产量为6~7亿吨。列世界居首，并以玉米、小麦和稻谷秸秆为主占总秸秆产量80% [1]。但由于秸秆利用技术发展迟缓, 致使每年产生的大量秸秆被直接焚烧或弃置, 造成严重的环境染，我国农作物秸秆量大、利用率较低，但已在秸秆青贮、秸秆气化、秸秆还田和用于生物肥、建筑原料等方面取得显著成效。因此农作物秸秆的综合利用，既可缓解农村饲料、肥料、燃料和工业原料的紧张状况，又是保护农村生态环境，促进农业可持续协调发展的迫切要求

关键词：

农作物秸秆;微生物;能源21世纪关于农业废弃物的再利用一直是微生物学研究的热门话题,农业可持续发展,农业废弃物的的能源在利用,特别是植物秸秆量大迫切得到能源开发.1、秸秆的主要成分

作物秸秆的主要成份是纤维素、半纤维素和木质素另外还有一些蜡质物质。几类主要秸秆的主要成分见表 1[2]

表 1 纤维素、半纤维素、木质素在农作物残留物中的比例

材料 稻小玉玉燕草秸米米麦 秆秆芯壳

半纤维素(%)

2111297958.....5000

1纤维素(%)

39333

3.9563

.0...7 000

木质素(%)

1111104553.....0 0 0 0 0 禾秆

35～ 48

31～ 40

15～ 25 1．1 结构特点

1.1.1粗纤维的结构特点

纤维素，半纤维素与木质素紧密结合、相互缠绕构成粗纤维，是植物细胞壁的主要成分。这些天然有机高分子化合物，结构很牢固，只能吸水润胀，不能为单胃动物的消化液和酶所分解，消化率很低。纤维素是由β-1,4键的葡萄糖单元所组成的长链状大分子，其葡萄糖亚基排列紧密有序，形成类似晶体的不透水的网状结构，以及分子间结合不甚紧密的无定形区域。半纤维素是由葡萄糖，木糖，甘露糖，阿拉伯糖，半乳糖等多种单糖残基聚合而成的异型多糖。木质素是由苯基丙烷聚合而成的一种非多糖物质，由对羟基肉桂醇(P-hydroxycinna myl alcohols)脱氢聚合而成.1.1.2半纤维素的结构特点

半纤维素的许多不同的单糖聚合体的一源性混合体，包括葡萄糖、木糖、甘露糖、阿拉伯糖与半乳糖等，各单糖聚合体间分别以共价键、氢键、酯键或醚键相连结，因而 2 呈现为稳定的化学结构；此外，随着农作物秸秆的成熟，植物体内的木质素逐渐增长，并参与其中，从而进一步增强了植物体的坚实性，也降低了它们的可消化性。1.1.3木质素的结构特点

木质素为苯基丙烷的非结晶体聚合物，其结构随植物不同而异，在禾本科饲草中，它们与纤维素和半纤维素之间主要以酯键相结合，在豆科牧草中则主要为醚键，这两种键结构物均不能为哺乳动物消化道内厌氧微生物产生的酶分解，因而降低了它们的可消化性。

2、秸秆在农业中综合利用的现状

2.1秸秆还田

2.1.1 直接还田 ：前茬秸秆直接还田，是把一定数量的秸秆直接耕翻人土。该技术又可分为粉碎还田、整秆还田及覆盖栽培还田。采用机械一次作业将田间直立或铺放的秸秆直接粉碎还田，使多项工序一次完成，生产效率可提高40—120倍。秸秆粉碎根茬还田机还能集粉碎与旋耕灭茬为一体，加速秸秆在土壤中的腐解、吸收，改善土壤的团粒结构和理化性能，提高土壤肥力，促进农作物持续增产增收。机械还田是一项高效、省时省工的有效措施，易于被农民接受和推广。但也还存在一些问题，一是耗能大，成本高，难以推广；二是山区、丘陵地区地块面积小，机械使用受限制；三是未经高温发酵直接还田的秸秆，可能导致病害蔓延。

2.1.2间接还田 ：间接还田技术包括堆沤还田、烧灰还田、过腹还田、菇渣还田和沼渣还田。秸秆堆沤还田也称高温堆肥，是解决我国当前有机肥源短缺的主要途径。它是利用夏季高温季节把秸秆堆积，采用厌氧发酵沤制，其特点是时间长、受环境影响大，劳动强度高，但成本低廉。现已发展到推广应用催腐剂、酵素剂等堆沤秸秆，缩短了沤制时间。烧灰还田是将秸秆焚烧成灰而还田，操作简单方便，碳酸钾含量丰富，但易污染空气，损失大量能源和碳、氮、磷，故一般很少采用。过腹还田是一种效益很高的秸秆利用方式。秸秆经过青贮、氨化、微贮处理，饲喂畜禽，过腹排粪还田，提高秸秆的经济价值，形成粮食—秸秆一饲料一牲畜—肥料一粮食的良性循环。菇渣还田是指秸秆可作为菇类的培养料，故将秸秆生产菇类后剩下的菇渣还田，其营养丰富，可减少化肥用 3 量，但菇渣产量小，所消耗的秸秆量有限。沼渣还田是因为秸秆可以发酵制沼，故沼渣还田是优质的有机肥；但因沼渣产量小，生产周期长，劳动强度大，也不常用。2.1.3 生化腐熟快速还田该技术有3种还田方式，即催腐堆肥技术、速腐堆肥技术和酵腐堆肥技术。其特点是用高新技术进行菌种的培养和生产，用现代化设备控制温度、湿度、数量、质量和时间，经机械翻抛、高温堆腐、生物发酵等过程，将秸秆转化成优质的有机肥，具有自动化程度高、腐熟周期短、产量高、采用好氧发酵环境无污染，肥效高等优点。但优良微生物复合菌种和化学制剂筛选困难；操作条件需严格控制；秸秆需严格预处理且设备成本和运行费用较高。2.2秸秆的饲料化处理

秸秆中含有较高的粗纤维，限制了瘤胃中微生物和消化酶对细胞壁内溶物的消化作用，致使秸秆适口性和营养性差，无法被动物高效地吸收利用。因此，开发和利用秸秆饲料资源，提高其利用率和营养价值势在必行。

3、农作物秸秆的微生物发酵研究

3．1农作物秸秆的微生物降解的优点：（1）微生物生长速度快，生产周期短。

（2）微生物蛋白含量高，还有丰富的必须氨基酸 B族维生素辅酶等。（3）微生物的来源广泛，易获得理想菌株。

（4）生产可以连续进行，不受气候条件，生产季节变化 仅须少量的土地和劳力。

据世界粮农组织（FAO）统计，本世纪末，全球蛋白质资源短缺达2500万吨至此，开发新的饲料资源已引起广泛的重视我国的人口众多，耕地少，年产粮食 4.8-4.9 亿吨，其中饲料用粮 1 亿吨，占粮食总产量的23% 随着人均占有粮的减少以及人们对肉蛋奶等需求量的增加，畜牧业和养殖业面临着严重的挑战所以人畜争粮问题十分严重因此，开辟新的饲料资源（秸秆为主原料）可在很大程度上缓解这个问题，我们从单菌和混菌对纤维素的分解能力进行比较研究。结果表明：以玉米秸秆为主要原料，通过双菌株固态发酵工艺生产单细胞蛋白含量，纤维素降解率，纤维素素酶活性都较高，产品稳定绿色木霉菌株产纤维素酶活性高，性能稳定，抗污染力强，假丝酵母菌株的菌体蛋白含量高，菌体增量快经酸化碱化蒸煮再膨化的玉米秸秆为主要原料，经双菌株固态发酵工艺生产高酶活单细胞蛋白的工艺路线是可行的 利用丰富的秸秆资源生产高酶活单细胞蛋白，为解决我国饲料资源开创了一条新途径。3.2微生物发酵农作物秸秆生产蛋白饲料的研究进展

微生物发酵农作物秸秆生产蛋白饲料的研究是一个世界性的研究课题，目前已取得了重大进展，在选择发酵农作物秸秆生产蛋白饲料的微生物菌种方面，人们越来越倾向于混菌发酵体系，在双菌或多菌混合发酵中，酶促作用生成的糖立即被发酵糖的微生物所利用，这样就维持了降解物的浓度，清除了酶合成作样的降解物的阻遏作用，同时，也解除了反应终产物对酶的反馈抑制 对玉米秸秆进行双菌发酵研究表明，添加5%的糖渣室温发酵7天，发酵产物的粗蛋白含量提高一倍左右；添加20%左右的糖渣进行发酵，其粗蛋白含量提高近3倍，发酵产物具有酒香味和弱酸味，适口性好对绿色木霉和假丝酵母菌共发酵农作物秸秆生产单细胞蛋白的条件进行了研究，研究结果发现，在接木霉培养 60 小时后，再接种假丝酵母，湖和培养后，培养物中蛋白含量提高到 20%-25%，纤维素转化率达51%，培养物富含多种酶类 氨基酸及维生素等，从而提高了农作物秸秆的营养价值。

3.3微生物发酵农作物秸秆生产蛋白饲料的应用前景及展望

⑴微生物发酵秸秆的应用方向主要有以下几个方面：一是微生物发酵农作物秸秆，提高农作物秸秆的消化率，以用作草食牲畜的基础饲料；二是以农作物秸秆为能量，经微生物发酵生产单细胞蛋白，可作为蛋白饲料；三是利用微生物发酵贮存农作物秸秆，以用草食牲畜的饲料 从秸秆的生物转化的目的性看，半纤维素和木质素的降解更有意义 利用工程菌将木质素转化为单细胞蛋白的主要途径有：一是将木质

素酶基因导入酵母中，使其获得直接利用木质素的功能，在好氧的条件下生产酵母细胞；二是筛选开发高纤维素酶活性的优良菌株，生产高小的酶制剂，用于水解木质素 纤维素成为单 低糖分子。

⑵在微生物发酵农作物秸秆生产蛋白饲料方面面临几大困难，首先是秸秆的纤维素 木质素与蜡质紧密结合在一起，防止降低了各种酶的活性；其次是难于选育纤维素酶产量高的菌种；第三是必须解决发酵过程中降解终产物对酶合成及其活性产生的反馈抑制的问题利用微生物发酵秸秆的主要障碍是木质素木质化程度基本上决定了秸秆的营养价值和饲用效果占8%的木质素和纤维素之间形成了坚固的酯键，阻碍了微生物对纤维素降解，致使秸秆的消化率很低 因此提高秸秆消化率的关键是降解木质素，其次是纤维素和半纤维素。

3.5微生物发酵秸秆生产甲烷的现状及展望

3.5.1 沼气发酵是指各种农业废弃物在厌氧条件下被沼气微生物分解代谢，最终形成以甲烷为主要成分的混合气体的过程，是一个复杂的生物化学过成[3]。沼气技术是生物质能的开发和利用的重要途径，也是农业废弃物能源化利用的关键手段。沼气的综合利用即“三沼（沼气、沼液、沼渣）利用”在我国可持续农业发展战略中具有重要意义[4]。以沼气为纽带可促进物质和能量在系统内部有多重循环利用，如我国北方开发的“四位一体”高效种养结合发展模式[3]，即“太阳能温室－沼气池－猪圈－厕所”、“温室猪圈－沼气池－厕所－果园” [5] 和南方的“猪圈－沼气池－果园”模式，可使一切有机残体和废弃物无害化和资源化，是一条适合我国国情的农村发展之路。在利用沼气作为能源的同时,充分利用沼气发酵残余物作为优质的有机肥料和饲料的功能,形成以沼气为纽带的“饲料-肥料-能源-环境”复合生态工程,具有较高的经济效益和社会效益。经过试验与示范,在北方地区形成了将沼气池和猪禽舍、厕所、蔬菜大棚有机结合的“四位一体”技术,既解决了北方寒冷地区沼气池安全越冬的问题,又促进了生猪的生长发育,缩短育肥期和节约饲料,同时还为大棚蔬菜提供优质肥料,提高蔬菜产量和质量,增加农民收入,具有土地、能源、时间、劳动力等高度利用和生产发展、环境改善、能源再生效益提高等综合效果。

4、总结

目前我国秸秆利用率还很低，开发研究潜力还很大，而微生物秸秆技术可谓是农业生物技术的重要组成部分，是农业微生物理论成果走向实际应用，创造经济效益的纽带，可以预见，随着研究的深入，微生物发酵农作物秸秆生产蛋白饲料的应用前景必定是更加广阔的。利用微生物发酵农业废弃物产生以甲烷为主的能源，解决农村居民的照明问题与燃料问题，而沼液和沼渣也可应用于农作物栽培和畜禽养殖。微生物降解秸秆产生蛋白质饲养牲口健康无公害。

根据自然资源废弃化和废弃物资源化理论,废弃物的产生是不可避免的,但废弃物是资源的另一种形式,随着科学技术的进步和人类认识的提高,对其进行资源化利用是可行和必要的。农业废弃物的资源化利用就要以微生物为纽带，通过肥料化、沼气化、食用菌化和饲料化途径，把种植业、养殖业和居民生活的各方面都纳入到可持续农业发展系统中，实现农业资源的循环利用。参考文献

[1] 段佐亮.我国作物秸秆燃烧甲烷、氧化亚氮排放量变化趋势预测（1900~2020）[J]农业环境保护，1995，14（3）：111-116

[2] 史央 等 秸秆降解的微生物学机理研究及应用进展微生物学杂志,2002,22(1):47-50.[3] 王飞，王革华.“四位一体”户用沼气工程建设对农民种植行为影响的计量经济学分析 [J].农业工程学报，2006，22（3）：116－120.[4]刘英.农村沼气实用新技术[M].成都：农业部沼气科学研究所，2002.[5] 邱 凌，杨改河，杨世琦.黄土高原生态果园工程模式设计研究[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2001，29（10）：65－69.姓名：葛振金 学号：020090807052 7

专业:生物技术及应用