生態(tài)因子對玉米秸稈降解特性影響研究

王大慶，安蒙龍，王洪波，聶 穎，趙 光

(1.黑龍江省農(nóng)墾經(jīng)濟研究所，黑龍江 哈爾濱 150090；2.遼寧工業(yè)大學(xué),遼寧 錦州 121001)

?

生態(tài)因子對玉米秸稈降解特性影響研究

王大慶1，安蒙龍1，王洪波1，聶 穎1，趙 光2

(1.黑龍江省農(nóng)墾經(jīng)濟研究所，黑龍江 哈爾濱 150090；2.遼寧工業(yè)大學(xué),遼寧 錦州 121001)

摘要：以玉米秸稈為底物進行了試驗，考察了秸稈降解條件，包括溫度、預(yù)處理、干物質(zhì)濃度與碳氮比等對纖維素降解率的影響，結(jié)果表明：經(jīng)預(yù)處理的玉米秸稈在設(shè)定溫度的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，其纖維素均進行了降解，利用響應(yīng)曲面法對實驗降解條件進行優(yōu)化，得到最佳的玉米秸稈降解條件為35 ℃、干物質(zhì)濃度12 %、堿處理、碳氮比20:1，纖維素降解率可達66.54 %。

關(guān)鍵詞：玉米秸稈；生態(tài)因子；纖維素降解率；響應(yīng)曲面法

1引言

能源日益枯竭是當代人們生存與發(fā)展必須面對的重大問題，據(jù)資料顯示，現(xiàn)已探明的資源，以現(xiàn)在開采速度計算，煤炭、天然氣與石油還可以分別開采100年、50～60年與30～40年[2,3]。然而目前秸稈資源的利用不合理，我國是農(nóng)業(yè)大國，據(jù)統(tǒng)計我國農(nóng)作物秸稈可收集資源量約8.20億t[1]。實際上多數(shù)地區(qū)采取焚燒方法，不僅會產(chǎn)生大量的化學(xué)廢氣，對大氣生態(tài)環(huán)境造成嚴重污染[4]，同時也造成了生態(tài)資源秸稈的浪費。因此政府對農(nóng)作物秸稈資源的綜合利用做出了規(guī)劃和行動部署[5]。秸稈的綜合利用途徑可分為物理法、化學(xué)法及生物法，被人們公認的最有前途的處理方法是生物法，利用微生物對秸稈進行降解[6]。

現(xiàn)階段，我國已經(jīng)對秸稈的綜合開發(fā)利用進行了大量深入的研究，并取得了一定的進展，但是高效合理的利用秸稈依然存在著一些困難[7]。第一，目前專門針對秸稈資源利用的大中型企業(yè)很少，缺乏一些示范企業(yè)的宣傳展示，將秸稈資源變廢為寶的理念沒有普及開來，秸稈綜合利用推廣力度不夠，對秸稈綜合利用的認識不足[8]。第二，在提高秸稈在厭氧消化中的利用效率，優(yōu)化秸稈利用方法方面，仍然存在一些技術(shù)瓶頸。秸稈資源利用仍以傳統(tǒng)技術(shù)為主，缺乏新技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，秸稈利用的關(guān)鍵技術(shù)難題尚未突破[9]。第三，秸稈資源的分布不均勻，帶明顯的區(qū)域性特點，其資源利用還未形成商業(yè)化和規(guī)?；痆10]。因此開發(fā)秸稈類生物質(zhì)纖維素的高效降解與利用技術(shù)對能源利用十分重要。

2材料與方法

本研究實驗于2015年在遼寧工業(yè)大學(xué)微生物實驗中心(錦州)進行。

2.1實驗材料

實驗所用的玉米秸稈取自凌海市大有農(nóng)場，挑選干凈的秸稈去根烘干剪成1～2 cm粉碎篩分至2 mm，經(jīng)微波處理后備用，經(jīng)檢測玉米秸稈的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量百分比分別為38.3 %，26.4 %，9.6 %，灰分為6.7 %，全氮6.64 g/kg，全磷2.89 g/kg，C/N比為42.37。接種的活性污泥取自錦州北控水務(wù)有限公司污水處理二期工藝的好氧池，活性污泥性質(zhì)參數(shù)分別為：MLSS：3770mg/L；SV：34 %；SVI：90；MLVSS/MLSS：67.48 %。在實驗前對秸稈進行預(yù)處理，分別用2 %的NaOH，H2SO4和污水污泥浸泡秸稈。

2.2試驗設(shè)計

試驗以玉米秸稈為底物，以纖維素降解率為衡量指標，先用單因素試驗對溫度、干物質(zhì)濃度、預(yù)處理方式與碳氮比四個因素進行考察，在單因素實驗基礎(chǔ)上采用Box-Behnken中心組合設(shè)計方法設(shè)計實驗，并利用Design-Expert 8.0.5軟件進行優(yōu)化。

2.3試驗裝置

實驗采用資質(zhì)厭氧發(fā)酵裝置，如圖1所示，由玻璃導(dǎo)管串聯(lián)而成，保證密閉厭氧的環(huán)境。

1.250 mL具塞錐形瓶；2.具塞250 mL廣口瓶;3.燒杯

2.4試驗測定方法——纖維素的測定

精確稱取1 g(準確至0.0001 g)樣品于潔凈千燥的錐形瓶中(D1)加入25 mL硝酸乙醇混合液，再放進10顆玻璃球，裝上回流冷凝器，至沸水浴熱1 h，在加熱過程中應(yīng)隨時搖蕩錐形瓶，以防止殘渣蹦跳。采用此方法處理樣品三次，使纖維變白。將沉淀全部過濾至已知重量的濾紙(D2)上，用10 mL硝酸乙醇混合液洗滌殘渣，用熱水洗滌至洗液用甲基橙試劑不呈酸性，最后用乙醇洗漆兩次。于105 ℃烘干至恒重(D3),測定其灰分(D4)，計算得出維生素(C)的含量：

(1)

3結(jié)果與討論

3.1單因素試驗

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選擇碳氮比在干物質(zhì)濃度控制為8～15 %，溫度設(shè)置在25～35 ℃，碳氮比為20∶1～30∶1比較合適。

3.2響應(yīng)面法優(yōu)化玉米秸稈降解的最佳條件

本研究采用響應(yīng)曲面法(response surface methodology，這種方法利用合理的試驗設(shè)計并通過試驗得到一定數(shù)據(jù),采用多元二次方程來擬合因素和響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系,通過對回歸方程的分析來尋求最優(yōu)工藝,解決多變量問題的一種統(tǒng)計學(xué)方法。試驗是在單因素試驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計原理，以纖維素降解率為響應(yīng)值Y，利用Design Expert8.0軟件設(shè)計了四因素三水平的響應(yīng)面法試驗，試驗因素水平見表1。

表1　試驗的因素和水平

根據(jù)曲面響應(yīng)法和確定的因素水平表，設(shè)計實驗設(shè)計方案如表2。

3.2.1方差分析

利用軟件對實驗結(jié)果進行二次多元回歸擬合，進行方差分析后后得到該模型的二次多項式方程為：

Y=55.68+6.05×A+0.58×B+4.98×C-0.45×D-1.03×A×B-0.033×A×C-2.10×A×D-0.46×B×C+0.61×B×D-0.92×A2-0.73×B2-1.61×C2+0.15×D2

(2)

方差分析的結(jié)果見表3。

由表3可知，失擬項不顯著(P=0.1106>0.05)，而模型的P值<0.0001，表明該模型高度顯著，一次項(A、C)、二次項(C2)對結(jié)果影響高度顯著(P<0.0001)，一次項(B)、二次項(A2、 B2)與交互項(AB、AD)對結(jié)果影響顯著(P<0.05)，而一次項(D)、二次項(D2)及交互項(AC、BC、BD、CD)對結(jié)果影響不顯著(P>0.05)。因此采用手動優(yōu)化的方法對回歸模型進行優(yōu)化，優(yōu)化的結(jié)果見表4。

經(jīng)手動優(yōu)化后的回歸方程為：

Y=55.76+5.99×A+0.60×B+4.97×C-0.39×D-0.91×A×B-0.096×A×C-2.15×A×D-0.86×A2-1.07×B2-1.78×C2

由表4可知，失擬項顯著(P=0.0479)，模型的P值<0.0001，表明模型高度顯著，擬合度R2=99.40 %，校正擬合度R=98.81 %，這表明回歸模型擬合程度良好，能很準確地解釋試驗數(shù)據(jù)，試驗誤差小，該模型是合適的。

表2　Box-Behnken試驗設(shè)計方案及響應(yīng)值結(jié)果

表3　方差分析

注：P≤0.0001，為高度顯著，用**表示；P≤0.05，為顯著，用*表示；P>0.05，顯著性為不顯著

表4　去掉交互項BC、BD與CD后的優(yōu)化結(jié)果

溫度和處理方式是影響玉米秸稈降解的主要因素，在適當?shù)臏囟确秶吞幚矸绞较录涌炝擞衩捉斩挶砻婺举|(zhì)纖維素的斷裂，有利于纖維素和半纖維素的暴露及降解。

3.2.2響應(yīng)曲面分析與優(yōu)化

模型的三維響應(yīng)曲面見圖2。

(a)　　　　　　　　　　　　(b)　　　　　　　　　　　(c)　　　　　　　　　　　　(d)

由圖2的(a)與(b)可知，溫度與干物質(zhì)濃度對纖維素降解率的交互作用顯著，與模型方差分析結(jié)果一致，溫度在接近35 ℃，干物質(zhì)濃度10～12 %時的纖維素降解效果較好。由圖2的(c)與(d)可知，溫度與碳氮比的交互作用對纖維素降解的影響顯著，與模型方差分析結(jié)果一致，圖2(c)顯示，溫度與碳氮比交互作用明顯，在碳氮比為20～25∶1范圍內(nèi)可以獲得60 %以上的纖維素降解率。

通過軟件對回歸方程進行求導(dǎo)，得到最佳玉米秸稈降解的條件如下：溫度為35 ℃、干物質(zhì)濃度為10.94 %、處理方式為堿處理、碳氮比為20∶1，在此條件下纖維素降解率為66.54 %。根據(jù)實際設(shè)計試驗各生態(tài)因素為溫度35 ℃，干物質(zhì)濃度11 %，處理方式堿處理，碳氮比20∶1，在該優(yōu)化條件下進行了三組平行試驗，纖維素降解率平均值為64.89 %，與預(yù)測值接近，證明響應(yīng)曲面分析法得到的降解條件可靠，可以很好地預(yù)測響應(yīng)值。

4結(jié)論

本試驗考察了4個生態(tài)因子(溫度、干物質(zhì)濃度、處理方式、碳氮比)對玉米秸稈纖維素降解率的影響，建立了響應(yīng)值的數(shù)學(xué)模型，對影響秸稈降解效率的各生態(tài)因子間的交互作用進行了分析和討論。通過以上實驗結(jié)果的分析討論，得出以下結(jié)論。

(1)采用響應(yīng)曲面法對降解條件進行優(yōu)化，得到了纖維素降解率與溫度、干物質(zhì)濃度、處理方式和碳氮比關(guān)系的回歸模型，其顯著性高，擬合程度好。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可以看出四個生態(tài)因子對纖維素降解的影響依次為溫度、預(yù)處理方式、干物質(zhì)濃度、碳氮比，而各因素中溫度與干物質(zhì)濃度、溫度與碳氮比交互作用明顯，而溫度與預(yù)處理方式的交互作用不明顯。

(2)由該模型得到玉米秸稈降解最優(yōu)條件為：溫度35 ℃、干物質(zhì)濃度10.94 %、堿處理、碳氮比20:1，在此條件下纖維素降解率可達66.54 %。

(3)實驗驗證最佳實驗玉米秸稈降解條件，分析結(jié)果得出纖維素降解的試驗值與模型預(yù)測值之間的相對誤差小于5 %，這表明纖維素降解二次回歸模型的可靠性較高。

參考文獻：

[1]農(nóng)業(yè)部.全國農(nóng)作物秸稈資源調(diào)杳與評價報告[J].農(nóng)業(yè)丁程技術(shù)，2011(2)2～5.

[2] Zhou X, Wang F, Hu H, et al Assessment of sustainable biomass resource for energy use in China[J].Biomass and Bioenergy, 2011,35(1):1～11.

[3] Liu J, Zhou Q, Sun T, et al Growth responses of three ornamental plants to Cd and Cd-Pb stress and their metal accumulation characteristics[J].Journal of hazardous materials,2008,151(1);261～267.

[4]潘金虎.勿讓有價值的生物資源污染生態(tài)環(huán)境一對江蘇省農(nóng)作物(麥、稻)秸稈綜合丌發(fā)利用的建議[J].江蘇科技信息，2004(2):50～52.

[5]張岳.沼氣及其發(fā)酵物在生態(tài)農(nóng)業(yè)中的綜合利用[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護，1998，17(2),94～95.

[6]黃茜，黃鳳洪，江欄，等。多菌種混合發(fā)酵轉(zhuǎn)化秸稈技術(shù)的研究及應(yīng)用進展[J].環(huán)境科學(xué)與技,2011,34(6):180～183.

[7]陳通. 畜牧家禽糞便處理利用現(xiàn)狀-問題與展望[C]∥中國農(nóng)學(xué)會.全國農(nóng)業(yè)面源污染與綜治學(xué)術(shù)研討會論文集. 北京: 中國農(nóng)學(xué)會, 2004:120～122.

[8]孟祥博, 馬放, 趙光, 等. 低溫沼氣厭氧消化研究進展[C]∥ 中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會.學(xué)術(shù)年會論文集,北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社， 2013: 5484～5490.

[9]邱凌, 張正茂, 謝惠民. 等. 農(nóng)村沼氣工程理論與實踐[M]. 西安: 世界圖書出版公司, 1998 38～46.

[10]張碧波, 曾光明, 張盼月, 等. 高溫厭氧消化處理城市有機垃圾的正交試驗研究[J]. 環(huán)境污染與防治, 2006, 28(2): 87～89,115.

收稿日期：2016-04-20

基金項目：國家科技支撐計劃專題項目(編號：2012BAD14B06-04)

作者簡介：王大慶(1969—)，男，副研究員，主要從事生態(tài)經(jīng)濟研究工作。

通訊作者：趙 光(1980—)，男，副教授，主要從事廢物資源化利用的研究工作。

中圖分類號：X712

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944(2016)12-0001-02

Effects of Ecological Factors on The Degradation of Corn Straw

Wang Daqing, AN Menglong, Wang Hongbo, Nie Ying, Zhao Guang

(HeilongjiangAgriculturalReclamationEconomicResearchInstitute,Harbin150030,China)

Abstract:Straw degradation technology is a high effective potential approach to turning waste into treasure. This experiment was carried out by using corn stalk to investigate the influence of the conditions of straw degradation(temperature, pretreatment, the dry matter concentration and C/N ratio) on the degradation rate of cellulose. The results showed that, the corn straw was pretreated and cultivated in the incubator, set the temperature the cellulose had been degraded. Using response surface methodology to optimize the experiment conditions and get the best corn straw degradation conditions :temperature30 ℃, dry matter concentration 15%, alkali treatment, C/N ratio of 20:1, the cellulose degradation rate could reach 66.82%.

Key words:cornstalk; ecological factors; degradation rate of cellulose ; response surface method