（环境工程专业论文）表面活性剂对固态发酵中简青霉产漆酶及降解苯酚的影响.pdf

l e f f e c to f s u r f a c t a n to nl a c c a s ep r o d u c t i o na n d p h e n o lr e m o v a lb y p e n i c i l l i u ms i m p l i c i s s i m u mi ns o l i d s t a t ef e r m e n t a t i o n z h o um e i f a n g b e ( h u n a na g r i c u l t u r a lu n i v e r s i t y ) 2 010 at h e s i ss u b m i a e di np a r t i ms a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g e n v i r o n m e n t a ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o ry u a n x i n g z h o n g d e c e m b e r ，2 0 1 0 l 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 作者签名： 导师签名： l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“) ) n 偶豸 搠 日期：年月日 日期：o o 年，胡1 日 表面活性剂对同态发酵中简青霉产漆酶和降解苯酚的影响 摘要 目前，我国农业固废污染问题日益突出，每年都有大量农业固体废弃物产生。对环 境造成了巨大的污染。尤其是农作物秸秆及农业废渣的处理，问题较为突出。而固态发 酵被认为是最有效的处理这些废物的处理方法之一。利用这些农业秸秆、废渣等木质纤 维素原料进行固态发酵，不仅可以作为解决能源危机、治理环境污染的重要手段，而且 是绿色生产的主要工具。 在固态发酵过程中，微生物酶对有机质的降解发挥着重要的作用。目前国内外对微 生物产酶的影响因素的研究已经比较多。一些研究表明，添加表面活性剂是影响微生物 产酶的一种方法。表面活性剂是具有亲水基和疏水基的离子或非离子化合物，具有降低 表面张力、稳定乳化液、增溶、改变分子极性等作用。表面活性剂能够改变细胞表面的 疏水性和极性等性质，改变细胞膜的通透性，有助于菌体胞外酶的分泌和其与底物的接 触，从而提高微生物产酶量。尤其是生物表面活性剂具有无毒、可生物降解，无二次污 染等优点，倍受关注。漆酶作为一种氧化还原酶，不仅能够降解固态发酵中的木质纤维 素，而且能够降解有机污染酚类物质。由于它广泛的应用价值，逐渐受到科研工作者的 重视。 本实验采用固态发酵的方法，研究了三种化学表面活性剂( s d s ，t w e e n - 8 0 ，t r i t o n x 1 0 0 ) 和两种生物表面活性剂( 鼠李糖脂和茶皂素) 对土壤中的优势菌简青霉声漆酶 酶的影响及发酵底物中有机质降解情况。另外还研究了存在苯酚污染底物的条件下，化 学表面活性剂和生物表面活性剂对固态发酵过程的影响，研究了漆酶酶活，苯酚降解， 真菌生物量及有机物降解的变化情况。 不存在苯酚影响的固态发酵实验结果表明，s d s ，t r i t o nx - 1 0 0 ，t w e e n 8 0 对简青霉 产漆酶都有一定的抑制作用，并不同程度地改变了漆酶出现高峰期的时间。添加 0 0 2 t s ，0 0 6 t s ，0 1 0 t s 分别能使简青霉产漆酶的最高酶活提高2 倍，1 倍，o 5 倍。 随着t s 浓度的增加，其对简青霉产漆酶的促进作用下降，而不同浓度的r l 促进漆酶酶 活的依次顺序为0 0 1 0 r l 0 0 0 5 r l 0 0 1 5 r l 。添t w e e n 8 0 和r l 促进了真菌的生长， 同时也提高了有机质的降解，其他表面活性剂对这两项指标均表现为抑制作用。 存在苯酚的固态发酵实验结果表明，除了0 0 0 5 s d s 之外，其他化学表面活性剂基 本上对漆酶的产生没有促进作用，而且均表现为抑制效果。但生物表面活性剂t s 和r l 对简青霉产漆酶有较好得促进作用，其中低浓度生物表面活性剂促进作用较为明显，浓 度为0 0 2 ，0 0 6 ，0 1 0 t s 分别比对照样高出了1 6 3 7 ，6 8 2 和2 3 3 。而r l 主要 表现为延迟了漆酶峰值出现的时间，在整个实验过程促使漆酶酶活一直处于不断上升当 n l 硕 ：学位论文 中。在固态发酵中苯酚降解跟漆酶酶活的演变过程是一致的。除了0 0 5 t w e e n 8 0 在发 酵的前期阶段以及r l 对真菌的生长有一定的促进作用之外，其他表面活性剂均表现为抑 制真菌的生长。这些结果说明r l 能够缓解苯酚对微生物的毒害作用，提高漆酶的产量和 活性，从而促进苯酚的降解，在存在有机物污染的固态发酵中具有很广泛的应用价值。 关键词：简青霉；漆酶；s d s ；t r i t o nx 1 0 0 ；t w e e n 8 0 ；鼠李糖脂( 1 u ) ；茶皂素( t s ) ； 苯酚；固态发酵； i i i 【一 m a ys o l v et h ee n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，a n da l s oi st h em a i nt o o lf o rg r e e n p r o d u c t i o n d u r i n gt h es o l i d s t a t ef e r m e n t a t i o n , t h er a wm a t e r i a li st r a n s f o r m e dt h r o u g hav a r i e t yo f b i o l o g i c a la n db i o c h e m i c a lp r o c e s s e si nw h i c he n z y m e sp l a ya ni m p o r t a n tr o l e m a n yr e p o r t s h a v es h o w nt h es t i m u l a t i v ee f f e c to fs u r f a c t a n t s ( n o n i o n i ca n da n i o n i c ) o nt h ep r o d u c t i o na n d r e l e a s eo fe n z y m ei ns o l i d - s t a t ef e r m e n t a t i o n s u r f a c t a n t s ( n o n i o n i ca n di o n i c ) a r ec o m p o u n d s t h a th a v eb o t l lh y d r o p h i l i ca n dh y d r o p h o b i cr a d i c l e s i tn o to n l yi m p r o v et h ep e r m e a b i l i t yo f t h ec e l lm e m b r a n et of a c i l i t a t ee n z y m er e l e s e ，b u ta l s oi n c r e a s et h ee n z y m es t a b i l i t ya n d p r e v e n t d e n a t u r a t i o no fe n z y m e sd u r i n g h y d r o l y s i sb yd e s o r b i n g i tf r o ms u b s t r a t e b i o s u r f a c t a n ti sah i g hs u r f a c e - a c t i v ea g e n ts y n t h e s i z e db ym i c r o o r g a n i s m c o m p a r e d 、) l ，i t l l c h e m i c a ls u r f a c t a n t ，b i o s u r f a c t a n th a sal o wt o x i c i t yt oe c o l o g i c a ls y s t e mo fe a r t ha n dc a nb e b i o d e g r a d e db ym i c r o o r g a n i s m a l o n gw i t hm a n g a n e s ep e r o x i d a s ea n dl i g n i np e r o x i d a s e ， l a c c a s e sa r eat y p eo fl i g n i n - m o d i f y i n ge n z y m e m o r e o v e r ，i ta l s oi st h em o s tr e l i a b l ee n z y m e f o rp h e n o l i cr e m o v a l b e c a u s eo fi t s w i d e s p r e a da p p l i c a t i o n , i tg r a d u a l l ya t t r a c tg r e a t e r a t t e n t i o n i nt h i ss t u d y ，s d s ，t w e e n 一8 0 ，t r i t o nx - 10 0 ，t sa n dr lw e r eu s e da s t h em o d e l s u r f a c t a n t s ，p e n c f i l i u m s i m p l i c i s s i m u m i s o l a t e df r o mt h es o i lu s e da st h em o d e l m i c r o o r g a n i s m f i r s t l y ，t h ee f f e c t so fs u r f a c t a n t s0 1 1s i m u l t a n e o u sl a c c a s ep r o d u c t i o na n d a c t i v i t yb yp e n i c i l l i u ms i m p l i c i s s i m u mi nt h es o l i d s t a t ef e r m e n t a t i o nw i t h o u tp h e n o lw e r e s t u d i e d i na d d i t o n ，t h ei m p a c to fc h e m i c a ls u r f a c t a n t sa n db i o s u r f a c t a n t so nt h e p h e n o l p o l l u t e ds o l i d - s t a t ep r o c e s sa l s ow e r es t u d y t h e s ef a c t o r sw e r ed e t e r m i n e d ，s u c ha sl a c c a s e a c t i v i t y ，p h e n o ld e g r a d a t i o n ，f u n g a lb i o m a s sa n do r g a n i cm a t t e rd e g r a d a t i o n i nt h es o l i d - s t a t ef e r m e n t a t i o nw i t h o u tp h e n o l ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a ts u r f a c t a n t ss d s ， t r i t o nx 一10 0 ，t w e e n - 8 0h a ds o m ei n h i b i t o r ye f f e c to nl a c c a s ep r o d u c t i o nb yp e n i c i l l i u m 硕士学位论文 s i m p l i c i s s i m u m ，a n db r o u g h tf o r w a r dt h el a c c a s ep e a kp e r i o d si nv a r i o u sd e g r e e s t h eh i g h e s t l a c c a s ea c t i v i t i e sd u r i n gt h ef e r m e n t a t i o ne n h a n c e db y2 ，l ，0 5t i m e sb y0 0 2 t s ，0 0 6 t s ， 0 10 t s ，r e s p e c t i v e l y w i t ht h ei n c r e a s eo ft sc o n c e n t r a t i o n , t h ea b i l i t yo fp e n i c i l l i u m s i m p l i c i s s i m u mt op r o d u c el a c c a s ed e c r e a s e d r la td i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n sc o u l ds i m u l a t e l a c c a s ea c t i v i t yi ns o l i d s t a t ef e r m e n t a t i o n , f o l l o w i n gt h eo r d e ra s0 010 r l 0 0 0 5 r l 0 015 r l t w e e n - 8 0a n dr lh a dap r o m o t a t i o no nt h ef u n g a lg r o w t h ，a n da l s oe n h a n c et h e d e g r a d a t i o no fo r g a n i cm a t t e r i n t h es o l i d s t a t ef e r m e n t a t i o np o l l u t e db yp h e n o l ，t h ee f f e c t so ft h r e ec h e m i c a l s u r f a c t a n t sa n dt w ob i o s u r f a c t a n t so nt h ep r o d u c t i o no fl a c c a s ea n dt h ed e g r a d a t i o no fp h e n o l b yp e n i c i l l i u ms i m p l i c i s s i m u mw e r ei n v e s t i g a t e d f i r s t l y , t h ee f f e c t so fp h e n o lo nt h e f e r m e n t a t i o np r o c e s sw e r es t u d i e di nt h ea b s e n c eo fs u r f a c t a n t s t h e n , ap h e n o lc o n c e n t r a t i o n o f3m gi nt h ef e r m e n t a t i o nw a ss e l e c t e df o rd e t a i l e dr e s e a r c h 谢t ht h ea d d i t i o no f b i o s u r f a c t a n t s t h er e s u l t ss h o w e dt h a te x c e p tf o r0 0 0 5 s d s ，c h e m i c a ls u r f a c t a n t sa t d i f f e r e mc o n c e n t r a t i o n sh a dc e r t a i ni n h i b i t o r ye f f e c t so nt h ee n z y m ea c t i v i t yo fl a c c a s e h o w e v e r , b i o s u r f a c t a n tt sa n dr la td i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n sh a ds t i m u l a t i v ee f f e c t so nt h e e n z y m ea c t i v i t yo fl a c c a s e t h eh i g h e s tl a c c a s ea c t i v i t i e sd u r i n gt h e f e r m e n t a t i o nw e r e e n h a n c e db y1 6 3 7 ，6 8 2 a n d2 3 3 b yt sa tc o n c e n t r a t i o n so f0 0 2 ，0 0 6 a n d0 1 0 ， r e s p e c t i v e l y t h et e n d e n c yo fp h e n o ld e g r a d a t i o ni nt h et r e a t m e n t s 、 r i t hs u r f a c t a n t sh a ds o m e c o m m o nc h a r a c t e r i s t i c sw i t ht h ed e v e l o p m e n to fl a c c a s ea c t i v i t i e s a sar e s u l to ft h e e n h a n c e dl a c c a s ea c t i v i t y , t h ee f f i c i e n c yo fp h e n o ld e g r a d a t i o nw a sa l s oi m p r o v e db yb o t h b i o s u r f a c t a n t s r lc a u s e das i g n i f i c a n ti n c r e a s eo ff u n g a lb i o m a s si nt h ee a r l ys t a g eo ft h e f e r m e n t a t i o n , w h i l et sh a da ni n h i b i t o r ye f f e c ti nt h ew h o l ep r o c e s s t h e s er e s u l t si n d i c a t e d t h a tr lc o u l dm i t i g a t et h en e g a t i v ee f f e c t so fp h e n o lo nf u n g a lg r o w t h ，a n dc o n s e q u e n t l y i m p r o v el a c c a s ep r o d u c t i o na n dp h e n o ld e g r a d a t i o ni nt h es o l i d s t a t ef e r m e n t a t i o n k e y w o r d s ：p e n i c i l l i u m s i m p l i c i s s i m u m ；l a c c a s e ；s d s ；t r i t o nx - 10 0 ；t w e e n - 8 0 ； r h a m n o l i p i d ；t e as a p o n i n ；p h e n o l ；s o l i d s t a t ef e r m e n t a t i o n ； v 表面活性剂对同态发酵中简青霉产漆酶和降解苯酚的影响 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i v 插图索引n 附表索引 第1 章绪论。1 1 1 目前农业固体废物污染及其控制状况1 1 1 1 我国秸秆污染现状1 1 1 2 秸秆类固体废物的处理与利用方式2 1 1 3 秸秆在固态发酵中的广泛应用前景3 1 2 固态发酵原理及工艺研究进展3 1 2 1 固态发酵的基本原理及分类。3 1 2 2 固态发酵的工艺参数5 1 2 3 固态发酵的应用及发展前景。6 1 3 固态发酵过程中的微生物及其胞外酶：9 1 3 1 固态发酵微生物的种类9 1 3 2 固态发酵中物料的成分。9 1 3 3 固态发酵过程中微生物酶1 l 1 3 4 微生物酶在环境中的应用1 1 1 4 表面活性剂与微生物酶。1 3 1 4 1 表面活性剂的性质和种类1 3 1 4 2 表面活性剂对微生物酶的产生及活性的影响。1 5 1 5 表面活性剂对环境中有机物污染物降解的影响1 6 1 5 1 几种常见有机污染物对环境的危害一1 6 1 5 2 有机污染物的生物降解作用1 7 1 5 3 表面活性对有机污染物降解的促进作用1 7 1 6 本研究的目的，意义和主要内容18 第2 章表面活性剂对真菌简青霉产漆酶的影响2 0 2 1 引言2 0 2 2 实验部分2 1 2 2 1 实验材料。2 1 2 2 2 实验设计2 2 v l 2 5 本章小结3 4 第3 章表面活性剂在苯酚污染的固态发酵中的应用3 6 3 1 引言。3 6 3 2 实验部分3 7 3 2 1 实验材料3 7 3 2 2 实验设计3 8 3 2 3 实验数据的测定3 9 3 3 实验结果4 0 3 3 1 固态发酵过程中漆酶酶活的变化一4 0 3 3 2 固态发酵过程中苯酚含量的变化4 5 3 3 3 固态发酵过程中真菌生物量的变化4 8 3 3 4 苯酚污染的固态发酵过程中有机物含量的变化5 3 3 4 实验讨论：5 4 3 4 1 表面活性剂对漆酶酶活的影响5 4 3 4 2 表面活性剂对苯酚降解的影响5 6 3 4 3 表面活性剂对真菌生物量的影响。5 7 3 4 4 表面活性剂对有机物含量的影响5 9 3 5 本章小结6 0 结论6 1 参考文献6 3 附录a 攻读学位期间发表的学术论文及专利目录7 0 蜀c 射7 0 v i i 图2 7 不同浓度t r i t o nx 1 0 0 对简青霉生长的影响2 8 图2 8 不同浓度t w e e n 8 0 对简青霉生长的影响2 9 图2 9 不同浓度t s 对简青霉生长的影响2 9 图2 1 0 不同浓度r l 对简青霉生长的影响。3 0 图3 1 漆酶催化氧化酚产生芳氧自由基中间体3 7 图3 2 不同浓度苯酚对真菌产漆酶的影响4 1 图3 3 在3 m g g 苯酚污染的固态发酵中s d s 对简青霉产漆酶的影响4 2 图3 4 在3 m g g 苯酚污染的固态发酵中t r i t o nx 1 0 0 对简青霉产漆酶的影响4 2 图3 5 在3 m g g 苯酚污染的固态发酵中t w e e n 8 0 对简青霉产漆酶的影响4 3 图3 6 在3 m g g 苯酚污染的固态发酵中r l 对简青霉产漆酶的影响。4 4 图3 7 在3 m g g 苯酚污染的固态发酵中t s 对简青霉产漆酶的影响4 4 图3 8 不同浓度苯酚的在固态发酵中的降解情况。4 5 图3 9 在3 m g g 苯酚污染的固态发酵中s d s 对苯酚降解的影响4 6 图3 1 0 在3 m g g 苯酚污染的固态发酵中t r i t o nx 1 0 0 对苯酚降解的影响4 6 图3 1 1 在3 m g g 苯酚污染的固态发酵中t w e e n 8 0 对苯酚降解的影响4 7 图3 1 2 在3 m g g 苯酚污染的固态发酵中t s 对苯酚降解的影响4 7 图3 1 3 在3 m g g 苯酚污染的固态发酵中r l 对苯酚降解的影响4 8 图3 1 4 不同浓度苯酚对真菌生物量的影响。4 9 图3 1 5 在苯酚污染的固态发酵中s d s 对真菌生长的影响5 0 图3 1 6 在苯酚污染的固态发酵中t r i t o nx 1 0 0 对真菌生长的影响5 0 图3 1 7 在苯酚污染的固态发酵中t w e e n 8 0 对真菌生长的影响5 1 图3 1 8 在苯酚污染的固态发酵中t s 对真菌生长的影响5 2 图3 1 9 在苯酚污染的固态发酵中r l 对真菌生长的影响5 2 v i i i l 硕七学位论文 附表索引 表1 1 各种作物秸秆中的元素成分( ) 3 表1 2 各种作物秸秆中的有机成分( ) 3 表1 3 现代固态发酵与传统固态发酵的比较4 表2 1 实验设计案2 3 表2 2 麦角固醇标准曲线制备2 4 表2 3 样品中挥发性有机质的降解变化情况3 l 表3 1 苯酚污染的固态发酵实验设计方案3 9 表3 2 苯酚标准曲线制备4 0 表3 3 苯酚污染的样品中挥发性有机质降解的变化情况。5 3 i x 硕上学位论义 第1 章绪论 1 1 目前农业固体废物污染及其控制状况 随着我国农村社会经济快速发展以及农村人口数量的迅速增加，城镇化进程的加 快，农村社会经济活动的日益频繁，使固体废物产生和排放量也随之迅速增长，导致农 村生态系统原有消化接纳的自净能力已不能满足农村固体废物的增长需求。由于农村固 体废物资源化和无害化的处理能力、处理技术和管理水平滞后，则乱堆、乱放、乱倒的 现象十分突出。固体废物不仅污染农村的土壤、水体、大气；进而影响农产品安全、人 体健康，影响农村的环境卫生，破坏村容村貌，并且给农村生态环境、村民的生活环境 造成很大的负面影响。同时给农村环境保护带来了巨大的压力，给农村和农业可持续发 展构成严重威胁。农业污染量占到全国总污染量( 指工业污染、生活污染及农业污染的 总和) 的1 3 - 1 2 ，可见，农村固体废物的污染已经成为农村生态污染的主要问题之一， 如何更好的解决农村固体废物问题，促进农村生态环境的可持续发展。这将成为建设社 会主义新农村所必须面临的重大挑战，也是实现全面小康社会所必须解决的突出问题。 根据中共中央要求中国环境科学院编制的农业固体废物污染控制技术规范的相 关情况，我国农业固体废物产生的污染主要体现在：( 1 ) 秸秆不合理利用，( 2 ) 养殖 废物对水体的污染，( 3 ) 养殖废物对农田的影响，( 4 ) 农用薄膜对农业环境的影响， ( 5 ) 农业固体废物对环境卫生的影响，( 6 ) 农业固体废物对土地资源的占用等。其中 农业、林业和食品等部门的许多废弃物秸秆，由于其特有的生物性，在资源再利用方面 应该不断受到人们的重视。 1 1 1 我国秸秆污染现状 我国是农业大国，据国家统计局发布2 0 0 9 年主要农作物播种面积及产量数据。数据 显示2 0 0 9 年全国农作物播种面积为1 5 8 7 4 1 9 千公顷，其中谷物总产量为4 8 2 亿吨，其中 玉米产量为1 6 3 9 7 亿吨，小麦产量为1 1 5 1 2 亿吨，稻谷产量为1 9 5 亿吨。但农作物的丰收 也带来了大量农业固体废弃物的处置难题，秸秆、稻壳等焚烧严重污染空气质量，占用 土地影响环境卫生。据2 0 0 8 年中科院调查资料显示，我国农作物秸秆每年总产量达7 1 0 亿t 。其中稻草秸秆2 3 亿t 、玉米秸秆2 2 亿t 、小麦秸秆1 2 亿t 、豆类和秋杂粮作物秸秆l 亿t 、花生等作物秸秆1 亿t ，而且还有逐年上升的趋势。稻草秸秆量已占世界产量的3 7 左右，还有大量的野生植物秸秆，都可以作为一种资源。从整体上来看，秸秆利用率还 很低，利用水平较低，不能使秸秆资源得到充分的利用。据资料统计，其中每年1 0 亿t 的含有纤维素物质，虽然具有很高的利用价值，但我国的利用率仅为3 3 左右。而另一 方面，由于秸秆得不到合理利用，秸秆所带来的危害也十分严重。例如曾经出现的大面 积焚烧秸秆，造成严重的空气污染，甚至对航空及高速公路交通的安全产生严重影响。 表面活性剂对同态发酵中简青霉产漆酶和降解苯酚的影响 其实，这些生物质能不仅可以转换为清洁燃料的环保型可再生能源，而且还可以作为固 态发酵的原材料，能够产生很多有价值的生物制剂比如酶，有机酸等。作为农业大国， 我国生物质能资源十分丰富，生物质废弃物的总量，约相当于我国煤炭年开采量的5 0 。 生物质能的开发利用研究是我国可持续发展技术的重要内容之一。 1 1 2 秸秆类固体废物的处理与利用方式 目前我国正在采用的秸秆资源的综合利用模式和途径有【l 】： ( 1 ) 秸秆用作饲料 我国每年可产各类秸秆约7 0 亿吨，其数量相当北方草原产草量的5 0 多倍；据粗略测 算，如果全国秸秆资源的4 0 用来生产发酵饲料，就会产生即相当于1 1 2 亿吨粮食的饲 用价值，全国便可多养l 亿头牛，而目前我国秸秆饲料化利用率不足2 5 ；农作物秸秆 利用率低，通常造成资源浪费，直接燃烧还会造成环境污染；面对粗饲料严重短缺和粮 食供需缺口增大的现状，农作物秸秆有望成为我国草食家畜的主要饲料。开发利用农作 物秸秆发酵饲料【2 】，过腹还田，不仅提高农业的综合开发效益，而且具有广阔的市场前 景。 ( 2 ) 秸秆肥料 3 1 t 秸秆还田能有效地提高土壤肥力，为植物生长创造良好的环境，保护环境，降低农 产品的成本，替代化肥，减少化肥在土壤和作物中的残留，促进了生态农业的良性循环。 直接还田：方法简便，能促进土壤养分转化，改善土壤物理性质，保持土壤水分， 平衡土温，提高作物产量。 过腹还田：把秸秆作饲料喂养家畜，再利用家畜粪便还田作肥料，此法可节约饲料 量和牧草，既发展养殖业，又能提高土壤肥力。养畜过腹还田，带动了养殖业的快速发 展。 秸秆微生物发酵还田：采用堆沤等形式，经过微生物作用产生多种酶，促进作物秸 秆中有机物降解，发酵分解转化为可供植物生长发育需要的有机肥料。 ( 3 ) 生物质能源开发 秸秆是世界上仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源，据我国生物质资源特点和 技术潜在优势，可以燃料乙醇、生物柴油、生物塑料以及沼气发电和化成型燃烧作为主 产品。当前，我国的秸秆能源利用包括两个方面：一是秸秆气化，二是秸秆致密成型 燃料。 ( 4 ) 秸秆培育食用菌 利用秸秆种植菌种。秸秆经过食用菌分解之后，又成为含有丰富氮、磷、钾的优质 肥料，返回到田里增加肥力。 目前，世界农作物秸秆年产量超过2 0 亿t 。我国作为农业大国，秸秆资源十分丰富， 而且逐年递增。2 0 0 8 年，我国农作物秸秆处理利用率由2 0 0 5 年的1 7 7 提高至u 3 3 。农 2 硕士学位论文 作物秸秆的利用在不断受到重视。但是与发达国家相比，我国秸秆综合利用还存在着水 平较粗放、利用范围比较狭隘、秸秆综合利用的政策尚不完善、焚烧、废弃和流失还十 分严重等问题，造成秸秆资源的浪费。 1 1 3 秸秆在固态发酵中的广泛应用前景 秸秆是重要的生物质资源，作物秸秆中含有多种可被利用的有效成分，除绝大部分 是碳之外，还含有钾、硅、氮、钙、镁、磷等元素及纤维素、半纤维素、木质素、蛋白 质、氨基酸等有机质成分1 4 ，见表1 1 与表1 2 所示。 表1 1 各种作物秸秆中的元素成分( ) t a b l e1 1t h ec o m s i s t i n go fe l e m e n t si nv a r i o u sc r o ps t r a w ( ) 表1 2 各种作物秸秆中的有机成分( ) t a b l e1 2t h eo r g a n i cc o m p o n e n to f v a r i o u sc r o ps t r a w ( ) 采用固态发酵法处理农业有机固体废物已经有了较长的历史，是一种经济有效的方 法。其中堆肥法在实现垃圾减量化、无害化的同时，生产出含腐殖质较高的有机堆肥， 回收利用资源。固态发酵在农作物的综合管理，农业废渣的生物脱毒，生物修复降解方 面发挥了重要的作用，不仅仅可以处理掉农业固态废物，而且在生产人们所需的生物制 剂方面逐渐显示出它们的优势。 1 2 固态发酵原理及工艺研究进展 1 2 1 固态发酵的基本原理及分类 1 2 1 1 基本原理 固态发酵是指没有或几乎没有自由水存在下，在有一定湿度的水不溶性固态基质 表面活性剂对同态发酵中简青霉产漆酶和降解苯酚的影响 中，用一种或多种微生物的一个生物反应过程。固态发酵是气体作为生物反应过程中的 0 2 、c 0 2 、热量、营养和产物的传递介质，表现为0 2 、c 0 2 扩散比较容易，热量传递困 难，存在明显的营养梯度，并且无大量有机废水产生。 广义上讲固态发酵是指一类使用：卞溶性固体基质来培养微生物的工艺过程，既包括 将固态悬浮在液体中的深层发酵，也包括在没有( 或几乎没有) 游离水的湿固体材料上 培养微生物的工艺过程。多数情况下是指在没有或几乎没有自由水存在下，在有一定湿 度的水不溶性固态基质中，用一种或多种微生物发酵的一个生物反应过程。 狭义上讲固态发酵( s o l i d s t a t ef e r m e n t a t i o n ) 是指利用自然底物做碳源及能源，或利 用惰性底物做固体支持物，其体系无水或接近于无水的任何发酵过程【5 l 。与其他培养方 式相比，固态发酵具有如下优点【l l j ：( 1 ) 基质含水量低，可大大减少生物反应器的体积， 不需要对废水进行处理，环境污染较少，后处理加工方便；( 2 ) 培养基简单且来源广泛， 多为便宜的天然基质或工业生产的下脚料；( 3 ) 投资少，能耗低，技术较简单；( 4 ) 产 物的产率较高；( 5 ) 发酵过程一般不需要严格的无菌操作；( 6 ) 通气一般可由气体扩散 或间歇通风完成，不需要连续通风，空气一般也不需严格的无菌空气：( 7 ) 发酵残渣的 处理简单。同时，随着微生物基因遗传技术的应用、优良菌株的发现和筛选，以及生产 工艺等方面的改进，固态发酵技术也得到了进一步发展。 但也存在以下缺点：( 1 ) 水分活度低，培养基质不易搅拌；( 2 ) 发酵参数的确定以 及连续操作和自动化困难；( 3 ) 温度控制困难；( 4 ) 对于影响高产固态发酵的因素了解 不够，则具体培养方法大多是基于经验数据和操作人员的经验。 1 2 1 2 固态发酵分类 表1 3 现代固态发酵与传统固态发酵的比较 t a b l e1 3m o d e r ns o l i d - s t a t ef e r m e n t a t i o nc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ls o l i d - s t a t ef e r m e n t a t i o n ( 1 ) 传统固态发酵与现代固态发酵 依据固态发酵过程中是否能实现限定微生物纯种培养，分为传统固态发酵与现代固 态发酵，它们之间的比较见表1 3 所示。现代发酵技术的关键条件是纯种大规模集约化 4 硕l 二学位论文 培养。随着科学技术发展和可持续发展的影响，国内外逐步重视对固态发酵的研究开发， 已取得了很大进展。针对传统固态发酵存在的问题，现代固态发酵是为了充分发挥固态 发酵的优势和适应现代生物技术的发展。 ( 2 ) 固态发酵的形式 按照使用的微生物的情况和形成的产品条件不同，固态发酵可分为自然富集固态发 酵、强化微生物混合固态发酵、限定微生物混合固态发酵和单菌固态纯种发酵。 自然富集固态发酵是指利用自然界中的微生物，由不断演替的微生物进行的富集混 合发酵过程。典型的例子是传统酒曲和酱油、腌莱、烟草发酵、茶叶发酵、青贮、堆肥 等。这种发酵方式不需要人工接种微生物，主要依赖于当地空气和物料中的自然微生物 区系，多种微生物演替成最适于生长代谢或共生协作的小生态环境。因此，微生物富集 区系不仅与当地空气和物料中的自然微生物区系有关，而且与小生态环境自然变化密切 相关。 强化微生物混合固态发酵是指在自然富集固态发酵的基础上，根据人们部分掌握的 微生物代谢机制，人为强化接种微生物茵系不明确的富集培养物或特定微生物培养物所 进行的混合发酵过程。强化微生物混合固态发酵除应用于沼气发酵、白酒发酵作用外，。 在石油采收