全 文 ：第７卷第４期
２００９年７月
生 物 加 工 过 程
ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＢｉｏｐｒｏｃｅｓｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ．７Ｎｏ．４
Ｊｕｌｙ２００９
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１７６２－３６７８．２００９．０４．０１５
收稿日期：２００８－１１－２３
基金项目：国家自然科学基金资助项目（７０７４１０３２）；国家农业成果转化资金资助项目（２００６ＧＢ２Ｄ０００１３）；河南省高等学校青年骨干教师资助计划
作者简介：宋安东（１９７２—），男，河南宜阳人，副教授，研究方向：生物质能源工程、发酵工程，Ｅｍａｉｌ：ｓｏｎｇ１６６６＠１２６．ｃｏｍ
微生物处理对秸秆结构的影响
宋安东，王 磊，王风芹，谢 慧
（河南农业大学 生命科学学院，郑州 ４５０００２）
摘 要：使用红外光谱、Ｘ射线衍射及扫描电镜对４种经固态培养的微生物降解稻草秸秆的效果进行了研究，并与
原稻草粉进行结构对比分析。结果表明：经过高碳低氮培养，秸秆木质素均有明显降解，其中黄孢原毛平革菌达到
３７１７％。扫描电镜发现秸秆的表面形态和内部结构发生了明显改变，红外光谱中芳香环与醚键吸收明显减少，Ｘ
射线衍射得到的结晶度最大下降了５６０％。
关键词：生物降解；木质素；秸秆；固态培养
中图分类号：Ｑ５５；Ｑ９３６ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７２－３６７８（２００９）０４－００７２－０５
Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｍｉｃｒｏｂｉａｌｔｒｅａｔｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓｏｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｒｉｃｅｓｔｒａｗ
ＳＯＮＧＡｎｄｏｎｇ，ＷＡＮＧＬｅｉ，ＷＡＮＧＦｅｎｇｑｉｎ，ＸＩＥＨｕｉ
（ＣｏｌｅｇｅｏｆＬｉｆｅＳｃｉｅｎｃｅ，ＨｅｎａｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５０００２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｉｃｅｓｔｒａｗｓａｍｐｌｅｓｗｅｒｅｔｒｅａｔｅｄｂｙｆｏｕｒｔｙｐｅｓｏｆｍｉｃｒｏｂｅｓｉｎｓｏｌｉｄｃｕｌｔｕｒｅ．Ｔｈｅｔｒｅａｔｅｄｓａｍｐｌｅｓ
ｗｅｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂｙｉｎｆｒａｒｅｄｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（ＦＴＩＲ），Ｘｒａｙｄｉｆｒａｃｔｉｏｎ（ＸＲＤ），ａｎｄｓｃａｎｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉ
ｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＳＥＭ）ａｎｄｃｏｍｐａｒｉｓｅｄｗｉｔｈｔｈｅｕｎｔｒｅａｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌ．Ｔｈｅｌｉｇｎｉｎｏｆｔｈｅｒｉｃｅｓｔｒａｗｓｈｏｗｅｄｔｈｅｉｍ
ｐｒｏｖｅｄｂｉｏｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｒａｔｉｏｗａｓｃｕｌｔｕｒｅｄｉｎｈｉｇｈｃａｒｂｏｎａｎｄｌｏｗｎｉｔｒｏｇｅｎｍｅｄｉａ，ａｎｄｉｔｓｍａｘｉｍｕｍｒａｔｉｏｏｆ
３７１７％ ｗａｓｏｂｓｅｒｖｅｄｂｙＰｈａｎｅｒｏｃｈａｅｔｅｃｈｒｙｓｏｓｐｏｒｉｕｍ．ＳＥＭｐｈｏｔｏｓｈｏｗｅｄｏｂｖｉｏｕｓｃｈａｎｇｅｓｉｎｔｈｅｏｕｔｅｒ
ｌａｙｅｒｏｆｔｈｅｒｉｃｅｓｔｒａｗ．ＦＴＩＲｓｈｏｗｅｄｔｈｅｄｅｃｒｅａｓｅｓｏｆｔｈｅｔｈｅａｒｏｍａｔｉｃａｎｄｅｔｈｅｒｐｅａｋｓ．Ｔｈｅｃｒｙｓｔａｌｉｎｉｔｙ
ｗａｓｄｅｃｒｅａｓｅｄｂｙ５６０％ ｂｙＸＲＤ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｉｏｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ；ｌｉｇｎｉｎ；ｒｉｃｅｓｔｒａｗ；ｓｏｌｉｄｃｕｌｔｕｒｅ
我国是一个农业大国，农作物秸秆年产量达７
亿ｔ［１］。秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素构
成。其中纤维素和半纤维素可降解成发酵性糖类，
再通过微生物发酵生产燃料乙醇。但是木质素很
难降解，并且木质素与纤维素、半纤维素相互交联，
严重影响了预处理的效果［２－３］。近年来，国内外对
利用生物质，尤其是秸秆来生产燃料乙醇进行了大
量研究，但一直存在制约大规模生产的几个问题，
最为突出的就是秸秆的预处理。常用的预处理方
法有 ４种：物理法、化学法、物理化学法和生物
法［４］。但是前３种方法耗能多污染大，而生物法作
用条件温和，能耗低，污染小，具有独特的优势。针
对以上问题和现状，笔者用４种微生物经固态培养
对秸秆进行生物降解，并通过各种技术分析比较降
解前后秸秆的结构变化。
１ 材料与方法
１．１ 原料
稻草秸秆，取自郑州东郊，粉碎至２０～４０目备
用。稻草的主要组成（质量分数）：水７０６％，纤维
素３９２２％，半纤维素１６９４％，木质素１０２５％，灰
分１２４１％，其他１４１２％。
１．２ 菌种
草菇ＶＴ５３、杂色云芝、黄孢原毛平革菌和黑曲
霉Ｍ１Ｍ１５Ｍ１９，由河南农业大学微生物能源工程研究
室（ＩＢＥＥ）提供。
将草菇 ＶＴ５３、杂色云芝和黑曲霉 Ｍ１Ｍ１５Ｍ１９的
斜面保藏菌种移接到 ＰＤＡ斜面培养基上，于２８℃
下培养３ｄ，备用。待菌丝长好后，转接到 ＰＤＡ平板
上，２８℃培养６～８ｄ。黄孢原毛平革菌的操作同上
述菌种，但培养温度为３７℃。
１．３ 仪器设备
扫描式电子显微镜 日本日立产 Ｓ ４３００Ｆ型，
红外光谱（ＩＲ）分析仪 日本岛津８７００ＦＴＩＲ型，Ｘ射
线衍射分析仪 日本理学ｍａｘ ３Ｂ型。
１．４ Ｃ源、Ｎ源质量浓度对木质素降解的影响试验
在３００ｍＬ三角瓶中装入２０ｇ稻草粉，６０ｍＬ水，
一定量的葡萄糖和ＮＨ４Ｃｌ。葡萄糖和ＮＨ４Ｃｌ分别按
ＨＣＨＮ（高Ｃ高Ｎ）、ＨＣＬＮ（高 Ｃ低 Ｎ）、ＬＣＨＮ（低 Ｃ
高Ｎ）和 ＬＣＬＮ（低 Ｃ低 Ｎ）、ＣＫ（不添加葡萄糖和
ＮＨ４Ｃｌ）等营养条件配制固态稻草培养基，其中 ＨＣ、
ＨＮ、ＬＣ、ＬＮ分别为０４、００３、００２和０００６ｇ。固态
秸秆粉均匀配制后于１２１℃下灭菌２ｈ，接种培养。
草菇ＶＴ５３和杂色云芝，接种时按每瓶接３个菌塞；
黄孢原毛平革菌接种时按每瓶接３环孢子；黑曲霉
Ｍ１Ｍ１５Ｍ１９接种时３个菌种同时按每瓶各接１环孢
子，菌种简称为黑曲霉Ｍ１Ｍ１５Ｍ１９。杂色云芝、黑曲
霉Ｍ１Ｍ１５Ｍ１９、广草、黄孢原毛平革菌分别在２９、３０、
３９、３９℃下培养３２ｄ，并用范式洗涤法［５］测定经过
３２ｄ固态培养的秸秆中纤维素、半纤维素和木质素
的含量［６］。
１．５ 扫描式电子显微镜（ＳＥＭ）分析［７］
戊二醛固定，８１２树脂包埋，台面腐蚀，电导处
理，加速电压１５ｋＶ，Ｓ４３００Ｆ电子扫描显微镜观察。
１．６ 傅立叶红外光谱（ＦＴＩＲ）分析［８］
采用 ＫＢｒ压片法，试样量为２ｍｇ／ｇＫＢｒ，在
８７００ＦＴＩＲ上扫描，扫描速度 ３５次／ｓ，分辨率为
４ｃｍ－１，波长范围４００～４０００ｃｍ－１。
１．７ Ｘ射线衍射分析［９］
采用１６０孔浆粉压片，管压３０ｋＶ，管流２０ｍＡ，
Ｃｕ耙，Ｎｉ滤 光 条 件。相 对 结 晶 度 ＣｒＩ计 算：
ＣｒＩ（％）＝１００（Ｉ００２－Ｉａｍ）／Ｉ００２，其中：ＣｒＩ为相对结晶
度百分率；Ｉ００２－Ｉａｍ－２θ角近于１８°时，非结晶背景衍
射的散射强度，与Ｉ００２单位相同。
２ 结果与讨论
２．１ Ｃ源、Ｎ源质量浓度对木质素降解的影响
不同 Ｃ、Ｎ源质量浓度对木质素降解的影响结
果如表１所示。
表１ Ｃ源、Ｎ源质量浓度对秸秆中主要成分降解的影响
Ｔａｂｌｅ１ Ｅｆｅｃｔｓｏｆｄｉｆｅｒｅｎｔｃｏｎｃｅｒｔｒａｔｉｏｎｏｆｃａｒｂｏｎａｎｄ
ｎｉｔｒｏｇｅｎｓｏｕｒｃｅｔｏｄｅｃｒｅａｓｅｏｆｌｉｇｎｉｎ
菌株 营养条件
半纤维素
降解率／
％
纤维素
降解率／
％
木质素
降解率／
％
试样
黑曲霉
Ｍ１Ｍ１５Ｍ１９
ＨＣＨＮ ３６７２ ５７３４ １２６７
ＨＣＬＮ ３７９９ ４１５２ １５５４
ＬＣＬＮ ５９８４ ６７４４ ７０５
ＬＣＨＮ ３１８２ ３４７６ １１３３
ＣＫ ４１６６ ４０２６ ８４６
Ａ
黄孢原毛
平革菌
ＨＣＨＮ ２４７９ ４５３５ ２７８６
ＨＣＬＮ ２９２３ ５０８５ ３７１７
ＬＣＬＮ ２４８９ ３４８１ １９０１
ＬＣＨＮ ２３００ ３９２８ ２１８７
ＣＫ ３４０７ ５９４７ ３１９９
Ｂ
杂色云芝
ＨＣＨＮ １７２３ ２５２７ １３８７
ＨＣＬＮ １６６６ ２９７４ ３２６５
ＬＣＬＮ ３４４ １２３６ ９４２
ＬＣＨＮ １６１１ ２７５７ ２５７８
ＣＫ １０８１ ２６６７ １０３３
Ｃ
草菇ＶＴ５３
ＨＣＨＮ １４６４ ２６４９ １５０６
ＨＣＬＮ １５２８ ２１６０ ２２８３
ＬＣＬＮ ３７０ １３３６ １１４５
ＬＣＨＮ １４９４ ２０４３ ２０７３
ＣＫ １１１１ ３２４６ １２９３
Ｄ
由表１可以看出：４个菌株都可以一定程度地降
解稻草秸秆中的纤维素、半纤维素和木质素，但是木
质素的降解比纤维素和半纤维素更难。这４个菌株
都是在ＨＣＬＮ的条件下对木质素的降解效果最好，说
明对木质素来说，高质量浓度的Ｃ源和低质量浓度的
Ｎ源有利于降解。对木质素降解能力的大小依次是
黄孢原毛平革菌（３７１７％）、杂色云芝（３２６５％）、草
菇ＶＴ５３（２２８３％）和黑曲霉Ｍ１Ｍ１５Ｍ１９（１５５４％）。
２．２ 固态培养对秸秆木质素结构的影响
对包括原稻草粉（ＣＫ）、黑曲霉 Ｍ１Ｍ１５Ｍ１９固态
３７ 第４期 宋安东等：微生物处理对秸秆结构的影响
培养处理的稻草粉（Ａ）、黄孢原毛平革菌固态培养
处理的稻草粉（Ｂ）、广草固态培养处理的稻草粉
（Ｃ）、杂色云芝固态培养处理的稻草粉（Ｄ）等５种
秸秆试样进行分析。结果如下：
２．２．１ 扫描式电子显微镜（ＳＥＭ）分析
扫描式电子显微镜进行表面结构观察如图 １
所示。
由图１可以看出，与 ＣＫ试样相比，除 Ａ试样
的表面结构没有发生明显的变化外，其他几种试样
的结构都发生了明显的改变。ＣＫ试样的表面含棒
状物，分布较为均匀，呈无规则排列，直径５０ｎｍ、长
４００～５００ｎｍ；Ｂ试样的表面较光滑，基本上无细微
结构，其中仅仅有少量的直径３０ｎｍ、长２００ｎｍ的棒
状物；Ｃ试样的表面有排列不均匀、直径３０ｎｍ左右
的少量粒子，没有棒状物；Ｄ试样的表面有大量的排
列不均匀、直径３０ｎｍ左右的粒子，没有棒状物。对
比经过不同固态培养降解预处理的秸秆试样 Ａ、Ｂ、
Ｃ、Ｄ，可以发现秸秆表面结构变化的程度与秸秆木
质素的降解率并没有直接的相关性。推测原因可
能是不同微生物的作用方式和机理不同，加之木质
素、纤维素和半纤维素三者组成的结构复杂，因此
呈现了降解率与表面结构并不直接相关的情况。
２．２．２ 傅立叶红外光谱（ＦＴＩＲ）分析
不同秸秆试样的红外光谱图如图 ２和图 ３
所示。
木质素是一种三维立体结构的高分子聚合物，
以苯丙烷结构单元作为基本骨架，其苯环和支链上
的官能团包括甲氧基、羟基、羧基和羰基等，以醚键
和碳碳单键相连接。根据木质素红外光谱的特征
吸收峰与归属之间存在的对应关系［１０］，分析不同秸
秆试样的红外光谱图（图２、图３）发现这几种秸秆
试样的红外光谱有一定的差异：１）Ａ试样与 ＣＫ相
比，两者的 ＦＴＩＲ光谱基本无差异，仅仅多了 １个
１６５１ｃｍ－１处与芳香核共轭的羰基 Ｃ Ｏ吸收峰。
２）Ｂ、Ｃ、Ｄ试样与原稻草ＣＫ相比均发生了明显的变
化，分别在２９２０和２８５４ｃｍ－１附近的甲基、亚甲基
等的 吸 收 明 显 减 弱；在 １６４１、１６３７、１６４４、
１５６２ｃｍ－１等附近的芳香核吸收减弱；１３２３ｃｍ－１
处紫丁香核吸收增强；１１５３～１１４９ｃｍ－１处愈疮木
核吸收减弱；１０９７、１０６２、７８６ｃｍ－１附近芳香核吸
收减弱；８９６ｃｍ－１附近的末端亚甲基的振动减弱，以
上充分说明了经过预处理后试样中的芳香环结构
明显减少，由于纤维素和半纤维素分别由六碳糖和
图１ 秸秆试样的表面结构
Ｆｉｇ．１ Ｓｕｒｆａｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆｓｔｒａｗ
五碳糖聚合而成，并不具有芳香环以及醚键等结
构，所以可充分说明微生物处理后木质素有明显降
４７ 生 物 加 工 过 程 第７卷
图２ ＣＫ试样的ＦＴＩＲ图谱
Ｆｉｇ．２ ＦＴＩＲｓｐｅｃｔｒａｏｆＣＫ
图３ 经过处理的稻草试样的ＦＴＩＲ图谱
Ｆｉｇ．３ ＦＴＩＲｓｐｅｃｔｒａｏｆｐｒｅｔｒｅａｔｅｄｒｉｃｅｓｔｒａｗ
解。３）在４６６ｃｍ－１附近 Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ试样比 ＣＫ试样
多了一些小吸收峰，这说明试样经过处理后有一些
新的小分子物质产生。原因可能是，微生物在降解
木质素的同时也产生一定量的纤维素酶和半纤维
素酶（木聚糖酶），使得秸秆中纤维素和半纤维素含
量有一定降低，产生了新的小分子物质，并对秸秆
的结构产生了一定影响。
２．２．３ Ｘ射线衍射分析
秸秆中含有一些结晶区，它们在 Ｘ衍射分析时
反映出有一定的结晶度［１１］。不同秸秆试样的相对
结晶度值如表２所示。
由表２可知，材料中木质素的含量与结晶度之
间有一定的正相关性，经过固态培养降解处理的秸
秆的相对结晶度与原稻草ＣＫ相比都有不同程度的
下降，说明结晶区被破坏，秸秆中木质素降解率越
大，秸秆的相对结晶度越小。黄孢原毛平革菌固态
培养处理的稻草粉（Ｂ）中的木质素含量最小，其相
对结晶度下降最多，达到５６％，说明该方式对木质
素的降解较大，对秸秆结晶度的影响最大。
表２ 不同秸秆的结晶度
Ｔａｂｌｅ２ Ｃｒｙｓｔａｌｉｎｉｔｙｏｆｓｔｒａｗｌｉｇｎｉｎ
试样 ｗ（木质素）／％ 结晶度（ＣｒＩ）／％
ＣＫ １０２５ ６５７
Ａ ８６６ ６６４
Ｂ ６４４ ６０１
Ｃ ６９０ ６３４
Ｄ ７９１ ６２８
３ 结 论
由４种微生物在不同 Ｃ源和 Ｎ源质量浓度下
通过固态培养来降解木质素，其降解率均在高 Ｃ低
Ｎ的浓度下达到各菌种的最大降解率，其中黄孢原
毛平革菌的降解率最大，达到３７１７％、其后依次为
杂色云芝（３２６５％）、草菇 ＶＴ５３（２２８３％）和黑曲
霉Ｍ１Ｍ１５Ｍ１９（１５５４％）。利用扫描式电子显微镜、
红外光谱及 Ｘ射线衍射技术对其降解后的稻秆进
行对比分析，扫描电镜发现秸秆表面形态和内部结
构有明显变化，红外光谱中芳香环与醚键吸收明显
减少，充分说明微生物对木质素有降解作用。而通
过Ｘ射线衍射可以说明秸秆中木质素降解率越大，
其结晶度下降越多，其中黄孢原毛平革菌降解后的
秸秆试样的相对结晶度下降了５６％。
但是木质素的降解效果还不理想，木质素的降
解率还有待于进一步提高，降解周期需要进一步缩
短，今后可以对菌株进行基因工程改造来提高微生
物对木质素的专一性降解和降解效率，缩短降解周
期，减少降解产生的有毒物质，从而实现木质素的
充分降解。另外，在农作物秸秆经过生物预处理之
后的利用方面，主要希望利用的是纤维素和半纤维
素，使其能产生大量的可利用糖类，进而实现纤维
物质的生物转化如乙醇、丁醇、油脂等产品，这就要
求纤维素和半纤维素尽量多的保留，而在本研究
中，在木质素降解的同时纤维素和半纤维素都有较
大的损失，导致后期利用农作物秸秆生产生物能源
产品时产率降低，因此，今后的工作可以对已有降
解木质素的菌株进行生物改良，如敲除纤维素酶和
半纤维素酶的基因使其不产生纤维素酶和半纤维
５７ 第４期 宋安东等：微生物处理对秸秆结构的影响
素酶，或通过诱变育种选育高效降解木质素而纤维
酶和半纤维素酶产生量降低的突变株，以达到微生
物对秸秆高效有意义的降解。
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櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒
４８８４９６．
国外动态
日本正式大规模推广生物燃油
日本最大的石油公司———新日本石油公司在包括东京都、神奈川县、山梨县、长野县等１都６县的总共
约２０００多家加油站中，有８６１家加油站开始加入销售生物燃油的行列，约占该地区加油站总数的４０％。
目前销售的生物燃油是在标准汽油中按１％以上的比例混合了以甘蔗等植物为原料生产的生物乙醇，
由于日本经济产业省和石油联盟承担了生物燃油与普通汽油之间的差价部分，生物燃油的市场销售价格与
普通汽油相同，可以和普通汽油一样直接加进汽车油箱。
利用食品工业废弃物制备沼气
西班牙在位于Ｄｅｒｉｏ的ＡＺＴＩＴｅｃｈｎａｌｉａ建立了一家沼气生产厂。该工厂将充分开发农业食品废弃物中
有机物质在沼气生产中的巨大潜力，最终帮助降低食品行业有机废物对环境的影响。工厂利用厌氧分解技
术将有机物质转化成沼气和消化污泥。沼气由ＣＯ２和ＣＨ４组成，它是一种可再生能源，可用于发电、取暖或
汽车燃料。
ＡＺＴＩＴｅｃｈｎａｌｉａ的研究人员将着重研究对植物提纯后的残渣、食品废弃物、畜牧业储藏饲料以及农业食
品产业等中的副产品加以利用的可行性。该机构面向具有相似研究兴趣的政府研究机构、食品企业及环境
服务机构开放。
（朱宏阳）
６７ 生 物 加 工 过 程 第７卷