王大慶，安蒙龍，王洪波，聶 穎，趙 光

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

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生態(tài)因子對(duì)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(jì)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(jìn)行了試驗(yàn)，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(duì)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(jìn)行了降解，利用響應(yīng)曲面法對(duì)實(shí)驗(yàn)降解條件進(jìn)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(dá)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(dāng)代人們生存與發(fā)展必須面對(duì)的重大問(wèn)題，據(jù)資料顯示，現(xiàn)已探明的資源，以現(xiàn)在開(kāi)采速度計(jì)算，煤炭、天然氣與石油還可以分別開(kāi)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(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)農(nóng)作物秸稈可收集資源量約8.20億t[1]。實(shí)際上多數(shù)地區(qū)采取焚燒方法，不僅會(huì)產(chǎn)生大量的化學(xué)廢氣，對(duì)大氣生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染[4]，同時(shí)也造成了生態(tài)資源秸稈的浪費(fèi)。因此政府對(duì)農(nóng)作物秸稈資源的綜合利用做出了規(guī)劃和行動(dòng)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(rèn)的最有前途的處理方法是生物法，利用微生物對(duì)秸稈進(jìn)行降解[6]。

現(xiàn)階段，我國(guó)已經(jīng)對(duì)秸稈的綜合開(kāi)發(fā)利用進(jìn)行了大量深入的研究，并取得了一定的進(jìn)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(zhuān)門(mén)針對(duì)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(méi)有普及開(kāi)來(lái)，秸稈綜合利用推廣力度不夠，對(duì)秸稈綜合利用的認(rèn)識(shí)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(diǎn)，其資源利用還未形成商業(yè)化和規(guī)?；痆10]。因此開(kāi)發(fā)秸稈類(lèi)生物質(zhì)纖維素的高效降解與利用技術(shù)對(duì)能源利用十分重要。

2材料與方法

本研究實(shí)驗(yàn)于2015年在遼寧工業(yè)大學(xué)微生物實(shí)驗(yàn)中心(錦州)進(jìn)行。

2.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用的玉米秸稈取自凌海市大有農(nóng)場(chǎng)，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(cè)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(shí)驗(yàn)前對(duì)秸稈進(jìn)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(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以玉米秸稈為底物，以纖維素降解率為衡量指標(biāo)，先用單因素試驗(yàn)對(duì)溫度、干物質(zhì)濃度、預(yù)處理方式與碳氮比四個(gè)因素進(jìn)行考察，在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上采用Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并利用Design-Expert 8.0.5軟件進(jìn)行優(yōu)化。

2.3試驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)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(yàn)測(cè)定方法——纖維素的測(cè)定

精確稱(chēng)取1 g(準(zhǔn)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(jìn)10顆玻璃球，裝上回流冷凝器，至沸水浴熱1 h，在加熱過(guò)程中應(yīng)隨時(shí)搖蕩錐形瓶，以防止殘?jiān)奶?。采用此方法處理樣品三次，使纖維變白。將沉淀全部過(guò)濾至已知重量的濾紙(D2)上，用10 mL硝酸乙醇混合液洗滌殘?jiān)脽崴礈熘料匆河眉谆仍噭┎怀仕嵝?，最后用乙醇洗漆兩次。?05 ℃烘干至恒重(D3),測(cè)定其灰分(D4)，計(jì)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(yàn)

在單因素試驗(yàn)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(yàn)設(shè)計(jì)并通過(guò)試驗(yàn)得到一定數(shù)據(jù),采用多元二次方程來(lái)擬合因素和響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系,通過(guò)對(duì)回歸方程的分析來(lái)尋求最優(yōu)工藝,解決多變量問(wèn)題的一種統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。試驗(yàn)是在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)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(jì)了四因素三水平的響應(yīng)面法試驗(yàn)，試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表1。

表1　試驗(yàn)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(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如表2。

3.2.1方差分析

利用軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次多元回歸擬合，進(jìn)行方差分析后后得到該模型的二次多項(xiàng)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(jiàn)表3。

由表3可知，失擬項(xiàng)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(xiàng)(A、C)、二次項(xiàng)(C2)對(duì)結(jié)果影響高度顯著(P<0.0001)，一次項(xiàng)(B)、二次項(xiàng)(A2、 B2)與交互項(xiàng)(AB、AD)對(duì)結(jié)果影響顯著(P<0.05)，而一次項(xiàng)(D)、二次項(xiàng)(D2)及交互項(xiàng)(AC、BC、BD、CD)對(duì)結(jié)果影響不顯著(P>0.05)。因此采用手動(dòng)優(yōu)化的方法對(duì)回歸模型進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的結(jié)果見(jiàn)表4。

經(jīng)手動(dòng)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(xiàng)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(zhǔn)確地解釋試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)誤差小，該模型是合適的。

表2　Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(xiàng)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(dāng)?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(jiàn)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(duì)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(shí)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(duì)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(guò)軟件對(duì)回歸方程進(jìn)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(shí)際設(shè)計(jì)試驗(yàn)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(jìn)行了三組平行試驗(yàn)，纖維素降解率平均值為64.89 %，與預(yù)測(cè)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(cè)響應(yīng)值。

4結(jié)論

本試驗(yàn)考察了4個(gè)生態(tài)因子(溫度、干物質(zhì)濃度、處理方式、碳氮比)對(duì)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(duì)影響秸稈降解效率的各生態(tài)因子間的交互作用進(jìn)行了分析和討論。通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)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(duì)降解條件進(jìn)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(yàn)數(shù)據(jù)可以看出四個(gè)生態(tài)因子對(duì)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(dá)66.54 %。

(3)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證最佳實(shí)驗(yàn)玉米秸稈降解條件，分析結(jié)果得出纖維素降解的試驗(yàn)值與模型預(yù)測(cè)值之間的相對(duì)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。

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收稿日期：2016-04-20

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃專(zhuān)題項(xiàng)目(編號(hào)：2012BAD14B06-04)

作者簡(jiǎn)介：王大慶(1969—)，男，副研究員，主要從事生態(tài)經(jīng)濟(jì)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(lèi)號(hào)：X712

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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