范肖東，張 悅，吳增游，雍 宬，曲 萍，黃紅英，徐躍定，孫恩惠

（1南京林業(yè)大學材料科學與工程學院，南京 210037；2江蘇省農業(yè)科學院農業(yè)資源與環(huán)境研究所/農業(yè)農村部鹽堿土改良與利用（濱海鹽堿地）重點實驗室/江蘇省有機固體廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210014；3南京理工大學化工學院，南京 210014）

0 引言

地膜在農業(yè)中被廣泛使用，為作物創(chuàng)造適宜的微氣候，增溫保墑、抗旱節(jié)水，抑制雜草生長，提高作物產量發(fā)揮了巨大作用[1-2]。大部分的地膜是由聚乙烯制成，全球每年使用大量的地膜，由于塑料殘留物的釋放，給生態(tài)環(huán)境、農業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來巨大隱患[3]。植物纖維地膜是完全可降解生物地膜[4]。因其具抑草、降解、保肥、改善土壤生態(tài)環(huán)境和提高農產品品質等功能，已成為國內外研究熱點[1,5-6]。但原材料中纖維素的結晶結構和半纖維素、木質素與纖維素間通過分子鏈相互纏繞及氫鍵和化學鍵相互結合，具結構復雜且緊密三維空間網(wǎng)狀特性[7]，導致秸稈纖維流變性及柔韌度較差[8]。

采用物理、化學、生物等多種技術可有效打開纖維結構，使其更為松軟，有效降低制漿能耗。袁素娟等[9]發(fā)現(xiàn)機械、膨化、真空、微波等技術預處理能增加孔隙率，比表面積，為后續(xù)蒸煮提供有利條件；龐志強等[10]使用螺旋擠壓機對木片進行預處理，經螺旋擠壓機撕裂后，木片變得疏松，并且滲透性得到提高，蒸煮化學試劑消耗量減少，提高了蒸煮效率，但纖維細胞易受損傷，纖維長度變短，影響漿料力學性能；微波制漿預處理能降低化學制漿所需能量，減少試劑用量，但會顯著增加電耗，并對漿纖維造成潛在損傷[11]；王雙飛等[12]對甘蔗渣進行膨化處理后，纖維束得到分離，生物結構被破壞，結構變得松弛，具有較好的打漿性能；陳克利等用氫氧化鈉進行堿浸漬稻草纖維，結果發(fā)現(xiàn)，經堿浸漬后的稻草纖維再進行蒸煮時，能耗降低且所需溫度也下降。Suzie等[13]使用離子液體[C2min][ABS]在190℃下對蔗渣進行處理1 h后，可去除93%以上的木質素。化學預處理效果明顯且簡單方便，被廣泛的應用于植物纖維原料制漿預處理。但需要使用大量的化學物質或消耗大量的能源，且可能會造成環(huán)境污染。

近年，生物預處理因具綠色、清潔、溫和、高效等優(yōu)點，被廣泛應用于生物質預處理。Bpjpai等[14]研究使用木質素降解菌對小麥秸稈進行預處理后能夠有效降低化學試劑的使用，減短蒸煮時間和降低卡伯值。Lecourt等[15]在溫和的條件下，采用酶處理紙漿有效降低制漿精磨能耗，提高漿料質量。微生物和酶類的高活性能夠疏松纖維表面，促進纖維吸水和滲透性，從而提高制漿性能，降低制漿能耗[16]。生物預處理在減少環(huán)境污染、改善紙漿性能以及木質纖維素生物質的綜合利用方面具巨大的潛力。但傳統(tǒng)生物預處理時間較長，秸稈纖維三大素成分中半纖維素和木質素保留較少，纖維得漿率較小，秸稈綜合利用率低。

本文采用復配微生物對秸稈纖維進行軟化拆解[4]，可促進纖維三維網(wǎng)絡結構解離，利于制漿過程分絲和切斷，降低能耗且有效避免化學處理對環(huán)境的污染。通過探究微生物預處理對秸稈制漿纖維形態(tài)影響規(guī)律，分析秸稈全漿利用纖維質量分布對成膜力學性能的影響，進一步評估微生物預處理秸稈纖維質量與力學性能間的相關性，為秸稈纖維后續(xù)全量成膜高值利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

水稻秸稈取自江蘇省農業(yè)科學院農業(yè)資源與環(huán)境研究所，將秸稈粉碎至1～2 cm備用，主要成分：纖維素38.75%、木質素17.66%（酸溶木質素3.26%，克拉森木質素14.4%）、灰分5.65%；秸稈理化性狀：總有機碳41.18%、總氮0.89%、pH 6.85、含水率10.42%。原木漿板購自山東道欣新材料有限公司。

微生物預處理用菌劑由南京寧糧生物科技公司提供，主要由枯草芽孢桿菌、婁徹氏鏈霉菌、地衣芽孢桿菌及米曲霉復配有效菌種組成。細菌、真菌、放線菌有效菌數(shù)分別為6.8×107CFU/g，2.71×107CFU/g和1.23×107CFU/g。

1.2 試驗設計

1.2.1 秸稈微生物預處理 采用實驗室模擬堆肥方法，將微生物菌劑和秸稈按一定質量比例（接菌量占秸稈干物質的0%、1%、3%和5%）混合，采用尿素調節(jié)初始C/N為30:1，初始含水率控制為65%，將充分攪拌均勻后的物料轉移至小型發(fā)酵反應器中，置于恒溫培養(yǎng)箱中進行好氧發(fā)酵。在發(fā)酵過程中，人工翻堆頻率1次/7 d，分別在第7、14、21天取樣，堆肥溫度參照實際發(fā)酵溫度模擬，以10℃/d升至60℃，從第4天開始保溫4天，后續(xù)降溫至50℃持續(xù)培養(yǎng)至21天。

1.2.2 秸稈纖維制漿與成膜 將采樣物料進行機械打漿（瓦力打漿機，AT-WL，山東安尼麥特儀器有限公司），漿料濃度為1.57%，打漿度以55±2°SR為宜，記錄打漿時間。將浸泡后的木漿板打漿至打漿度45±2°SR。以秸稈纖維：木漿纖維按照7:3的配比抄造成膜，膜定量為60 g/m2（波動范圍為±5%）。成膜條件為溫度97℃，真空度0.096 MPa，將膜于相對濕度(50±2)%和溫度(23±1)℃的紙張恒溫恒濕箱內平衡水分24 h，進行理化性能檢測。

1.3 測試項目與方法

1.3.1 化學組分 將樣品研磨經索氏提取6 h供化學組分測定。綜纖維素、Klason木質素、灰分測定參照GB/T 2677-1995，酸溶木質素參照GB/T 10337-2008測定，纖維素參照《制漿造紙分析與檢測》方法進行[17]。

1.3.2 秸稈漿料纖維形態(tài) 利用用赫氏染色劑對打漿后的漿料進行處理，采用Nikon ECLIPSE Series生物顯微鏡進行染色觀察[18]。

1.3.3 秸稈纖維打漿能耗 將秸稈物料置于瓦力打漿機內（AT-WL，山東安尼麥特儀器有限公司），漿料濃度為1.57%，設定打漿度55±2°SR，采用時間表征打漿能耗。

1.3.4 FQA纖維質量分析儀 設定測量纖維8000根，測量范圍在0.07～10 mm，使用FQA纖維質量分析儀測定纖維長度、纖維寬度、纖維長度分布、長寬比、細小纖維[19]。

1.3.5 膜力學性能 依據(jù)GB/T 12914-2018、GB/T 1539-2007和GB/T455.1-1989對秸稈基膜的抗張強度、耐破度及撕裂度進行測定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Origin 8.0作圖，Excel 2007軟件處理試驗數(shù)據(jù)，利用Spss 17.0軟件對秸稈膜抗張強度、耐破度、撕裂度與纖維質量間作Pearson相關分析。

2 結果與分析

2.1 物料降解規(guī)律與化學組分

物料損失和化學組分對秸稈纖維形態(tài)變化及成膜性能優(yōu)化提供重要理論依據(jù)，秸稈物料質量損失及化學組分變化規(guī)律見圖1和2。由圖1可知，接種微生物菌劑有效加速水稻秸稈的降解，且隨接種量的增加，秸稈降解趨勢呈線性增加，在第21天時，4組物料分別損失了24.07%、31.13%、35.62%和37.86%。添加5%外源菌劑后秸稈在發(fā)酵初期就以較快速率降解，物料質量損失嚴重。隨時間的推移，試驗組綜纖維素和纖維素含量均顯著降低（圖2）。至21天的發(fā)酵周期結束，與CK和1%外源菌劑接種量相比，3%和5%處理差異不顯著，且其降解率較高，綜纖維素含量分別降低了12.90%、22.78%、23.54%和26.79%；纖維素含量分別降低了24.83%、29.73%、29.42%和32.31%。而木質素和灰分含量均呈現(xiàn)上升趨勢，灰分含量分別為7.68%、8.78%、9.04%和10.55%，而木質素含量差異不顯著。1%接種量隨處理時間的延長，質量損失在14天時與CK達到顯著差異，且纖維降解質量適中。由于木質素存在會對秸稈膜力學性能造成一定的負面影響，因此在預處理時要盡量避免其含量的過多增加。綜纖維素和纖維素的分解決定著微生物預處理工藝的進程，同時作為制漿原料還影響著漿料的得率和性能[20]，通常綜纖維素的含量與漿料得率呈正相關，因此盡量減少綜纖維素和纖維素的損失，最大量化的提高漿料得率，以便保障秸稈纖維的全量利用，提高資源利用率，微生物預處理秸稈纖維不宜接種過多微生物菌劑及發(fā)酵時間，結合試驗分析，優(yōu)選接種量1%。

圖1 微生物發(fā)酵處理秸稈物料質量損失規(guī)律

圖2 微生物預處理秸稈纖維化學組分變化

2.2 秸稈漿料纖維形態(tài)

將經不同處理的秸稈纖維染色后置于顯微鏡下觀察，秸稈纖維形貌結構特征如圖3所示。未接種外源菌劑的秸稈纖維，主以纖維束的形式存在，團簇纖維束不利于膜的勻度與物理性能提升。接種1%微生物菌劑的纖維形態(tài)隨發(fā)酵周期的延長經打漿后纖維得到較好的疏解與拆分，纖維束含量明顯減少。在第3周時纖維表面產生分絲與帚化現(xiàn)象，分解出許多細小纖維（圖3 g）。隨接種量的增加秸稈纖維拆分愈為劇烈，隨周期增加產生大量細小纖維，且纖維有切斷現(xiàn)象，而禾草纖維原料本身具長度低的特性，當纖維被切斷后會導致其所制備的膜力學性能更低[21]。接種量5%發(fā)酵21天時秸稈纖維形態(tài)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)打漿后部分纖維結構出現(xiàn)扭曲，纖維結構被破壞嚴重降低纖維膜的力學強度（圖3 m）。

圖3 接種外源菌劑0%，1%，3%和5%的微生物預處理纖維漿料形態(tài)(400×)

2.3 微生物預處理對打漿能耗的影響

圖4為不同接種量在不同發(fā)酵時間下秸稈纖維的打漿能耗，在相同的打漿條件下，微生物處理后物料的打漿時間大幅降低，相同發(fā)酵周期下，微生物菌劑接種量越高，打漿能耗下降幅度越大。秸稈纖維打漿能耗降低歸因于微生物可分泌復合酶，復合酶首先吸附到纖維表面，在纖維表面發(fā)生酶解作用，破壞秸稈纖維的內外表面結構，使纖維變得多孔增加纖維的吸水潤脹能力，同時對堅固管狀細胞腔起到軟化和松弛作用，進而使秸稈變得柔軟松散，纖維易于分絲，打漿耗時下降。相比于發(fā)酵初期漿料打漿時間降低不明顯，14天后秸稈打漿耗時并未發(fā)生顯著改變，這可能是由于前期體系中營養(yǎng)充足，有利于酶解反應的進行[4,22]。然而，后期營養(yǎng)物質供給不足后，微生物活性降低，對秸稈纖維的分解作用減弱，繼續(xù)延長處理時間對打漿能耗影響不顯著?？偟膩碚f，1%接種量處理14天時能耗降低71.54%，是能耗降低較佳方案。

圖4 微生物預處理對打漿耗時的影響

2.4 微生物預處理秸稈纖維膜力學性能

2.4.1 秸稈纖維膜抗張強度 微生物菌劑的用量和發(fā)酵時間直接影響著酶水解纖維素的反應速率和反應平衡，對秸稈纖維結構的破壞有著重要影響，是預處理的關鍵工藝條件，也是影響漿料性能的重要因素。將未經處理秸稈纖維與30%的木漿纖維進行配抄制備地膜，作為對照樣品，地膜的抗張力為10.13 N。經不同處理后紙膜的抗張強度均要優(yōu)于原秸稈纖維制備紙膜（圖5）。在同一發(fā)酵時間下，抗張強度隨著接種量增加基本呈先增加再降低的趨勢。微生物對秸稈纖維的拆解，增強了纖維的吸水潤脹，纖維的可塑性得到提高，纖維微纖絲層產生松動可進一步挖掘秸稈纖維的潛在強度。在打漿過程中增加纖維的外部細纖化，從而增加纖維的外比表面積和表面羥基數(shù)量，促進纖維間的鍵合，使得抗張強度上升。但是，當微生物菌劑接入量過多時，秸稈纖維纖維素含量下降過多導致纖維之間形成交織點減少，且纖維素結構被過度破壞導致膜抗張強度的降低。此外，在未接種微生物菌劑時抗張強度隨著發(fā)酵周期的增加而增加，而在1%、3%和5%接種量下，隨發(fā)酵時間的延長抗張強度基本先升高再降低，而1%處理14天時秸稈膜的抗張力達到最大值19.98 N。以上說明，在生物預處理工藝中，過高的接種量和過長的發(fā)酵時間均會過度破壞秸稈纖維的結構，使得其抗張強度下降[23]。

圖5 微生物預處理對纖維膜抗張力的影響

2.4.2 秸稈纖維膜耐破度 由圖6可知，未經預處理的秸稈纖維在木漿添加量為30%時所制備膜耐破度為65.75 kPa。1%接菌量秸稈膜耐破度高于CK，7天和14天分別提高7.6%和4.64%。而3%和5%耐破度增幅不大，甚至降低，且隨處理時間的延長，耐破度有所下降。這主要是微生物分泌的復合酶對纖維進行降解，增加了纖維的潤脹，削弱了纖維間的結合力，使得秸稈纖維變得相對松散，內聚力下降，細胞壁結構變得松弛，纖維的柔韌性得到提高，從而減少在打漿過程中的纖維切斷作用，使?jié){料中的細小纖維含量降低，長纖維組分比例升高，從而纖維間的結合點增加。但隨微生物菌劑接種量和發(fā)酵時間的延長，復合酶對秸稈纖維過度降解，纖維強度降低，導致在打漿過程中產生較多細纖維化作用，細胞碎片含量增多，降低膜的耐破度。

圖6 微生物預處理對纖維膜耐破度的影響

2.4.3 秸稈纖維撕裂強度 纖維的長度是影響紙膜撕裂強度的最主要的因素，纖維越長，膜的撕裂度越大。從圖7可以看出，隨微生物菌劑接種量的增加膜撕裂強度呈先上升后下降的趨勢，在3%的接種量條件下，膜的撕裂性能達到最大，這與耐破度與抗張強度的變化規(guī)律有所不同。整體而言，接種時間在14～21天時達到顯著差異，是因為撕裂度的大小主要取決于纖維的長短，由此推斷在3%接種量的條件下，打漿后的纖維長度為最大，撕裂度也較大。在微生物菌劑接種量為5%時，膜的撕裂性能下降幅度提升，主要是因為體系中的復合酶對纖維過度分解[24-25]，使得纖維結構被過度拆解，秸稈纖維結構破壞嚴重，纖維素鏈也被縮短，導致纖維素長度過短，從而使得纖維撕裂強度下降。撕裂度而言，3%接菌量處理14天時性能較好。

圖7 微生物預處理對纖維膜撕裂度的影響

2.5 秸稈纖維質量的變化及其與力學性能相關度分析

圖8為接種微生物菌劑前后，秸稈纖維長度分布頻率變化圖（處理條件為接種1%微生物菌劑，處理14天）。由圖可知，相對未處理的秸稈纖維長度，在0～0.2 mm范圍內的分布量有所減少，其他長度范圍內的纖維含量明顯增加，表明經處理后細小纖維含量減少，纖維長度有所增加。表1列出了不同微生物處理前后相關纖維質量指標的變化，由表1可知，木漿纖維的長度要遠比秸稈纖維長并且細小纖維含量要小于秸稈纖維中的含量，木漿纖維在膜中起骨架結構作用，秸稈纖維填充其間。微生物處理后秸稈的長度均比未處理的秸稈纖維長度大，這和秸稈纖維的力學性能相對應。在同一接種量時，微生物預處理后秸稈纖維的長度基本隨處理時間的增加呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢，在發(fā)酵14天時，具有較大的纖維長度。另外，在3%接種量時，秸稈纖維的長度基本達到最大值，然后隨著接種量增加到5%，纖維長度有所降低，會產生許多細小纖維和碎片，使纖維的力學強度降低。發(fā)現(xiàn)在1%的接種量時，細小纖維含量最低，長纖維含量相對較高，纖維間的交織增加，因此，抗張強度與耐破度在1%接種量下的值較大。

表1 微生物預處理前后秸稈纖維質量變化

圖8 微生物處理前后纖維長度分布圖

將纖維膜的抗張強度、耐破度、撕裂度與秸稈纖維質量間作Pearson相關分析，結果如表2所示。在所標注的顯著性水平下，抗張強度與纖維質量間無明顯的線性相關。耐破強度與纖維質量加權長度間呈顯著相關但與其他纖維質量指標間不存在相關性。撕裂強度與纖維數(shù)均長度和纖維長寬比的相關系數(shù)分別為0.798和0.720，且P均小于0.01，說明撕裂強度與纖維數(shù)均長度和長寬比間存在極顯著的線性相關性，兩者之間的關系非常緊密，此外撕裂強度與重均長度呈現(xiàn)顯著相關，相關系數(shù)為0.595。

表2 秸稈纖維質量與力學性能間的Pearson相關分析

3 討論

生物質資源具有可再生、可降解、儲量豐富等優(yōu)點，使其成為最具開發(fā)潛力的綠色替代能源。農作物秸稈作為中國產量大、利用率低、利用方式落后、廢棄率高的可再生資源，亟需解決其資源化利用問題。原料化是實現(xiàn)秸稈高附加值利用的有效途徑，利用生物質材料制備可降解基地膜產品成為研究熱點。日本已開發(fā)系列植物纖維基地膜并得到應用[26]；中國麻類研究所以黃麻和苧麻為原料制備系列可降解麻類纖維地膜，應用在辣椒、白菜等栽培試驗中取得優(yōu)異效果[27]；Senthil等[28]從非洲原生Napier草中提取纖維素，且不會對土壤環(huán)境造成污染。但多數(shù)通過制漿、制黏膠、成膜及污水處理工藝，制漿性能要求高，過程復雜，產生CS2污染環(huán)境，得漿率低、資源利用率不高，工藝成本大；近年來，研究表明微生物發(fā)酵多菌的降解能力遠高于單菌[29]，主要是因為復合菌系中菌株協(xié)同作用高，分解能力能夠在4天內分解水稻秸稈重量的60%[30]，18天分解木薯渣47.3%[31]。但是這種微生物預處理方法，生物質資源短期內降解率大，得漿率較低，不符合生物質資源全量高值化利用理念。而本文主要采用復配微生物菌劑，通過調控菌劑用量及發(fā)酵時間對秸稈纖維制漿能耗、纖維形態(tài)與質量的變化趨勢評估預處理效果，數(shù)據(jù)表明水稻秸稈纖維經生物預處理后，在0～21天內綜纖維素和纖維素含量隨著處理時間和微生物菌劑用量的增加而不斷下降，木質素和灰分含量逐漸上升。到21天發(fā)酵結束時，4組綜纖維素含量分別降低了12.90%、22.78%、23.54%和26.79%。秸稈纖維形態(tài)和質量的變化進一步說明預處理微生物菌劑用量和發(fā)酵時間控制非常關鍵，過多的菌劑用量和過長的處理周期對纖維長度破壞嚴重，對秸稈纖維過度降解，使纖維本身強度降低，在打漿過程中產生較多的切斷及細纖維化作用，不利于秸稈纖維地膜力學性能。綜合比較可知復配微生物菌劑添加量在1%，發(fā)酵時間為14天時，秸稈漿纖維形態(tài)及成膜力學性能指標較好。技術方法過程中污染少，克服了秸稈原料傳統(tǒng)制漿方法弊端，屬于清潔制漿技術，符合國家新形勢及農用綠色地膜的發(fā)展理念。

4 結論

生物預處理后秸稈纖維結構被破壞，酶解作用使得細胞壁變薄，纖維被潤脹和松弛，從而利于機械制漿，打漿能耗顯著降低，當微生物菌劑用量1%，發(fā)酵14天時，打漿耗時從35 min降低為10 min；生物預處理后秸稈纖維的力學性能均得到提升，在微生物接種量為1%，發(fā)酵14天時，抗張強度和耐破度達到最大值16.85 N和67.63 kPa。隨接種量和發(fā)酵時間的增加纖維的抗張強度和耐破度逐漸降低，撕裂度在微生物用量3%，發(fā)酵14天時達到最大值240.9 mN。耐破強度與纖維質量加權長度間呈顯著相關，撕裂強度與纖維數(shù)均長度和長寬比間存在極顯著的線性相關性，為秸稈纖維后續(xù)全量成膜高值利用提供理論依據(jù)。