利用生物技術(shù)降解纖維素的研究進展

郭香圓 張斌斌 張圣銘 謝滔 胡慶 張海濤

摘要：生物技術(shù)是一門以生命科學作為基礎(chǔ)的學科，也被稱為生物工程，是一種通過結(jié)合生物的自身特性功能與工程原理，構(gòu)造出設(shè)想中的新體系物種，進行加工生產(chǎn)后，向社會輸送商品以及服務(wù)的綜合技術(shù)體系。生物技術(shù)的范圍十分廣泛，它幾乎涵蓋了生物科學、化學、數(shù)學、微電子技術(shù)、計算機科學等所有尖端基礎(chǔ)學科，并以此為支撐，形成了如今這種一門學科多門滲透的綜合模式，在效益、智力、投入、競爭、風險以及勢能六個方面的特征也與其他高新技術(shù)一樣。而纖維素則是地球上分布最廣泛、含量也最為豐富的碳水化合物之一，大概占據(jù)全球植物總干重的三成至五成左右，不過由于纖維素分子是鏈狀高分子聚合物，在分子本身的致密結(jié)構(gòu)和保護層的雙重阻礙下，纖維素的降解十分不易，且絕大部分都是被微生物直接作為碳源物質(zhì)利用了。因此本文就利用生物技術(shù)降解纖維素進行了一系列的研究，意圖為生物工程的研究人員們提供可行性的參考。

關(guān)鍵詞：生物技術(shù);降解;纖維素

前言：

根據(jù)現(xiàn)有資料的統(tǒng)計，在地球上每年通過光合作用產(chǎn)生的植物物質(zhì)中有近9成沒有被合理利用甚至完全沒有被利用，像秸稈一類的更是以直接焚燒收場。就目前情況來看，農(nóng)林纖維副產(chǎn)物的開發(fā)在全世界所占的比例僅為2%左右，我國作為農(nóng)業(yè)大國，在田間地頭被白白燒掉的農(nóng)林廢棄物更是高達半數(shù)以上。全球每年因這類情況造成的經(jīng)濟損失達高達數(shù)十億元，且焚燒造成的廢氣廢物排放等也嚴重影響了交通運輸?shù)陌踩?，對生態(tài)環(huán)境造成了不同程度的影響，另外，隨著經(jīng)濟全球化，日漸加速的發(fā)展，進程使得石油、煤炭等不可再生資源極速減少，能源危機成為了當前世界眾多國家亟待解決的問題。[1]資源的過度開采導致生存環(huán)境不斷惡化，因此以可再生資源研究開發(fā)為前提的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在世界各個角落蔓延開來，由此可見，植物纖維素資源的開發(fā)利用對解決能源短缺及環(huán)境污染有重要的意義。

一、玉米秸稈資源與應(yīng)用概況

由于生物工程技術(shù)的體系過于龐大，為避免本文言不符實，因此筆者以玉米秸稈為例，為讀者講解生物技術(shù)降解纖維素的研究過程。玉米是一種眾所周知的集糧食、經(jīng)濟和飼料為一體的農(nóng)作物，也是全球主要農(nóng)作物之一，將成熟的玉米摘下來后，余下的莖葉部位便是大眾口中俗稱的玉米秸稈。玉米秸稈雖不能食用，但其化學組成成分十分豐富，進一步加工成燃料、飼料、肥料等，在工業(yè)與農(nóng)業(yè)方面都有著一定的應(yīng)用價值。就目前情況來看，玉米秸稈在進行降解處理時常用的方法有三大類，分別是化學法、物理法以及生物法。生物法雖展開研究的時間最短，但有著綠色環(huán)保的特征，為生態(tài)環(huán)境保護作出了巨大的貢獻，其由此成為了玉米秸稈降解的重點研究方向。傳統(tǒng)意義上的生物降解對木質(zhì)纖維素及營養(yǎng)的轉(zhuǎn)換效果較差，尤其在我國玉米產(chǎn)量持續(xù)增長的今天，五分之四的玉米秸稈都沒有得到有效加工，間接地阻礙了大規(guī)模開發(fā)玉米秸稈的進程，因此恰當處置玉米秸稈，是進行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略地有效途徑。

二、運用生物技術(shù)體系降解玉米秸稈纖維素的研究進展

2.1生物處理方法

本文主要講解方向為生物技術(shù)降解纖維素，因此上文提到的物理處理與化學處理法在這里不詳加敘述。生物處理法簡單的概括來說，便是將單種或多種微生物在玉米秸稈上進行共同作用，通過生物酶的協(xié)作，改變玉米秸稈的理化性質(zhì)，從而達到降解木質(zhì)纖維，提高營養(yǎng)組成的目的。就目前來看，常用的生物處理方法有兩種，一是傳統(tǒng)法，二是酶解法。傳統(tǒng)法在如今的纖維素降解中運用的最為廣泛，以青貯、微貯為主，青貯即將玉米秸稈放置于厭氧環(huán)境中，利用其自身厭氧菌株進行分解產(chǎn)酸，進而抑制或清除有害菌，以提高玉米秸稈的貯存時長，微貯則是通過添加微生物來處理玉米秸稈;酶解法雖運用的不最廣泛的，但是目前最成熟的生物降解法，其原理為同時應(yīng)用多種纖維素水解酶，協(xié)同處理玉米秸稈，進而降低玉米秸稈中的纖維素，提高可溶性含糖量。

2.2 菌類降解體系

菌類降解體系可分為細菌、真菌以及放線菌三種。就細菌而言，當前已知曉的可降解木質(zhì)纖維素的細菌有生胞噬纖維菌屬 、堆囊菌屬、原粘桿菌屬、微球菌屬、梭菌屬、纖維桿菌屬、纖維粘菌屬 、 弧菌屬 、瘤胃球菌屬 、纖維單胞菌屬 、假單胞菌屬、芽孢桿菌屬及螺旋體屬等。它們由于體積小，進入木質(zhì)纖維間隙速度快，對改性、降解纖維素有著極好的效果，也是三種方法中研究最為深入的一類。其二是真菌降解，經(jīng)研究人員反復(fù)實驗，發(fā)現(xiàn)真菌為降解纖維素、半纖維素以及木質(zhì)纖維素效果最強的微生物，它不僅有著各種各樣的降解方式，還可以分泌纖維素降解酶和具有機械穿插作用的絲狀菌絲，均可穿過木質(zhì)纖維素角質(zhì)層，明顯提升纖維素和對應(yīng)降解酶的接觸率，從而增強降解效果。[2]不過值得注意的是，雖如今眾多的真菌運用在了玉米秸稈的降解研究中，但真菌生長速度慢且生長條件十分嚴格的特點，導致其在現(xiàn)實中的應(yīng)用中明顯受到了阻礙。最后便是放線菌降解，從大方向來看，放線菌的繁殖速度比細菌慢，降解效率和范圍比真菌低，看起來似乎沒有什么作用，不過按照“存在即合理”的慣例，放線菌的優(yōu)勢便是可以在高溫、高堿性等惡劣環(huán)境下完好保存自身的同時提高玉米秸稈的水溶性，有效降解木質(zhì)纖維素。[3] 例如節(jié)桿菌屬、高溫放線菌屬、鏈霉菌屬、小單孢菌屬、諾卡氏菌屬等都是典型的放線菌代表。放線菌在玉米秸稈降解展開應(yīng)用的時間最晚，但其適應(yīng)性強，可以極快的融入到現(xiàn)實工作研究中，發(fā)展前景較為良好。

三、結(jié)論

本文以大眾熟知的玉米秸稈為例，就生物技術(shù)在降解纖維素方面進行了一系列的分析研究，在植物纖維素資源的開發(fā)利用方面提出了相應(yīng)的觀點，也概述了生物技術(shù)的運用方向，力求為生物工程的研究人員們提供可行性的參考建議。但由于筆者自身資歷尚淺，文中闡述觀點或有不足之處，還望廣大讀者予以見諒。

參考文獻

[1]王霞，華琳，張海龍，等.纖維素降解菌 CMC -4 的分離鑒定、誘變和酶學特性研究[J].土壤， 2017，49（ 5） ： 919-925.

[2]金偉，陳文靜，繆禮鴻，等. 1 株耐熱纖維素酶產(chǎn)生菌的篩選及其酶學特性[ J].江蘇農(nóng)業(yè)科學， 2017，45（ 20） ：272-274.

{3}王垚，韓燕峰，虞泓，等.愛爾蘭帚霉產(chǎn)低溫纖維素酶 的酶學性質(zhì)和發(fā)酵工藝[J].菌物學報， 2017，36（ 8） ： 1132-1140.