董志國，李昕

(1.新疆畜牧科學(xué)院草業(yè)研究所，新疆烏魯木齊830002；2.新疆烏魯木齊市科協(xié)，新疆烏魯木齊830026)

　　摘要：介紹秸稈生物質(zhì)資源及其利用途徑，并分析秸稈生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為酒精燃料的條件。結(jié)合反芻動物瘤胃消化特性。提出利用反芻動物瘤胃對秸稈中的粗纖維的消化作用進(jìn)行預(yù)處理，以糞便中殘余纖維素作為酒精發(fā)酵底物，殘余有機(jī)質(zhì)再還田這一理論，為秸稈生物質(zhì)資源有效利用提供方法。

　　經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展與資源、環(huán)境相協(xié)調(diào)是人類活動的基本規(guī)則。我國地大物博，資源豐富，但人均占有量相對不足，加之資源利用效率低、保護(hù)意識差、污染嚴(yán)重等問題，使得資源環(huán)境問題日益突出，因此，現(xiàn)實(shí)國情決定了我國未來的發(fā)展必須是資源節(jié)約、環(huán)境友好的經(jīng)濟(jì)增長模式。在資源利用上，提高不可再生資源的利用效率，發(fā)現(xiàn)替代資源、可更新資源及其利用方式，在生產(chǎn)、流通和消費(fèi)的各個環(huán)節(jié)注重節(jié)能減排，形成低碳環(huán)保的生產(chǎn)方式和消費(fèi)模式，緩解資源、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾，促進(jìn)社會可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展。

　　1秸稈生物質(zhì)

　　1.1秸稈生物質(zhì)資源

　　生物質(zhì)是植物利用大氣、水、土地等通過光合作用而產(chǎn)生的各種有機(jī)體，它包括植物、動物和微生物。一般指農(nóng)林牧業(yè)生產(chǎn)過程中，除糧食、果實(shí)以外的秸稈、樹木等木質(zhì)纖維素和農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)下腳料、農(nóng)林廢棄物及畜牧業(yè)生產(chǎn)過程中的畜禽糞便和廢棄物等。其中，木質(zhì)纖維素類是地球上最豐富和廉價(jià)的可再生生物質(zhì)資源。

　　有資料表明，全世界每年植物體的干物質(zhì)生成量高達(dá)1.155×10¹⁴t。我國生物質(zhì)資源更是種類繁多，資源量的近一半，但由于長期受生產(chǎn)和生活方式影響，秸稈利用僅有30％，經(jīng)處理利用的僅占2.6％，有相當(dāng)一大部分秸稈被廢棄或者焚燒，造成空氣污染和資源浪費(fèi)。

　　1.2秸稈還田利用

　　1.2.1秸稈還田：秸稈含有豐富的有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀和微量元素，通過還田使養(yǎng)分回歸土壤。達(dá)到培肥地力和增產(chǎn)的目的。秸稈還田包括直接粉碎入田和堆漚腐熟后還田等方式。實(shí)踐證明，秸稈還田對增加土壤肥力、改良結(jié)構(gòu)、促進(jìn)作物根系的發(fā)育及提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)發(fā)揮一定作用，同時減輕了焚燒所造成的環(huán)境污染。國外以直接粉碎或過腹還田為主，歐美國家秸稈還田率達(dá)到90％，在日本秸稈還田則成為一項(xiàng)農(nóng)業(yè)耕作法規(guī)。我國河北、江蘇等部分地區(qū)，在大力應(yīng)用玉米機(jī)械化收獲技術(shù)基礎(chǔ)上，秸稈還田率達(dá)到90％以上。

　　實(shí)際上，在翻耕及輪作技術(shù)不到位的情況下，因秸稈降解效率低.秸稈還田不僅對土地作用有限，而且會對耕作產(chǎn)生不利影響，如連作時蟲卵、有害菌體會隨著秸稈帶進(jìn)土壤，一方面增強(qiáng)微生物對除草劑在土壤中的降解，縮短了藥效期并增加施用量，同時增加病蟲害風(fēng)險(xiǎn)。另外，秸稈還田也存在機(jī)械成本高、農(nóng)民不易接受等情況。

　　1.2.2過腹還田：過腹還田是把秸稈作為飼料經(jīng)動物消化吸收后的糞便，經(jīng)腐熟后作為肥料施人土壤.達(dá)到培肥地力的目的。粗飼料是反芻動物重要的基礎(chǔ)飼料，除提供部分營養(yǎng)外，對維持動物消化道正常蠕動、保持生理健康、提高利用年限和生產(chǎn)潛力發(fā)揮重要作用，一般占日糧40％甚至70％以上，秸稈類是粗飼料重要來源。在20世紀(jì)90年代糧食和飼料資源短缺以及社會轉(zhuǎn)型過渡時期。秸稈養(yǎng)畜對我國大幅度增加牛、羊肉供應(yīng).降低養(yǎng)殖成本。增加有機(jī)肥和增加農(nóng)民收入，特別是減少秸稈焚燒造成的環(huán)境污染及提高資源利用方面起到積極作用，并促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的生態(tài)良性發(fā)展。

　　2秸稈生物質(zhì)能源化利用

　　2.1生物質(zhì)能 能源是現(xiàn)代社會生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。據(jù)世界能源機(jī)構(gòu)報(bào)告，世界石油剩余可采年限僅有40年。可以預(yù)見，化石能源終將耗竭。而隨之產(chǎn)生的污染問題也是積重難返。

　　生物質(zhì)能是植物通過光合作用把太陽能固定到植物體內(nèi)的能量，植物作為載體，每年儲存太陽能3.1~10¹³GJ，規(guī)模相當(dāng)于目前世界能源消耗的10倍左右。而且，植物光合作用相當(dāng)于燃燒反應(yīng)的逆過程.在沒有外界干擾的情況下，植物光合作用吸收和生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的二氧化碳可以達(dá)到平衡。因而，生物質(zhì)能源是一種取用不盡、清潔的可再生能源。生物質(zhì)可通過一定技術(shù)轉(zhuǎn)化為燃料、油料和燃?xì)獾饶茉次镔|(zhì)，包括燃料酒精、生物柴油、生物制氫等，可替代常規(guī)能源為各類運(yùn)輸機(jī)械提供動力。目前，以燃料乙醇開發(fā)利用為多。

　　2.2生物乙醇 制備生物乙醇的原料主要有谷物、薯類、糖類(甘蔗、甜菜、糖蜜)和纖維素原料。谷物和糖類影響糧食和土地安全.薯類不耐儲運(yùn)，而價(jià)廉量大的木質(zhì)纖維素，可經(jīng)酶解和糖化發(fā)酵制備乙醇。因此，作為可再生資源，木質(zhì)纖維有潛力成為未來生物質(zhì)能源主流。

　　木質(zhì)纖維素由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三部分組成。其中，纖維素占40％～50％，半纖維素占25％～35％，木質(zhì)素占15％～20％。半纖維素水解產(chǎn)物主要是木聚糖(60％以上)，發(fā)酵生成酒精速度慢，周期長。木質(zhì)素則難以利用。天然纖維素性質(zhì)復(fù)雜，高度結(jié)晶，難以溶解，并被木質(zhì)素和半纖維素緊緊包圍，難以直接被生物降解。因此，利用秸稈發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，首先必須破壞秸稈中的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，除去木質(zhì)素，將纖維素和半纖維素釋放.并溶解半纖維素，增大酶與纖維素接觸面積，提高纖維素酶解和糖化效率，然后再經(jīng)微生物發(fā)酵作用產(chǎn)生燃料乙醇。所以，預(yù)處理、尋找產(chǎn)纖維素水解酶菌種以及改進(jìn)發(fā)酵工藝是秸稈纖維素發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的3個關(guān)鍵問題，開發(fā)低成本、高效新型預(yù)處理技術(shù)，尋找或構(gòu)建同時能利用五碳糖和六碳糖的微生物菌種，成為木質(zhì)纖維素制備生物燃料乙醇的關(guān)鍵。

　　目前，巴西、美國以生物質(zhì)原料生產(chǎn)燃料乙醇走在了世界的前列。我國在“十五”時期制定并推廣利用農(nóng)作物秸稈、稻殼等木質(zhì)纖維生物質(zhì)生產(chǎn)生物燃料乙醇的計(jì)劃和工藝，但與發(fā)達(dá)國家相比，無論研究水平還是產(chǎn)能都相對過弱。

　　3反芻動物瘤胃對纖維素的預(yù)處理作用

　　秸稈類生物質(zhì)作為反芻動物粗飼料的重要來源，消化率僅為20％～30％，大多以糞便排出，糞便是反芻家畜主要副產(chǎn)品之一。反芻動物瘤胃可全部降解半纖維素，部分降解纖維素，完全不能降解木質(zhì)素引。纖維類物質(zhì)經(jīng)反芻動物消化后。剩下纖維素和木質(zhì)素.其交聯(lián)結(jié)構(gòu)也由于消化過程被打破，其良好的纖維素正好為糖化和糖酵解提供了原料，因此，反芻動物瘤胃是天然的半纖維素降解工廠。據(jù)研究，1頭成年奶牛1年排出糞便20t左右，糞便中以粗纖維為主，達(dá)到43.6％，因此，利用瘤胃對秸稈等粗飼料消化作用，對其中營養(yǎng)物質(zhì)和半纖維素起到過濾作用(相當(dāng)于纖維素預(yù)處理當(dāng)中的打破纖維素復(fù)雜結(jié)構(gòu)和溶解半纖維素)，殘留的高質(zhì)量的纖維素用于發(fā)酵產(chǎn)酒精，這為牛糞能源化利用提供物質(zhì)基礎(chǔ)。

　　集約化牛場每年排出大量糞便，如不及時妥善處理將形成巨大污染源。以萬頭奶牛場為例，年產(chǎn)10萬t糞便，采取工業(yè)化處理，年產(chǎn)沼氣600萬m³，發(fā)電1000萬kW·h，生產(chǎn)沼渣、沼液優(yōu)質(zhì)飼料和肥料5萬t，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。因此，對奶牛糞便無害化、資源化及循環(huán)利用，成為變廢為寶重要措施。

　　4展望

　　我國能源相對短缺，以化石能源消費(fèi)為主(占95％以上)，進(jìn)口依存度高(超過30％)，這種能源消費(fèi)格局不僅造成巨大溫室氣體排放，而且影響我國能源安全口。因此，我國迫切需要轉(zhuǎn)變能源生產(chǎn)和消費(fèi)方式，大力提高清潔可再生能源生產(chǎn)和消費(fèi)比例，生物質(zhì)能源作為可再生、清潔能源，無疑成為解決環(huán)境污染和可替代能源的重要新能源之一。

　　我國的生物質(zhì)資源價(jià)廉量大，除去用于造紙、飼料以及肥田外，還有近4億t秸稈可作為能源物質(zhì)加以利用，利用反芻動物瘤胃消化道對秸稈纖維素類物質(zhì)消化預(yù)處理和過濾，隨糞便排出的纖維素用以發(fā)酵產(chǎn)生酒精，最后殘?jiān)龠€田。通過這種秸稈綜合利用措施，可從根本上解決秸稈資源的再利用問題，應(yīng)用前景非常廣闊。