瘤胃微生物厌氧消化降解木质纤维素废弃物技术研究进展

创新点

通过厌氧消化技术从木质纤维素废弃物中提取清洁的生物能源具有重要战略意义。然而，木质纤维素组分水解缓慢，直接影响甲烷产量。反刍动物屠宰场废弃物-瘤胃液为针对性强化木质纤维素降解与产沼提升提供可行途径。本文综述了反刍动物瘤胃微生物和木质纤维素组分降解酶的组成、多样性及相关基因，梳理了瘤胃微生物在木质纤维素生物质降解和甲烷、挥发性脂肪酸（VFAs）、氢气及其他增值产品制备等方面的研究进展，并概述了仿瘤胃厌氧消化产甲烷系统的构建原理及应用效果。在此基础上，针对瘤胃微生物在厌氧消化资源化利用各方面的研究提出展望及建议，希望为瘤胃微生物在木质纤维素类生物质降解转化及高值化利用提供思路与方法。

通讯作者简介

陶俊宇讲师

陶俊宇，博士，天津商业大学讲师、硕士生导师，入选第八届中国科协青年人才托举工程。任天津商业大学环境能源+X创新实验室副主任。从事固废处置与利用、生物质能源化领域研究，在机器学习在环境能源领域的应用、生物垃圾智能表征与分类、有机废水处理与催化制氢、光伏系统环境影响评估与废弃物处置利用、餐厨垃圾高效相分离与资源化利用等研究方面取得特色成果。以第一或通讯作者在Environmental Science & Technology等环境领域一流期刊发表论文30篇，其中SCI中科院一区期刊论文23篇；承担国家自然科学基金项目、科技部重点研发计划国际合作项目任务、企业科技创新合作项目等；授权国际、国内发明专利7件，参编行业标准1项，参编专著2部。

第一作者简介

穆兰讲师

穆兰，博士，天津商业大学讲师、硕士生导师。主要致力于固体有机废弃物厌氧消化及沼渣利用。主持国家重点研发子课题、国家重点研发政府间创新合作项目任务、国家自然科学基金青年项目、天津市自然科学基金青年项目等，参与中国工程院战略研究咨询项目、天津市教委重点项目、企业横向等。先后发表国内外论文40余篇，其中以第一/通讯作者发表论文17篇，入选ESI高被引论文1篇，单篇最高他引100余次，获授权发明专利6项。

瘤胃微生物厌氧消化降解木质纤维素废弃物技术研究进展

作者

穆兰^1,2，徐凤莲^2,3，程占军⁴，王依凡^2,3，石岩¹，陶俊宇^1,2,*，陈冠益^1,2

单位

1.天津商业大学机械工程学院

2.天津商业大学环境能源+X创新实验室

3.天津商业大学生物技术与食品科学学院

4.天津大学环境科学与工程学院

基金项目

1. 国家重点研发政府间国际科技创新合作项目（2022YFE0125100）

2. 天津市自然科学基金资助项目（22JCQNJC01410）

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摘要

木质纤维素类生物质是厌氧消化生产生物能源的重要原料。然而，其复杂的三维结构造成厌氧消化过程中底物转化率低、技术经济性差等问题。反刍动物屠宰场废弃物—瘤胃液能够针对性地强化木质纤维素类生物质的降解与转化，与厌氧消化结合有望提升总体效率。近年来，国内外学者对瘤胃微生物厌氧消化降解木质纤维素类生物质进行了大量研究，同时，基于仿生原理的人工瘤胃发酵系统逐渐兴起。综述了反刍动物瘤胃微生物和木质纤维素组分降解酶的组成、多样性及相关基因，梳理了瘤胃微生物在木质纤维素生物质降解和甲烷、挥发性脂肪酸（VFAs）、氢气及其他增值产品制备等方面的研究进展，概述了仿瘤胃厌氧消化产甲烷系统的构建原理及应用效果，对瘤胃微生物在厌氧消化资源化利用方面的研究提出展望及建议，旨在为瘤胃微生物在木质纤维素类生物质降解转化及高值化利用提供思路与方法。

研究背景

木质纤维素生物质能源化利用不仅可以减少化石燃料的消耗，还能减少温室气体及污染物的排放量。在众多工艺中，依赖于微生物代谢活动的厌氧消化技术具有独特的优势，可以将木质纤维素生物质转化为沼气、氢气或挥发性脂肪酸（VFAs）等资源化产品，该过程绿色清洁。然而，纤维素和半纤维素被木质素包裹形成紧凑的晶体结构和天然屏障，阻碍厌氧微生物对其进行降解，导致转化效率受到限制，厌氧消化工艺经济性及市场竞争力差。目前已开发的物理（机械粉碎、微波辐射、超声辐射），化学（酸处理、碱处理、离子液体、有机溶剂、氧化剂处理），生物（细菌、真菌、放线菌、复合菌系），联合处理（物化预处理、生物联合处理）等预处理技术可以有效去除木质素、增大生物质可接触表面、降低纤维素的结晶度，提高木质纤维素生物质的厌氧消化产气性能，但这些方法存在成本较高、能耗大、潜在二次污染或处理周期过长等限制。反刍动物（牛、羊等）的瘤胃是一个天然发酵罐，其瘤胃微生物体系具有强大的木质纤维素水解酸化能力，这些瘤胃微生物相互作用并分泌许多酶，如纤维素酶、木聚糖酶，将复杂的木质纤维素生物质转化为可溶性有机物和VFAs，通常在2d内能够降解60%以上的纤维素。同时，瘤胃液是屠宰场主要的废弃物，将其作为污水进行处理造成高昂的投资和运营成本。

本文通过对相关文献的回顾与分析，阐述了瘤胃微生物中参与木质纤维素废弃物各组分降解的功能菌群以及相关降解酶，梳理了目前瘤胃微生物在有机废弃物厌氧消化利用方面的研究进展，综述了近些年新兴的仿瘤胃厌氧消化体系的构建与调控，旨在为木质纤维素生物质瘤胃微生物高效厌氧消化资源化利用提供理论指导。

部分图片

图1 瘤胃微生物木质纤维素降解相关酶作用示意图^{[8, 13]}

图2 瘤胃微生物对木质纤维素水解酸化的代谢途径

图3 目前常见的仿瘤胃发酵装置

引文格式

穆兰, 徐凤莲, 程占军, 王依凡, 石岩, 陶俊宇, 陈冠益. 瘤胃微生物厌氧消化降解木质纤维素废弃物技术研究进展[J/OL]. 能源环境保护: 1-14[2024-07-18]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20240707.

MU Lan, XU Fenglian, CHENG Zhanjun, WANG Yifan, SHl Yan, TAO Junyu, CHEN Guanyi. Research progress on anaerobic digestion and degradation of lignocellulosic waste by rumen microorganisms[J/OL]. Energy Environmental Protection: 1-14[2024-07-18]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20240707..

　　责任编辑：宫在芹

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