段開(kāi)紅，郜普楠，馮旭東

　(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010018)

　　石化資源日益枯竭，并引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題。替代石化資源的可再生清潔能源已成為當(dāng)前國(guó)際研究熱點(diǎn)之一。其中，秸稈纖維素生產(chǎn)乙醇或沼氣的液態(tài)能源生物轉(zhuǎn)化呈現(xiàn)了較為誘人的前景。

　　統(tǒng)計(jì)表明，綠色植物每年固定的能量相當(dāng)于600~800億噸石油，為全世界每年石油總產(chǎn)量的20?27倍，約相當(dāng)于世界主要燃料消耗的10倍。而將其作為能源的利用率，還不到其總量的1%。閔此，生物質(zhì)能源還有相當(dāng)大的發(fā)展空間。就我國(guó)的情況來(lái)看，我國(guó)的生物質(zhì)資源總量高于30億噸干物質(zhì)/年，相當(dāng)于10多億噸油當(dāng)量，約為我國(guó)目前石油消耗量的3倍。而我國(guó)商品化的生物質(zhì)能僅占一次性能源消費(fèi)的0.5%左右。

　　燃料乙醇和沼氣是生物能源的主要內(nèi)容之一。篩選高效降解纖維素的微生物及其偶聯(lián)乙醇發(fā)酵微生物、并探討其酶解機(jī)理和對(duì)纖維素酶分子進(jìn)行改造，可望促進(jìn)纖維素能源化利用。且內(nèi)蒙古和中國(guó)北方地區(qū)冬季氣溫較低，極大約束了菌的生長(zhǎng)及繁殖。因此，利用作物秸稈中的糖分生物轉(zhuǎn)化和纖維素降解生產(chǎn)乙醇或沼氣，不僅僅需要考慮因地制宜更是未來(lái)緩解能源、環(huán)境與三農(nóng)問(wèn)題的重要途徑之一。

　　1項(xiàng)目介紹

　　內(nèi)蒙古和中國(guó)北方地區(qū)的冬季溫度較低，低溫持續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng)，不利于微生物（產(chǎn)氫乙酸菌和甲烷菌）的生長(zhǎng)和繁殖，導(dǎo)致沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣率低、菌種使用壽命短、效益低，極大地影響和制約了沼氣在農(nóng)村牧區(qū)的推廣應(yīng)用。針對(duì)冬季沼氣生產(chǎn)中的低溫問(wèn)題，馴化和篩選耐低溫菌種，結(jié)合農(nóng)作物秸稈和農(nóng)林廢棄物發(fā)酵利用，建立低溫沼氣生產(chǎn)技術(shù)，對(duì)解決內(nèi)蒙古乃至中國(guó)北方地區(qū)冬季生活用能和提升農(nóng)村牧區(qū)生產(chǎn)生活水平，具重大意義和應(yīng)用價(jià)值。

　　2主耍創(chuàng)新點(diǎn)

　　成果基于北方冬季低溫的氣候特點(diǎn)，從替代能源與環(huán)境友好的方向出發(fā)，以內(nèi)蒙古主要農(nóng)作物秸稈和農(nóng)林廢棄物為材料，通過(guò)纖維素生物降解菌篩選和耐低溫甲烷菌篩選、馴化、改良，建立北方低溫沼氣產(chǎn)業(yè)技術(shù)。經(jīng)查新：“在國(guó)內(nèi)未見(jiàn)針對(duì)寒旱區(qū)秸稈與農(nóng)林廢棄物纖維素生物降解及其低溫沼氣生產(chǎn)技術(shù)的推廣示范報(bào)道”(《科技查新報(bào)告（20191500100338)》)。

　　(1)篩選到秸稈纖維素降解菌細(xì)菌560株、真菌45株，已鑒定3株為新種。從內(nèi)蒙古不同生態(tài)區(qū)取樣67批次，通過(guò)平板篩選，獲得纖維素降解細(xì)菌560余株、真菌45株，其中可能為新種16株，目前鑒定了3株為新種。論文發(fā)表于Int J Syst Evol Microbiol 2012，62(3):647-653、2012,62(9):2206-2212和2016,66(2):1088-1094及《農(nóng)業(yè)生物技術(shù)學(xué)報(bào)》2014,22(5):607-614、《應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)》2014,20(1):152-156、《微生物學(xué)報(bào)》2011，51(10):1364-1373、《微生物學(xué)雜志》2011,31⑷:47-51、《湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)》2011,50(1):62-65和《畜牧與飼料科學(xué)》2008(4):17-20等。

　　(2)用離子束誘變開(kāi)展高產(chǎn)酒精酵母菌選育，獲得6株發(fā)酵能力較高株系；建立了秸稈發(fā)酵活性干酵母生產(chǎn)工藝，開(kāi)展了發(fā)酵生產(chǎn)實(shí)踐。以Saccchromyces cerevisiae strain12#為出發(fā)菌種，經(jīng)甜高粱秸稈汁馴化，8次誘變，從1600株突變株中篩選到6株發(fā)酵能力強(qiáng)和穩(wěn)定性高的酵母菌株。以甜高梁和玉米秸稈發(fā)酵活性為目標(biāo)，建立專用干酵母生產(chǎn)工藝，開(kāi)展了纖維素降解和乙醇發(fā)酵的兩步發(fā)酵和直接偶聯(lián)發(fā)酵試驗(yàn)，確定了秸稈固體發(fā)酵生產(chǎn)乙醇工藝流程，研制了酒糟飼料生產(chǎn)工藝。獲得國(guó)家實(shí)用新型專利授權(quán)1項(xiàng)（ZL201420259024.4),論文發(fā)表于《飼料工業(yè)》2017,38(19):33-37、《安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)》2015,43(35):145-147、《釀酒科技》2016(1):15-18和《釀酒》2009，36(3)）:61-63等。

　　(3)分離篩選耐低溫土著沼氣發(fā)酵菌，獲得耐低溫甲烷菌3株，創(chuàng)制2個(gè)菌劑產(chǎn)品；研制了低溫沼氣生產(chǎn)技術(shù)、裝備，開(kāi)展了示范推廣。低溫馴化霍林河沼液樣品，分離到16株甲烷菌，其中3株耐4℃低溫。應(yīng)用低能N+注入技術(shù)誘變選育，構(gòu)建產(chǎn)甲烷菌群1個(gè)，研制2個(gè)低溫沼氣發(fā)酵菌劑。在內(nèi)蒙古多地開(kāi)展了低溫沼氣生產(chǎn)中試，形成了適合冬季農(nóng)牧區(qū)沼氣生產(chǎn)技術(shù)體系。獲得2項(xiàng)國(guó)家實(shí)用新型專利授權(quán)（ZL201220180010.4和ZL201420022386.1)。論文發(fā)表于《微生物學(xué)報(bào)》2015,55(11):1437-1444、《內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)》2013,34(6):93-％、《內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)科技》2014(3):47-48和2013(3):25-27等。

　　3技術(shù)路線

　　4取得的成果

　　(1)以內(nèi)蒙古沙地、湖泊、土壤結(jié)皮、甜高粱秸稈、玉米秸稈、堆肥及其他農(nóng)林廢棄物為材料，對(duì)內(nèi)蒙古土著微生物進(jìn)行收集、篩選、馴化，獲得纖維素降解細(xì)菌560株、真菌45株。其中，確定為新種3株，獲得了高效降解纖維素細(xì)菌3株。利用離子束誘變，對(duì)3株高效降解纖維素細(xì)菌進(jìn)行誘變，獲得了正突變高效誘變菌株，效率提高了2%~7%。通過(guò)基因工程途徑改造獲得轉(zhuǎn)基因工程菌1株，效率提高6%。

　　(2)在秸稈資源化利用方面通過(guò)包埋-分時(shí)調(diào)控技術(shù)緩解玉米秸稈纖維降解和pH之間的矛盾，提高玉米秸桿纖維素的降解率4%。并且為了提高纖維素的利用率,對(duì)秸稈類生物質(zhì)進(jìn)行了預(yù)處理優(yōu)化，降低秸稈中纖維素結(jié)晶度、木質(zhì)素對(duì)微生物利用纖維素的空間阻礙，提高了纖維素的轉(zhuǎn)化率8%。

　　(3)從霍林河、呼和浩特等不同生態(tài)區(qū)的沼液中分離甲烷菌群，通過(guò)進(jìn)一步分離、篩選和低溫馴化，獲得耐4℃低溫產(chǎn)甲烷菌3株、復(fù)合菌群1個(gè)，開(kāi)發(fā)低溫發(fā)酵菌劑2個(gè)。

　　(4)建成低溫發(fā)酵菌劑及其配套促進(jìn)劑生產(chǎn)線1條，集成低溫沼氣發(fā)酵關(guān)鍵技術(shù)體系1套。

　　(5)在五原、涼城、和林、西蘇旗、察右后旗、察右中旗等旗縣及五原縣科技服務(wù)中心、寧城縣拓野農(nóng)機(jī)服務(wù)專業(yè)合作社、內(nèi)蒙古禾華農(nóng)牧林綜合開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司、內(nèi)蒙古生原農(nóng)牧業(yè)開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司等開(kāi)展技術(shù)推廣和生產(chǎn)示范。

　　(6)產(chǎn)生和授權(quán)國(guó)家實(shí)用新型專利3件，發(fā)表SCI收錄論文3篇、英文期刊論文1篇、中文期刊論文30余篇，論文他引208次。

　　項(xiàng)目首次研究并利用內(nèi)蒙古土著微生物進(jìn)行秸桿纖維素降解和低溫沼氣生產(chǎn)。通過(guò)長(zhǎng)期富集和馴化，對(duì)獲得的菌株進(jìn)行離子束誘變和基因工程改造，從而獲得高效纖維素降解菌和耐低溫產(chǎn)甲烷菌。項(xiàng)目針對(duì)能源短缺、環(huán)境污染嚴(yán)重和生物量巨大的作物秸稈處理壓力的現(xiàn)實(shí)社會(huì)需求，以及內(nèi)蒙古地處祖國(guó)北疆和干旱、寒冷的極端氣候環(huán)境，著重解決了冬季沼氣發(fā)酵生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，推動(dòng)鄉(xiāng)村振興和新農(nóng)村小區(qū)域循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系建設(shè)。