胡建宏 丁海荣 王立强
我国是一个农业大国，年产各类农作物秸秆5.7亿吨左右，占世界秸秆总产量的20%～30%[1]。农作物秸秆是重要的潜在生物资源，在我国数量大、分布广、种类多，但目前用于饲料的部分还不足10%，造成大量氮素和有效能的流失[2]。因此，深入探索开发农作物秸秆的处理技术和措施，进一步提高秸秆的营养价值，扩大秸秆的有效利用范围，引起了人们的广泛关注。
近几十年来，人们一直在探索利用物理、化学以及生物处理手段降解秸秆的最佳途径，但存在于秸秆中的非水溶性木质素和纤维素之间形成坚固的酯链，极难被酸和酶水解，而要降解纤维素必须首先降解木质素，致使人们对秸秆的利用研究从降解纤维素转向了木质素的降解研究，也使秸秆的处理方法从切碎、蒸煮、氨化、碱化、酸化等物理和化学方法转变为生物处理方法的研究。微生物可以将多种畜禽不能直接利用的复杂有机化合物合成含有丰富蛋白质、脂肪的菌体细胞，其分解产物和菌体可用作饲料。在秸秆的微生物处理中，只有少数真菌能够同时分解所有的植物聚合物，而这类真菌主要就是白腐真菌。白腐真菌是一类使木材呈白色腐朽的真菌，能够分泌胞外氧化酶降解木质素，且降解木质素的能力优于降解纤维素的能力，这些酶可以促使木质腐烂成为淡色的海绵状团块——白腐，故称为白腐真菌[3]。
1 限制农作物秸秆饲料开发利用的障碍因素
农作物秸秆营养成分的特点是蛋白质、可溶性碳水化合物、矿物质的含量低，而粗纤维含量高达35%～40%，还含有6％～12%的木质素，无氮浸出物达40%～50%。秸秆的营养价值主要取决于秸秆有机物的消化利用程度。在秸秆有机物中，纤维素、半纤维素和木质素是微生物重要的分解对象，而木质素由化学特性十分稳定的化合物形式构成，极难被一般微生物分解，动物无法吸收利用。纤维素和半纤维素易被微生物或酶分解，但木质素是纤维素的外围基质，将纤维素紧紧包裹在其中，并且家畜瘤胃微生物缺乏降解木质素的酶，从而阻碍了家畜对纤维素和半纤维素的有效利用，导致秸秆的消化率降低。因此，提高农作物秸秆利用率的关键就是降解木质素[4～6]。
2 白腐真菌降解农作物秸秆的机理
白腐真菌降解农作物秸秆是在一系列酶的作用下完成的，是由于它在生长过程中可以分泌降解木质素酶系的缘故。这些酶主要包括产生H2O2的酶，如细胞内的葡萄糖氧化酶和细胞外的乙二醛氧化酶，在分子氧的参与下氧化相应底物--葡萄糖和乙二醛形成H2O2，从而激活过氧化物酶启动酶的催化循环；需要H2O2的酶，如木质素过氧化物酶和锰过氧化物酶，在细胞内合成以后分泌到细胞外，以H2O2为最初氧化底物；漆酶、还原酶、甲基化酶、蛋白酶等，所有这些酶共同组成白腐真菌的降解系统主体[7,8]。
木质素是一个以芳香族为基本结构的复杂聚合物，其降解以微生物代谢产生的酶为催化剂，将复杂的不容性聚合物转化为水溶性含有苯环的简单化合物，苯环破裂后产生简单有机小分子。在降解木质素时，木质素解聚形成许多有高度活性的自由基中间体，再以链式反应的方式产生众多不同的自由基，使连接键断裂，木质素解聚成小分子片断，最后经过彻底氧化后降解为CO2[7,8]。
白腐真菌在适宜条件下降解农作物秸秆的基本过程是，白腐真菌的菌丝先利用超纤维氧化酶溶解秸秆表面的腊质，然后进入秸秆内部，合成并分泌纤维素酶、半纤维素酶、内切聚糖酶等多种酶，构成降解系统的主要成分。在过氧化物酶中，木质素过氧化物酶和锰过氧化物酶是两类关键酶，在分子氧的参与下，依靠自身形成的H2O2触发启动一系列自由基链反应，彻底氧化木质素，使得秸秆的适口性增强，容易被家畜消化利用。简单而言，白腐真菌通过降解多聚糖和木质素，破坏二者连接的共价键，一方面破坏了秸秆的细胞壁结构，使纤维素和半纤维素游离出来；另一方面又使细胞壁内可以利用的碳水化合物等暴露，与消化液直接接触，从而提高了秸秆的消化率和瘤胃干物质的降解率。
3 白腐真菌降解农作物秸秆的效果
早在20世纪70年代，国际上对白腐真菌的研究已经比较重视，而我国对白腐真菌的研究相对比较落后，但利用白腐真菌降解农作物秸秆的研究已有所进展[3]。白腐真菌是目前已知的唯一能够在纯系培养中有效降解木质素的一类微生物，除含有木质素降解酶以外，另外还含有纤维素酶、半纤维素酶和果胶酶活性等[9,10]。现今研究最为广泛的白腐真菌是黄孢原毛平革菌。陆师义等[11]研究报道，白腐菌类的香菇、平菇等木腐类真菌分解木质素和纤维素的能力较强，这类食用菌可以直接利用农作物秸秆，使收菇后剩余的菌糠中木质素的含量大大降低，菌体蛋白的含量高达5％以上，可添加于家畜饲料中；袁彤光等[12]也进行类似研究，证明香菇白腐真菌具有降解木质素的显著作用。
大量研究表明[13]，白腐真菌可使秸秆中木质素降解率达到40%～60%，纤维素和半纤维素降解率达到20%～40%，干物质损失10%～40%。用白腐真菌发酵切碎的麦秸，一个月后不仅粗蛋白质含量有所提高，且秸秆的消化率可提高2～3倍；用白腐真菌发酵稻草时，发酵后其木质素含量降低13.7%～29.9%，蛋白质含量增加24.6%～72.4%。白腐真菌发酵处理秸秆后，大部分非蛋白氮转化为质量较高的菌体蛋白，不仅提高了秸秆的养分含量，而且使秸秆的pH值由5.7降至4.0左右，抑制了其他腐生菌的繁殖，有利于秸秆的长期保存，同时由于秸秆中的大部分木质素被微生物降解，秸秆质地柔软，具有一定的酒香味，明显改善了秸秆的适口性，提高了家畜对秸秆的吸收利用率。
4 影响白腐真菌降解效果的因素
4.1 白腐真菌的菌种
据报道，目前已知的白腐真菌达200余种，自从100多年前Hartig首次发现部分白腐真菌能够选择性的降解木质素后，人们对此进行了大量研究。结果表明，不同菌种对秸秆木质素、半纤维素的降解程度、处理后秸秆干物质的损失程度和秸秆内部干物质的消化率变化等均有极大差异，即使是同一白腐真菌对不同秸秆内木质素和半纤维素的降解能力也明显不同，因而导致对秸秆的处理效果千差万别[13]。
4.2 白腐真菌培养的外部条件[10,14～16]
温度的高低影响白腐真菌固体发酵的进程和对木质素的降解率。温度过高，降低秸秆木质素的降解率和瘤胃干物质消化率；温度过低，白腐真菌固体发酵的进度缓慢。大多数白腐真菌适宜的生长温度为20～35℃，一般可选用几种具有最适温度范围互补的白腐真菌混用。
水分含量是影响白腐真菌菌丝生长的另一因素，如果水分含量过低，则菌丝生长受到抑制，如果水分含量过高，则影响O2的通入和CO2的排出，以及所产生的热量的散失，对菌丝的生长也不利。一般情况下，在微生物发酵秸秆时，其水分控制在65%～75%之间。
酸碱度是影响白腐真菌生长的重要因素。大多数白腐真菌喜欢微酸性环境，pH值保持在4～5之间即可。一般而言，对耐碱性白腐真菌的最适pH值为7～9，对耐酸性白腐真菌的最适pH值为3。
碳源和氮源是白腐真菌降解木质素的一个极为主要的影响因素，限制氮源不利于酶的产生，限制碳源有利于酶的合成。农作物秸秆中添加尿素不仅能有效提高其粗蛋白质含量，而且也影响白腐真菌的生长。发酵秸秆中氮的含量与粗蛋白质的提高幅度呈正相关关系，但与白腐真菌的生长发育呈负相关，因此尿素的添加量不宜高于秸秆干物质重量的1%。
在秸秆发酵过程中，培养物的气体交换量以及气体在培养物中的穿透与扩散，也影响白腐真菌处理秸秆的效果。气体交换量由固液相之比决定，固液相之比一般为1∶3；气体的交换可以除去白腐真菌代谢过程中产生的挥发物和气体代谢物，但高浓度的气体代谢物则影响白腐真菌的生长。
4.3 白腐真菌的处理时间
在利用白腐真菌发酵秸秆的过程中，如果微生物发酵时间过短，则木质素被白腐真菌降解的比例小，所处理秸秆的消化率低；若木质素被降解得过多，则其他容易消化的碳水化合物一同被降解，也造成处理秸秆的消化率降低[15～17]。在利用白腐真菌处理农作物秸秆时，必须在一定的温度下确定适当的发酵时间，以获得最佳的处理效果。
目前，人们对白腐真菌处理农作物秸秆提高其营养价值的研究仅限于实验室。在实际生产中，由于存在大量霉菌和各种各样的杂菌，在适宜的培养条件下，杂菌首先会迅速生长，竞争性抑制白腐真菌的正常生长，从而使秸秆发霉变质，影响秸秆的处理效果，极大地限制了白腐真菌在实际生产中的推广与应用[18,19]。但从目前开发利用秸秆的发展趋势来讲，虽然生产实践中经常将物理、化学和生物处理方法结合使用，但利用微生物发酵秸秆代表了今后的发展趋势。由于白腐真菌具有能够自身合成多种木质素降解酶的能力，处理秸秆后不但可以大幅度提高秸秆的适口性和营养价值，提高秸秆的利用率，而且能耗小、无污染、成本低，且饲喂家畜后没有副作用，深入研究白腐真菌对木质素降解的机理和处理秸秆的技术途径，对开发利用农作物秸秆资源具有重要意义。随着科学家研究的进一步深入和技术的进步，一旦突破关键性环节，白腐真菌将可广泛地运用于处理农作物秸秆，使各种农副产品成为家畜喜食的新型饲料，促进我国饲料工业和畜牧业的大力发展。
参考文献
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18 赵守仁等.用生物技术开发秸秆资源.饲料工业，1997，18（2）：34~36
19 张荣来等译.利用化学和生物学方法提高禾谷类秸秆的质量.国外畜牧科技，1999，26（3）：23~28
胡建宏，西北农林科技大学动物科技学院，712100，陕西杨凌。
丁海荣、王立强，单位及通讯地址同第一作者。
收稿日期：２００5－02－０７ |
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