秸稈是農(nóng)作物或牧草成熟后莖、葉、穗部分的總稱。農(nóng)作物光合作用的產(chǎn)物中有一半以上的能量存在于秸稈中，其中不僅富含可降解利用的碳水化合物，同時(shí)富含氮、磷、鉀、鈣、鎂等微量元素，是一種具有多用途的可再生資源，可以用于生產(chǎn)生物燃料和生物基化學(xué)品。青島能源所李福利研究員帶領(lǐng)的分子微生物工程研究組長(zhǎng)期致力于秸稈生物轉(zhuǎn)化策略研究。近期，該研究團(tuán)隊(duì)利用新型預(yù)處理方法降解玉米秸稈，減少糖化酶用量，有效提高了生物燃料的產(chǎn)量，相關(guān)成果發(fā)表在《Environmental Research》雜志。該策略與之前采用的預(yù)處理過(guò)程有很大不同，采用了AHP-LiCl/DMAc處理方法，即使用（pH 10~11）的AHP溶液對(duì)玉米秸稈進(jìn)行脫木質(zhì)素反應(yīng)，隨后加入LiCl/DMAc進(jìn)行處理。結(jié)果表明，該策略使底物最大產(chǎn)甲烷量達(dá)到318.6 17.8 mL/g VS，對(duì)比未處理組和AHP處理組分別提高了40%和10%。該研究進(jìn)一步表明，離子溶劑LiCl/DMAc在不改變結(jié)構(gòu)的情況下，提高了發(fā)酵菌的纖維素溶解，有效改善酶解糖化過(guò)程。該論文的第一作者為博士后Nasir Ali，呂明副研究員為通訊作者。
圖1 2018年我國(guó)天然氣消耗總量為283 Gm3，進(jìn)口125 Gm3，至2020年需求將超過(guò)300 Gm3 /year。
根據(jù)《中國(guó)天然氣需求調(diào)查》結(jié)果顯示，2018年中國(guó)天然氣消費(fèi)總量約為2800億立方米，進(jìn)口總量約為1250億立方米（圖1），開(kāi)展秸稈為原料的天然氣生產(chǎn)具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。針對(duì)秸稈的預(yù)處理策略，該研究組近期在《Applied Microbiology and Biotechnology》雜志上發(fā)表的一篇綜述文章中，廣泛討論了各種生物、化學(xué)和物理預(yù)處理的方法。論文指出纖維素酶、半纖維素酶和木質(zhì)素降解酶是高效的生物催化劑，可以有效地將木質(zhì)纖維素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為糖類，進(jìn)而加工成人類所需的生物燃料、生物化工和生物材料。利用和轉(zhuǎn)化纖維素生物質(zhì)對(duì)解決環(huán)境污染、能源危機(jī)等問(wèn)題具有重要意義。木質(zhì)纖維素原料，是生產(chǎn)可發(fā)酵成乙醇和其它有機(jī)化學(xué)品的糖的重要來(lái)源，而預(yù)處理是克服木質(zhì)纖維素抗降解屏障的必要步驟，在生產(chǎn)重要的生物材料之前已經(jīng)進(jìn)行了近200年的研究。新近的研究主要集中在經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和時(shí)間上高效利用的解決方案，為工業(yè)化應(yīng)用提供方案，對(duì)于在大規(guī)模生物精煉廠中的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)降解有重要意義。上述工作得到了中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院青島生物能源所的資助。（文/圖 呂明 Nasir Ali）
1. Combinations of alkaline hydrogen peroxide and lithium chloride/N,N-dimethylacetamide pretreatments of corn stalk for improved biomethanation. Environ Res. DOI: 10.1016/j.envres.2020.109563.
2. Emerging technologies for the pretreatment of lignocellulosic materials for bio-based products. Appl Microbiol Biotechnol. DOI: 10.1007/s00253-019-10158-w.
