第三章 不同生物質(zhì)資源概述

第一節(jié) 植物纖維性廢棄資源概述

據(jù)估計，地球上每年光合作用生產(chǎn)的生物質(zhì)量高達(dá)1.5×1011～2.0×1011t，其中11%（約1.6×1010t）是由耕地和草原產(chǎn)生的，可作為人類食物或動物飼料部分約占1/4（約為40×108t），剩余的3/4均變?yōu)閺U棄物。在4×109t產(chǎn)品中，經(jīng)過加工最后供人類直接使用的僅有大約3.6×108t，每年生產(chǎn)的廢棄物（包括收獲和加工過程中）約為1.35×1010t，可見我們利用的生物質(zhì)資源數(shù)量之少，而被浪費掉的資源數(shù)量卻很大，人類有待于開發(fā)利用被浪費的各種資源，并將其轉(zhuǎn)化為食品或飼料。

一、植物纖維廢棄資源的特點

常見的植物纖維廢棄資源主要是秸稈資源。常見作物秸稈中含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，其中營養(yǎng)物質(zhì)主要為非纖維成分的細(xì)胞內(nèi)容物和纖維成分的細(xì)胞壁物質(zhì)兩大細(xì)胞組分的構(gòu)成物，其主要成分有：半纖維素、纖維素、木質(zhì)素等有機(jī)物質(zhì)，以及無機(jī)硅元素及其他非纖維成分。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最普遍、生產(chǎn)量最高的糧食作物小麥秸稈營養(yǎng)成分中，其纖維成分的細(xì)胞壁物質(zhì)占80%，而非纖維成分的細(xì)胞內(nèi)容物僅占20%。其營養(yǎng)成分組成中纖維素占39%、半纖維素物質(zhì)占36%，木質(zhì)素占10%，無機(jī)硅元素和其他非纖維成分僅占6%、9%；在糧食作物水稻秸稈中其細(xì)胞壁物質(zhì)占總營養(yǎng)成分的量高達(dá)86%，而細(xì)胞內(nèi)容物僅占營養(yǎng)成分的14%，其中纖維素占39%，半纖維素占9%，木質(zhì)素占到11%，無機(jī)硅元素占22%。其他非纖維成分僅占14%。其他常見作物秸稈的化學(xué)組成及營養(yǎng)成分組成如表3-1、表3-2所示。

由表3-1和3-2可知，作物秸稈中除了含大量的纖維素物質(zhì)外，還含有少量的蛋白質(zhì)和含脂肪的物質(zhì)，另外氮、磷、鉀、鎂、鈣、硫等元素都是作物秸稈中含有的營養(yǎng)元素。據(jù)測定，濕玉米的秸稈含氮量約0.61%、含磷量為0.27%、含鉀量為2.28%。總之，作物秸稈的營養(yǎng)成分可分為有機(jī)物質(zhì)和無機(jī)物質(zhì)（即礦物質(zhì)）兩大類，其中有機(jī)物質(zhì)又分為粗纖維的纖維素和半纖維素、蛋白質(zhì)、果膠和木質(zhì)素；無機(jī)物質(zhì)，即礦物質(zhì)，有氮、磷、鉀、鈣和鎂等元素。

（一）有機(jī)物質(zhì)

1．粗纖維

粗纖維是植物細(xì)胞壁的主要組成成分，包括纖維素、半纖維素、木質(zhì)素及角質(zhì)等成分。

纖維素是構(gòu)成植物細(xì)胞壁的主要成分，是由900～2000個D-葡萄糖分子通過β-1-4糖苷鍵連接而成的長鏈物質(zhì)。纖維素的化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，不溶于水，僅能吸水膨脹，也不溶于稀酸、稀堿，在強(qiáng)酸作用下才能發(fā)生水解成為葡萄糖。多數(shù)動物消化道中的酶不能水解β-1-4糖苷鍵，瘤胃中某些細(xì)菌分泌的纖維分解酶可拆斷糖苷鍵。

半纖維素也是植物細(xì)胞壁的主要構(gòu)成成分之一，是葡萄糖、果糖、木糖、甘露糖和阿拉伯糖等聚合而成的異質(zhì)多糖，是一種苯丙基衍生物的聚合物。半纖維素的化學(xué)性質(zhì)不如纖維素穩(wěn)定，可溶于稀堿，在稀酸作用下便可水解產(chǎn)生戊糖和己糖。動物消化道中的酶不能水解半纖維素，而消化道中細(xì)菌所分泌的纖維分解酶和半纖維分解酶可水解它。其過程：

粗纖維是草食動物的主要能源物質(zhì)，它所提供的能量可滿足草食動物維持能量消耗。

粗纖維體積大，吸水性強(qiáng)，不易消化，可充填胃腸容積，使動物食后有飽腹感。粗纖維可刺激消化道黏膜，促進(jìn)胃腸蠕動、消化液的分泌和糞便的排出。單胃動物的胃和小腸不分泌纖維素分解酶和半纖維分解酶，因此飼料中的纖維素和半纖維素不能被其消化吸收。反芻動物的瘤胃是消化粗纖維的主要器官。飼料粗纖維進(jìn)入瘤胃后，被瘤胃細(xì)菌降解為乙酸、丙酸和丁酸等揮發(fā)性脂肪酸，同時產(chǎn)生甲烷、氫氣和二氧化碳等氣體。分解后的揮發(fā)性脂肪酸大部分可直接被瘤胃壁迅速吸收，然后由血液輸送至肝臟。在肝臟中，丙酸轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸烟牵瑓⑴c葡萄糖代謝；丁酸轉(zhuǎn)變?yōu)橐宜幔宜犭S身體循環(huán)到各組織中參加三羧酸循環(huán)，氧化釋放能量供給動物體需要，同時也產(chǎn)生二氧化碳和水，還有部分乙酸被輸送至乳腺，用以合成乳脂肪，所產(chǎn)生的氣體以尾氣等方式排出體外。瘤胃中未被降解的粗纖維通過小腸到達(dá)結(jié)腸與盲腸中，部分粗纖維又被細(xì)菌降解為揮發(fā)性脂肪酸及氣體。揮發(fā)性脂肪酸可被腸壁吸收參加機(jī)體代謝，氣體排出體外。因此，現(xiàn)代畜牧生產(chǎn)中，秸稈飼料化是發(fā)展循環(huán)農(nóng)業(yè)的良好途徑。

2．蛋白質(zhì)

蛋白質(zhì)是由一條或多條多肽鏈經(jīng)折疊而成的生物大分子，每一條多肽鏈由20至數(shù)百個氨基酸殘基按一定的順序排列而成。蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，沒有蛋白質(zhì)就沒有生命。

蛋白質(zhì)是構(gòu)成動物體的最基本物質(zhì)。動物體表的被毛、角、蹄、喙都是由角蛋白與膠質(zhì)蛋白構(gòu)成的。動物的皮膚、肌肉、神經(jīng)、結(jié)締組織、腺體、精子、卵子及心臟、肺臟、肝臟、脾臟、腎臟、胃腸等內(nèi)臟器官，均以蛋白質(zhì)為基本成分。肌肉、肝臟、脾臟等組織器官的干物質(zhì)中含蛋白質(zhì)達(dá)80%以上。動物的新陳代謝過程中，各種組織器官的細(xì)胞在不斷地更新、增殖及損傷后的修補(bǔ)都需要蛋白質(zhì)。

蛋白質(zhì)是酶、激素與抗體的重要成分。酶、激素與抗體都是動物生命活動所必需的調(diào)節(jié)因子。酶本身就是具有特殊催化活性的蛋白質(zhì)，可促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)生化反應(yīng)的順利進(jìn)行。激素中有蛋白質(zhì)或多肽類的激素，如生長激素、催產(chǎn)素等，在新陳代謝中起調(diào)節(jié)作用。抗體被稱為“免疫球蛋白”，在免疫中起著很重要的作用。另外，在運輸脂溶性維生素和參與脂肪代謝、運輸氧以及維持體內(nèi)滲透壓平衡上，蛋白質(zhì)都起著非常重要的作用。

蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)的基礎(chǔ)。遺傳物質(zhì)的載體染色體就是由遺傳物質(zhì)DNA與脂蛋白結(jié)合成為一種復(fù)合體。DNA可以將本身所蘊(yùn)藏的遺傳信息通過復(fù)制遺傳給下一代。同時，在DNA復(fù)制過程中，涉及30多種酶的參與。

蛋白質(zhì)可分解供能。在以下兩種狀態(tài)下，蛋白質(zhì)也可以為生物體供能。第一種，當(dāng)糖類的脂肪不足以為生物體正常的生命活動供能時，組織中蛋白質(zhì)的分解速度加快，為生物體供能；第二種，當(dāng)攝入的蛋白質(zhì)過量或蛋白質(zhì)品質(zhì)不佳時，多余的氨基酸經(jīng)脫氨基作用后，將不含氮的部分氧化供能或轉(zhuǎn)化為體脂肪儲存起來，以備能量不足時之用。

3．果膠

果膠主要存在于植物細(xì)胞壁間隙，其次在細(xì)胞壁組成中也含有一些果膠。它是半乳糖醛酸單位與鼠李糖單位的聚合物，可被熱水或冷水浸出而成膠狀物，在水中形成膠態(tài)溶液。動物消化道分泌的酶不能使其水解，但在微生物作用下可被消化。因此實際飼養(yǎng)中，可用來防治犢牛等幼齡動物的腹瀉。

4．木質(zhì)素

木質(zhì)素實質(zhì)上并不是碳水化合物，而是苯的衍生物。它與半纖維素或纖維素伴隨存在，共同作為植物細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)物質(zhì)。其主要存在于植物的木質(zhì)化部分，如種子夾殼、玉米芯及根莖、葉的纖維化部分。木質(zhì)素不溶于水和常見的有機(jī)溶劑，酸堿均不能使其分解。動物消化道中的酶不能分解木質(zhì)素，微生物中也僅有好氧菌和真菌可裂解木質(zhì)素的化學(xué)鍵。用堿處理高纖維飼料秸稈等，可破壞半纖維素與木質(zhì)素的聯(lián)系，從而改善動物對半纖維素的消化。

（二）礦物質(zhì)營養(yǎng)

礦物質(zhì)是植物和動物的生長與發(fā)育所必需的，是組成植物體和動物組織器官的主要成分，并在物質(zhì)代謝中起著重要調(diào)節(jié)作用。

1．氮的營養(yǎng)功能

植物生長需要多種元素，而氮素尤為重要。從世界范圍看，在所有必需營養(yǎng)元素中，氮是限制植物生長和形成產(chǎn)量的首要因素。氮是作物體內(nèi)許多有機(jī)化合物（蛋白質(zhì)、核酸、葉綠素、酶、維生素、生物堿等）的組分。氮素也是一些維生素（如維生素B1、維生素B2、維生素B6、維生素PP等）的組分，而生物堿（如煙堿、茶堿、膽堿等）和生物激素（如細(xì)胞分裂素、赤霉素等）也都含有氮，這些含氮化合物在植物體內(nèi)含量雖不多，但對調(diào)節(jié)某些生理過程卻很重要。例如維生素PP，它包括煙酸和煙酸胺都含有雜環(huán)氮的吡啶，吡啶是生物體內(nèi)輔酶Ⅰ和輔酶Ⅱ的組分，而輔酶又是多種脫氫酶所必需的。總之，氮對植物生命活動以及作物產(chǎn)量和品質(zhì)均有極其重要的作用。

2．磷的營養(yǎng)功能

能量是生物體維持正常生命活動的動力，在生物體內(nèi)的能量代謝中，磷是ADP和ATP的重要成分，在能量儲存和傳遞過程中起著重要作用。

磷還是DNA、RNA和輔酶Ⅰ、輔酶Ⅱ的成分，與遺傳有關(guān)。磷以磷酸根的形式參與糖的氧化和酵解、參與脂肪酸的氧化和蛋白質(zhì)的分解等多種物質(zhì)代謝。磷是植物體內(nèi)許多重要有機(jī)化合物的組分，動物體內(nèi)中的磷約有80%構(gòu)成骨骼和牙齒。磷對作物高產(chǎn)及保持品種的優(yōu)良特性有明顯作用，另外磷也是細(xì)胞膜和血液中緩沖物質(zhì)的組分。

3．鈣的營養(yǎng)功能

鈣對生物膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定作用在植物對離子的選擇性吸收、生長、衰老、信息傳遞以及植物的抗逆性等方面有著重要的作用，同時鈣可穩(wěn)固細(xì)胞壁；促進(jìn)細(xì)胞伸長和根系生長；參與第二信使傳遞；調(diào)節(jié)液泡中陰陽離子的滲透平衡等營養(yǎng)功能。

動物體內(nèi)的鈣約有99%構(gòu)成骨骸和牙齒。鈣在維持神經(jīng)和肌肉正常功能中起抑制神經(jīng)和肌肉興奮性的作用。當(dāng)血鈣含量低于正常水平時，神經(jīng)和肌肉興奮性增強(qiáng)，引起動物抽搐。鈣可促進(jìn)凝血酶的致活，參與正常血凝過程；鈣是多種酶的活化劑或抑制劑；鈣能激活肌纖凝蛋白——ATP酶與卵磷脂酶，能抑制烯醇化酶與二肪酶的活性。

當(dāng)動物體內(nèi)缺鈣時，其癥狀與缺磷相似。然而，鈣過量也會對動物的生產(chǎn)性能造成影響。反芻動物食入過量鈣時，可抑制瘤胃微生物的活動而降低日糧的消化率；單胃動物食入過量鈣時，脂肪消化率會下降，磷、鎂、鐵、錳的代謝也會下降。

4．鉀的營養(yǎng)功能

鉀主要分布于動物體液和軟組織中，在維持細(xì)胞內(nèi)滲透壓的穩(wěn)定和調(diào)節(jié)酸堿平衡上起著重要作用。鉀參與蛋白質(zhì)和糖的代謝；鉀可促進(jìn)神經(jīng)和肌肉興奮性。植物性飼料，尤其是幼嫩植物中含鉀豐富，一般情況下動物飼料中不會缺鉀。鉀過量會影響鈉、鎂的吸收，甚至引起“缺鎂痙攣癥”。

5．鈉與氯的營養(yǎng)功能

鈉和氯的主要作用是維持動物細(xì)胞外液滲透壓和調(diào)節(jié)酸堿平衡。鈉也可促進(jìn)神經(jīng)和肌肉興奮性，并參與神經(jīng)沖動的傳遞；以碳酸鹽形式存在的鈉抑制反芻動物瘤胃中產(chǎn)生過多的酸，為瘤胃微生物活動創(chuàng)造適宜環(huán)境。氯為胃液鹽酸的成分，能激活胃蛋白酶，活化唾液淀粉酶，有助于消化；鹽酸可保持胃液呈酸性，具有殺菌作用。

6．鎂的營養(yǎng)功能

動物體內(nèi)約有70%的鎂參與骨骼和牙齒的構(gòu)成。鎂具有抑制神經(jīng)和肌肉興奮性及維持心臟正常功能的作用；鎂還是焦磷酸酶、膽堿酪酶、二磷酸腺苷酶和輔酶等多種酶的活化劑，從而影響3種有機(jī)物的代謝；鎂也參與遺傳物質(zhì)DNA和RNA的合成。

非反芻動物需鎂量低，約占日糧的0.05%，一般飼料均能滿足需要。實際飼養(yǎng)中，鎂缺乏癥主要見于反芻功物（乳牛、肉牛和綿羊等）。反芻動物缺鎂癥可分為兩種類型：—種類型是長期喂食缺鎂口糧，以致體內(nèi)儲存的鎂消耗殆盡而發(fā)生缺鎂癥。主要癥狀為痙攣，故也稱其為“缺鎂痙攣癥”。這種類型的缺鎂癥主要發(fā)生于土壤中缺鎂地區(qū)的牛犢和羔羊。另一種類型是早春放牧的反芻動物，由于采食含鎂量低（低于干物質(zhì)的0.2%）、吸收率也低（平均17%）的青牧草而發(fā)生缺鎂癥，稱為“草痙攣”。主要表現(xiàn)為神經(jīng)過敏、肌肉痙攣、呼吸弱、抽搐甚至死亡。鎂過量可使動物中毒，主要表現(xiàn)昏睡、運動失調(diào)、拉稀、采食量下降、生產(chǎn)力降低、嚴(yán)重時死亡。

秸稈作為農(nóng)副產(chǎn)品，是一種有用的資源。秸稈中的有機(jī)質(zhì)含量平均為15%，平均含碳44.22%、氮0.63%、磷0.25%、鉀1.44%，還含有鎂、鈣、硫及其他重要的微量元素，這些都是農(nóng)作物生長所必需的營養(yǎng)元素。秸稈中含有的碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪、木質(zhì)素、醇類、醛、酮和有機(jī)酸等，大都可被微生物分解利用，經(jīng)過處理后可加工成飼料供動物食用。

二、農(nóng)作物秸稈常見利用方式帶來不良影響

（一）農(nóng)作物秸稈常見利用方式——焚燒

很長的時間內(nèi)，在我國農(nóng)村，尤其是中西部的邊遠(yuǎn)地區(qū)，秸稈一直是必不可少的燃料和牛、養(yǎng)等牲畜的過冬飼料。但是近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)民生活水平和農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度的不斷提高，農(nóng)村和城市的差距逐漸縮小和城市化進(jìn)程的推進(jìn)，很多農(nóng)村家庭也開始使用煤、液化氣作為日常家居所需的燃料。

同時，隨著我國經(jīng)濟(jì)來源的多元化，農(nóng)民認(rèn)為收集、翻曬秸稈很麻煩，既占地方，又浪費時間和勞動力，寧愿多買化肥施肥，將省下的時間、精力從事養(yǎng)殖業(yè)、辦企業(yè)或者打工，以增加經(jīng)濟(jì)收入，而將秸稈一燒了之。此外，在河南、陜西等地，夏收夏種季節(jié)性強(qiáng)，勞動力緊張，也是秸稈焚燒的客觀原因之一。而在經(jīng)濟(jì)不是很發(fā)達(dá)的地區(qū)，農(nóng)民由于沒有地方堆放秸稈，而且堆放過多秸稈會滋生細(xì)菌、蚊、蠅，堆積秸稈往往是采取露天放置，在雨水澆濕后，易腐爛，散發(fā)臭味，同時被沖進(jìn)河流中，影響水環(huán)境，危害較大，所以通常只留一年所需的燃料，其余則在田間地頭直接焚燒。

我國有些地區(qū)人均耕地少，復(fù)種指數(shù)高，由于缺少一套成熟、高效、快速、適用的還田技術(shù)，難以一次性直接還田。大部分收割機(jī)機(jī)械收割留茬過高，難以耕種，而手扶拖拉機(jī)難以將秸稈全部深翻入土，給農(nóng)民插秧帶來了困難。所以秸稈還田常常因為翻壓量過大、土壤水分不適、施氮肥不夠、翻壓質(zhì)量不好等技術(shù)原因出現(xiàn)妨礙耕作，影響出苗、燒苗、病蟲害增加等現(xiàn)象。農(nóng)民認(rèn)為秸稈焚燒可以燒死秸稈中的害蟲，有利于下一季稻麥的生長，可以減少農(nóng)藥的使用，但是沒有意識到秸稈焚燒造成的資源浪費和環(huán)境污染。

（二）作物秸稈焚燒的不良影響

（1）浪費資源

作物秸稈中不僅含有大量的纖維素、木質(zhì)素，還含有一定數(shù)量的粗蛋白、粗脂肪、磷、鉀等營養(yǎng)成分和許多微量元素。如果稍微對其進(jìn)行加工，就可以成為很好的飼料。同時，6×108t的秸稈相當(dāng)于3×107t氮肥、7×107t鉀肥、7×106t磷肥，約為全國每年化肥施用量的1/4。在田間焚燒農(nóng)作物秸稈，僅能利用所含鉀的40%，其余的氮、磷、有機(jī)質(zhì)和熱能則全部損失。

（2）污染環(huán)境且影響交通安全

秸稈焚燒造成濃煙遮天、灰塵懸浮，嚴(yán)重地污染了大氣環(huán)境，是形成霧霾、酸雨、“黑雨”的主要原因之一，特別是剛收割的秸稈尚未干透，經(jīng)不完全燃燒會產(chǎn)生大量的氮氧化物、二氧化硫、碳?xì)浠衔锛盁焿m，氮氧化物和碳?xì)浠衔镌陉柟庾饔孟逻€可能產(chǎn)生二次污染物臭氧等，危害人畜健康，而且直接影響民航、鐵路、高速公路的正常運營。如成都雙流機(jī)場從1996年開始，每逢農(nóng)作物收獲季節(jié)都深受焚燒秸稈的危害，有時機(jī)場的能見度低于400m，嚴(yán)重影響機(jī)場航班的正常起飛和降落。據(jù)統(tǒng)計，于1997年5月14—18日，雙流機(jī)場有10個航班無法降落而不得不降落到其他機(jī)場，有22架進(jìn)出港的航班延誤，滯留旅客1000多人。近年來，由于秸稈焚燒引發(fā)的交通事故呈逐年增多的趨勢。2013年濱海縣檢察院共受理因秸稈焚燒引發(fā)的交通肇事案件達(dá)13起。

（3）引發(fā)火災(zāi)

焚燒秸稈還容易引起火災(zāi)。焚燒秸稈時，由于火勢不容易控制，極易引發(fā)火災(zāi)，可造成大量農(nóng)田林網(wǎng)和地頭路邊樹木被毀，破壞生態(tài)環(huán)境。有的甚至?xí)劤缮只馂?zāi)，威脅油庫、糧庫、通訊設(shè)施和高壓輸電線的安全。

（4）損傷地力

土壤中含有對農(nóng)作物有益的微生物。絕大多數(shù)土壤微生物在15～40℃活動范圍內(nèi)活性最強(qiáng)，對促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的礦質(zhì)化、加速養(yǎng)分的釋放、改善植物養(yǎng)分供應(yīng)起著重要的作用。表層土壤過火后，地下5cm處的溫度可達(dá)65～90℃，高溫危害土壤中的微生物，從而影響農(nóng)作物養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和供應(yīng)，導(dǎo)致土壤肥力下降。另外，由于秸稈中的有機(jī)物質(zhì)和氮素養(yǎng)分在焚燒過程中喪失殆盡，只留下一些鉀素和較多不溶性的磷素，很難被作物吸收。焚燒秸稈使土壤鹽堿度增高，種子發(fā)芽率也隨之降低。

（5）危害周圍生態(tài)植物

秸稈焚燒使地溫升高，加速地下害蟲的孵化，土壤堿性升高，使施入土壤中的農(nóng)藥失效，造成地下害蟲增多，對幼苗的生長形成危害。還會引起鳥類、蛇類的遷逃，蟲害、鼠害加重，使農(nóng)田生態(tài)惡化。總而言之，秸稈焚燒嚴(yán)重地影響了我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)及人們的生活、健康。

如何充分有效地處理并利用廢棄植物纖維，合理利用農(nóng)業(yè)資源，防治農(nóng)業(yè)污染，改善環(huán)境，使國民形成一種循環(huán)節(jié)約利用生物質(zhì)資源以保護(hù)環(huán)境的意識，具有十分重要而深遠(yuǎn)的意義。近年來，國內(nèi)外農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用技術(shù)和相關(guān)的研究項目有了較大的發(fā)展，農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用正在進(jìn)入科學(xué)化的新階段。合理利用和推廣這些技術(shù)，必將產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會效益。