第三章 不同生物質資源概述

第一節 植物纖維性廢棄資源概述

據估計，地球上每年光合作用生產的生物質量高達1.5×1011～2.0×1011t，其中11%（約1.6×1010t）是由耕地和草原產生的，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均變為廢棄物。在4×109t產品中，經過加工最后供人類直接使用的僅有大約3.6×108t，每年生產的廢棄物（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資源數量之少，而被浪費掉的資源數量卻很大，人類有待于開發利用被浪費的各種資源，并將其轉化為食品或飼料。

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物質，其中營養物質主要為非纖維成分的細胞內容物和纖維成分的細胞壁物質兩大細胞組分的構成物，其主要成分有：半纖維素、纖維素、木質素等有機物質，以及無機硅元素及其他非纖維成分。在農業生產中最普遍、生產量最高的糧食作物小麥秸稈營養成分中，其纖維成分的細胞壁物質占80%，而非纖維成分的細胞內容物僅占20%。其營養成分組成中纖維素占39%、半纖維素物質占36%，木質素占10%，無機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胞壁物質占總營養成分的量高達86%，而細胞內容物僅占營養成分的14%，其中纖維素占39%，半纖維素占9%，木質素占到11%，無機硅元素占22%。其他非纖維成分僅占14%。其他常見作物秸稈的化學組成及營養成分組成如表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外，還含有少量的蛋白質和含脂肪的物質，另外氮、磷、鉀、鎂、鈣、硫等元素都是作物秸稈中含有的營養元素。據測定，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，作物秸稈的營養成分可分為有機物質和無機物質（即礦物質）兩大類，其中有機物質又分為粗纖維的纖維素和半纖維素、蛋白質、果膠和木質素；無機物質，即礦物質，有氮、磷、鉀、鈣和鎂等元素。

（一）有機物質

1．粗纖維

粗纖維是植物細胞壁的主要組成成分，包括纖維素、半纖維素、木質素及角質等成分。

纖維素是構成植物細胞壁的主要成分，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。纖維素的化學性質很穩定，不溶于水，僅能吸水膨脹，也不溶于稀酸、稀堿，在強酸作用下才能發生水解成為葡萄糖。多數動物消化道中的酶不能水解β-1-4糖苷鍵，瘤胃中某些細菌分泌的纖維分解酶可拆斷糖苷鍵。

半纖維素也是植物細胞壁的主要構成成分之一，是葡萄糖、果糖、木糖、甘露糖和阿拉伯糖等聚合而成的異質多糖，是一種苯丙基衍生物的聚合物。半纖維素的化學性質不如纖維素穩定，可溶于稀堿，在稀酸作用下便可水解產生戊糖和己糖。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，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，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。飼料粗纖維進入瘤胃后，被瘤胃細菌降解為乙酸、丙酸和丁酸等揮發性脂肪酸，同時產生甲烷、氫氣和二氧化碳等氣體。分解后的揮發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，丙酸轉變為葡萄糖，參與葡萄糖代謝；丁酸轉變為乙酸，乙酸隨身體循環到各組織中參加三羧酸循環，氧化釋放能量供給動物體需要，同時也產生二氧化碳和水，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結腸與盲腸中，部分粗纖維又被細菌降解為揮發性脂肪酸及氣體。揮發性脂肪酸可被腸壁吸收參加機體代謝，氣體排出體外。因此，現代畜牧生產中，秸稈飼料化是發展循環農業的良好途徑。

2．蛋白質

蛋白質是由一條或多條多肽鏈經折疊而成的生物大分子，每一條多肽鏈由20至數百個氨基酸殘基按一定的順序排列而成。蛋白質是生命的物質基礎，沒有蛋白質就沒有生命。

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

蛋白質是酶、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節因子。酶本身就是具有特殊催化活性的蛋白質，可促進細胞內生化反應的順利進行。激素中有蛋白質或多肽類的激素，如生長激素、催產素等，在新陳代謝中起調節作用。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滲透壓平衡上，蛋白質都起著非常重要的作用。

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

蛋白質可分解供能。在以下兩種狀態下，蛋白質也可以為生物體供能。第一種，當糖類的脂肪不足以為生物體正常的生命活動供能時，組織中蛋白質的分解速度加快，為生物體供能；第二種，當攝入的蛋白質過量或蛋白質品質不佳時，多余的氨基酸經脫氨基作用后，將不含氮的部分氧化供能或轉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胞壁間隙，其次在細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。因此實際飼養中，可用來防治犢牛等幼齡動物的腹瀉。

4．木質素

木質素實質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，共同作為植物細胞壁的結構物質。其主要存在于植物的木質化部分，如種子夾殼、玉米芯及根莖、葉的纖維化部分。木質素不溶于水和常見的有機溶劑，酸堿均不能使其分解。動物消化道中的酶不能分解木質素，微生物中也僅有好氧菌和真菌可裂解木質素的化學鍵。用堿處理高纖維飼料秸稈等，可破壞半纖維素與木質素的聯系，從而改善動物對半纖維素的消化。

（二）礦物質營養

礦物質是植物和動物的生長與發育所必需的，是組成植物體和動物組織器官的主要成分，并在物質代謝中起著重要調節作用。

1．氮的營養功能

植物生長需要多種元素，而氮素尤為重要。從世界范圍看，在所有必需營養元素中，氮是限制植物生長和形成產量的首要因素。氮是作物體內許多有機化合物（蛋白質、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含量雖不多，但對調節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氮的吡啶，吡啶是生物體內輔酶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量和品質均有極其重要的作用。

2．磷的營養功能

能量是生物體維持正常生命活動的動力，在生物體內的能量代謝中，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。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的分解等多種物質代謝。磷是植物體內許多重要有機化合物的組分，動物體內中的磷約有80%構成骨骼和牙齒。磷對作物高產及保持品種的優良特性有明顯作用，另外磷也是細胞膜和血液中緩沖物質的組分。

3．鈣的營養功能

鈣對生物膜結構的穩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，同時鈣可穩固細胞壁；促進細胞伸長和根系生長；參與第二信使傳遞；調節液泡中陰陽離子的滲透平衡等營養功能。

動物體內的鈣約有99%構成骨骸和牙齒。鈣在維持神經和肌肉正常功能中起抑制神經和肌肉興奮性的作用。當血鈣含量低于正常水平時，神經和肌肉興奮性增強，引起動物抽搐。鈣可促進凝血酶的致活，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。

當動物體內缺鈣時，其癥狀與缺磷相似。然而，鈣過量也會對動物的生產性能造成影響。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．鉀的營養功能

鉀主要分布于動物體液和軟組織中，在維持細胞內滲透壓的穩定和調節酸堿平衡上起著重要作用。鉀參與蛋白質和糖的代謝；鉀可促進神經和肌肉興奮性。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．鈉與氯的營養功能

鈉和氯的主要作用是維持動物細胞外液滲透壓和調節酸堿平衡。鈉也可促進神經和肌肉興奮性，并參與神經沖動的傳遞；以碳酸鹽形式存在的鈉抑制反芻動物瘤胃中產生過多的酸，為瘤胃微生物活動創造適宜環境。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．鎂的營養功能

動物體內約有70%的鎂參與骨骼和牙齒的構成。鎂具有抑制神經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種有機物的代謝；鎂也參與遺傳物質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，以致體內儲存的鎂消耗殆盡而發生缺鎂癥。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生于土壤中缺鎂地區的牛犢和羔羊。另一種類型是早春放牧的反芻動物，由于采食含鎂量低（低于干物質的0.2%）、吸收率也低（平均17%）的青牧草而發生缺鎂癥，稱為“草痙攣”。主要表現為神經過敏、肌肉痙攣、呼吸弱、抽搐甚至死亡。鎂過量可使動物中毒，主要表現昏睡、運動失調、拉稀、采食量下降、生產力降低、嚴重時死亡。

秸稈作為農副產品，是一種有用的資源。秸稈中的有機質含量平均為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，這些都是農作物生長所必需的營養元素。秸稈中含有的碳水化合物、蛋白質、脂肪、木質素、醇類、醛、酮和有機酸等，大都可被微生物分解利用，經過處理后可加工成飼料供動物食用。

二、農作物秸稈常見利用方式帶來不良影響

（一）農作物秸稈常見利用方式——焚燒

很長的時間內，在我國農村，尤其是中西部的邊遠地區，秸稈一直是必不可少的燃料和牛、養等牲畜的過冬飼料。但是近年來，隨著經濟的發展，農民生活水平和農業機械化程度的不斷提高，農村和城市的差距逐漸縮小和城市化進程的推進，很多農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，隨著我國經濟來源的多元化，農民認為收集、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、精力從事養殖業、辦企業或者打工，以增加經濟收入，而將秸稈一燒了之。此外，在河南、陜西等地，夏收夏種季節性強，勞動力緊張，也是秸稈焚燒的客觀原因之一。而在經濟不是很發達的地區，農民由于沒有地方堆放秸稈，而且堆放過多秸稈會滋生細菌、蚊、蠅，堆積秸稈往往是采取露天放置，在雨水澆濕后，易腐爛，散發臭味，同時被沖進河流中，影響水環境，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。

我國有些地區人均耕地少，復種指數高，由于缺少一套成熟、高效、快速、適用的還田技術，難以一次性直接還田。大部分收割機機械收割留茬過高，難以耕種，而手扶拖拉機難以將秸稈全部深翻入土，給農民插秧帶來了困難。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、翻壓質量不好等技術原因出現妨礙耕作，影響出苗、燒苗、病蟲害增加等現象。農民認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，可以減少農藥的使用，但是沒有意識到秸稈焚燒造成的資源浪費和環境污染。

（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、木質素，還含有一定數量的粗蛋白、粗脂肪、磷、鉀等營養成分和許多微量元素。如果稍微對其進行加工，就可以成為很好的飼料。同時，6×108t的秸稈相當于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。在田間焚燒農作物秸稈，僅能利用所含鉀的40%，其余的氮、磷、有機質和熱能則全部損失。

（2）污染環境且影響交通安全

秸稈焚燒造成濃煙遮天、灰塵懸浮，嚴重地污染了大氣環境，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，經不完全燃燒會產生大量的氮氧化物、二氧化硫、碳氫化合物及煙塵，氮氧化物和碳氫化合物在陽光作用下還可能產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。如成都雙流機場從1996年開始，每逢農作物收獲季節都深受焚燒秸稈的危害，有時機場的能見度低于400m，嚴重影響機場航班的正常起飛和降落。據統計，于1997年5月14—18日，雙流機場有10個航班無法降落而不得不降落到其他機場，有22架進出港的航班延誤，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的交通肇事案件達13起。

（3）引發火災

焚燒秸稈還容易引起火災。焚燒秸稈時，由于火勢不容易控制，極易引發火災，可造成大量農田林網和地頭路邊樹木被毀，破壞生態環境。有的甚至會釀成森林火災，威脅油庫、糧庫、通訊設施和高壓輸電線的安全。

（4）損傷地力

土壤中含有對農作物有益的微生物。絕大多數土壤微生物在15～40℃活動范圍內活性最強，對促進土壤有機質的礦質化、加速養分的釋放、改善植物養分供應起著重要的作用。表層土壤過火后，地下5cm處的溫度可達65～90℃，高溫危害土壤中的微生物，從而影響農作物養分的轉化和供應，導致土壤肥力下降。另外，由于秸稈中的有機物質和氮素養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，種子發芽率也隨之降低。

（5）危害周圍生態植物

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，使農田生態惡化。總而言之，秸稈焚燒嚴重地影響了我國的經濟建設及人們的生活、健康。

如何充分有效地處理并利用廢棄植物纖維，合理利用農業資源，防治農業污染，改善環境，使國民形成一種循環節約利用生物質資源以保護環境的意識，具有十分重要而深遠的意義。近年來，國內外農業廢棄物的資源化利用技術和相關的研究項目有了較大的發展，農業廢棄物的資源化利用正在進入科學化的新階段。合理利用和推廣這些技術，必將產生良好的經濟、生態和社會效益。