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东北大学硕士学位论文 苄基化改性稻草的降解性能试验研究 摘要 本研究利用经典的醚化改性反应对稻草进行化学改性，使其转化为具有一定 热塑性商分子材料。以n a o h 作润胀剂及催化剂，氯化苄作醚化剂，甲苯作溶剂， 季铵盐作相转移催化n ( e r c ) ，对稻草进行了苄基化改性。使苄基化稻草的微观结 构有了很大改变，部分消除稻草的极性，将其改性为一种热塑性材料。 为了检测苄基化改性稻草的降解性能，采用生物降解方法以及光降解方法， 与天然稻草降解速率进行比较。 其中生物降解检测方法是从土壤里提取菌源，经过平板稀释法，以苄基化改 性稻草为唯一碳源，在3 0 ( 2 下的生化培养箱中，进行恒温培养，经过3 天，提纯 并分离能降解纤维素的微生物，分别制作以天然稻草与苄基化改性稻草为唯一碳 源的营养液，在3 0 c 恒温箱中振荡培养，然后，利用3 ，5 一二硝基水杨酸比色法 测量溶液中所含有的还原糖，在5 4 0 r i m 波长下测定光密度值，查对标准曲线并计 算，便可求出样品中还原糖的含量。试验测得微生物在天然稻草中产生的葡萄糖 含量高于苄基化改性稻草。 光降解是利用英国产的q u v 耐候加速仪u v a 3 4 0 ，它是用来估测材料暴露 在室外环境时的相对的耐久性，经过几百个小时达到在自然环境中几星期甚至几 个月的降解效果。通过天然稻草与苄基化改性稻草的失重率的比较。得出苄基化 改性稻草的降解能力：经过6 0 0 小时的紫外照射，苄基化改性稻草的失重率达到 1 3 5 左右，而天然稻草的失重率达到1 3 左右。在最初的3 5 0 小时内，苄基化 改性稻草失重率较迅速，而后，失重率减缓。而天然稻草在商最初的2 5 0 小时内， 失重率较迅速，而后，失重率减缓。 、 最后经过红外光谱的检靼劬在用红外光谱法对生物降解以及光降解的天然稻 草与苄基化改性稻草测定中，发现稻草粉中部分羟基己被取代发生了醚化改性。 改性后的稻草木质素含量有了明显的降低。随着降解的进行，脂肪族化合物的开 始分解，并且这一过程伴随着脱甲基反应的发生。纤维素、半纤维素、糖类及其 它碳水化合物开始分解，并且s i 0 2 等无机物朐逐渐形成和积累。 ll 关键词稻草纤维素生物降解光降解红外光谱 查苎垄主壁主整兰燕墨垒婪婴 e x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho nd e g r a d a t i o n a b s t r a c t t h ec h e m i c a lp r o c e s sf o rm o d i f i c a t i o no f e a l l d o s i cm a t e r i a l s 隰sa p p l i e dt of l e e s t r a wt ot r a n s f o r mi ti n t ot h e r m o p l a s t i cm a t e r i a lt h eb e n z y l a t i o no fd r vw a sc a r d e d o u tw i t hn a o h 柱8p r e s w e l l i n ga g e n ta n dc a t a l y s t , b a n z y lc h l o r i d ea se t h e r i f y i n ga g e n t ， b e n z y lc h l o r i d ea 5e l 黟m ga g e n ta n dq u a t e r n a r ya m m o n i u ms a l ta sp h a s et r a n s f e r c a t a l y s t i tw a s f o u n dt h a tt h eb e n z y l a t e ds t l wh a db e t t e rt h e r m o p l a s t i c i t ya n dt h et i n y s t r u c t u r ew a s c h g e dt or e s u l ti nl o wp o l a r i t y , f o re x a m i n ed e g r a d a t i o ni x 锄o r m a n c eo f b e r m y l a t e ds 口a wt oc o m p a r ew i t ht h a to f n a t u r es t r a w , i tw i l lt a k e sb ym e a r t so f b i o d e g r a d a t i o na n dp h o t o d e g m d a t i o n t h ew a yo f b i o d a g r a d a t i o ni sd i s t i l lm i c r o b ef r o ms o i l ，a n du s ef l a tp l a t ed i l u t i o n ， a n da d o p tb a n z 罩l a t e ds t r a wa su n i q u ec a r b o ns o u r c e ，洫b i o c h e m i c a li n c u b a t o ra t3 0 c ， h o l d i n ge o n s l a n tt e m p e r a t u r ec u l t i v a t i o n , a f t e r3d a y s , p u r i f ya n dd i s j o l nm i c r o b e w h i c hg a i tb r e a ku pc e l l u l o s e s e p a r a t et u a k eu pn u t r i e n ts o l u t i o nw h i c hb e n z t l a t e d s t r a w u n i q u ec a r b o ns o u r c ea n dn a t u r es t r a wa su n i q u ec a r b o ns 0 1 a c e ，p u tt h e mi n t o c o n s t a n tt e m p e r a t u r ec a b i n e ts h a k i n gc u l t i v a t i o no l l3 0 c ，t h e n ，u s ec o l o r i m e t r i c m e t h o db y3 , 5 - d i n i t r o s a l i c y l i ca c i dm e l s u r er e d u c i n gs u g a ri ns o l u t i o n a s s a yi t s o p t i c a ld e n s i t yi n5 4 0n mw a v e t a n g t h c h e c ks t a n d a r dc u i - v ea n dc a l c u l a t e ，t h e nc a l l y i e l d t h ed a t eo f r e d u c i n gs u g a r o fs a m p l e t h ea b i l i t yo f g e n e r a t eg l u c o s eo f n a t u r e d u r a b i l i t yo f m a t e r i a l se x p o s e dt ot h eo u t d o o re n v i r o n m e n t i na f e wd a y so rw e e k s ，t h e q u v c a n p r o d u c ed a m a g et h a t 赫g h to c c u ro v e rm o n t h so ry e a r so fo u t d o o re x p o s u r e 。 c o m p a r e n a t u r es t r a wa n d b e n z y l a t e ds t r a w w i t h t h ed a t e o f w e i # t l o s s a c o n c l u s i o n o fd e g r a d a t i o np e r f o r m a n c eo fb e n z y l a t e ds wc a l lb em a d e ：a f t e ru ve x p o s t m e6 0 0 h o u r s ，t h ed a t eo f w e i g h tl o s so f b e n z y l a t e ds 蝻wi sa b o u t1 3 5 ，t h ed a t eo f w e i g h t 璀 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t l o s so fn a t u l 七s t r a wi sa b o u t1 3 1 1 1 ee f f e c to fw e i g h tl o s so fb e n z y l a t e ds t r a wi s s h a r p e ri nt h ef i r s t3 5 0h o u r s t h e ni ts l o wd o w n 日l ce f f e c to fw e i g h tl o s so f i i a t u r e s 仃a wi ss h a r p e ri nt h ef i r s t2 5 0h o u r s t h e ni ts l o wd o w n i nt h ee n d ，i tt a k e si n f r a r e ds p e c t r u ma n a l y s i s m e a s u r i n gn a t u r es t r a wa n d b e n z y l a t e ds t r a ww h i c hh a v eb e e nb i o d e g r a d e da n dp h o t od e g r a d e db y i n f r a r e d s p e c t r o m e t r y , w ec a nf i n dt h a tap a r to fh y d r o x y lh a sb e e nr e p l a c e da n de t h e r i f i e d c o n t e n to fl i g n i ni nm o d i f i e ds t r a wh a sr e d u c e d d u r i n gt h ep r o c e s so fd e g r a d a t i o n ， a l i p h a t i ec o m p o u n db e g i n t ob r e a ku pw i t hm i s s i n gm e t h y l c e l l u l o s e ，h e m i c e l l u l o s e ， s a c c h a r i d ea n do t h e rc a r b o h y d r a t eb e g i nt ob r e a ku p ，a n ds i 0 2e t cm i n e r a lg r o wu pa n d p i l e u p k e yw o r d ss t r a w , c e l l u l o s e ，b i o d e g r a d a t i o n ，p h o t o d e g r a d a t i o n ，i n f i a r e ds p e c t r u m i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 了水 e t 期： 矽艿，7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 稻草中主要成分 1 1 1 秸秆的组成、结构和性质 一般情况下，作物秸秆中除了绝大部分碳之外，还含有钾、硅、氮、钙、镁、 磷等元素( 见表1 1 ) ，有机质有纤维素、半纤维素、木质索、蛋白质、氨基酸【1 】 等( 见表l ，2 ) 。这些物质都可以作为资源加以利用。 表1 1 几种作锈秸秆中元素成分( ) ! ! ! ! ：! ! 生巴! ! 垒垡婴磐瞍丝2 21 1 鲤巴! 墅业2 11 巴匹丝2 壁耋婪里k里!m g墨i 水稻o 6 0o 0 91 0 0o 1 40 1 2o 0 27 9 9 小麦 大豆 油菜 o 5 0 1 9 3 o 5 2 表1 2 几种作物秸秆中的有机成分( ) ：! 坠坦! ：i! ：垒宝2 疆! ! 堑! 竺j 艘壁垒竺垡墼磐2 坚鲤垡! 罂毯坠! 种类灰分纤维素脂肪蛋白质木质素 秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素三大部分组成。在农作物秸秆中稻草 秸秆中纤维素的含量较高，达3 9 2 1 ( 见表1 3 ) 。 7 一般情况下，稻草和其它一些农作物秸秆中还含有一些无机成分，在无机成 分中碳占大部分，约为4 0 ，其次为钾、硅、钙、镁、磷、硫等元素( 见表1 ，4 ) 。 5 5 = 一 帅 一 眈盯 o o o h 舛轮 o o o绍跖：会 o 1 o 奶 o o o 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 表1 3 纤维素、半纤维素、木质素在农作物中的比例( ) 坠! 生! ：! ! ! ! ! 堂坚! ! ! ! ! 竺! ：! ! 罂垫：! 竺坐! ! 坦些! 翌些! 苎兰垡! i 墅2 种类半纤维素纤维素木质素 表1 4主要农作物秸秆的化学组成 2 丝! ：! ! ! ! 磐鲤! ! 磐堑! ! 业磐p 塑 垡磐! ! ! 竺p 堡塑壁堑塑堑堡鱼量( 点望量塑 主产物粗纤维灰分果胶质纤维素半纤维素木质素 稻草 小麦 玉米 大豆 3 5 61 3 3 9 3 6 76 0 40 3 0 2 9 34 6 60 4 5 3 8 7 3 2 0 3 0 5 3 4 0 3 3 o 2 4 0 2 3 5 3 7 5 1 8 5 1 2 5 0 1 8 o o 2 2 o o 1 1 2 稻草的主要组成物p - 7 i 因为纤维素、木质素和半纤维素是稻草的主要组成物，也是本文主要研究的 对象，所以以下对这三种物质作详尽的分析。 a 、纤维素 纤维素( c e l l u l o s e ) 是最丰富的天然产生的有机化合物，它作为高等植物细 胞壁的主要构成物，至少包含了世界上植物材质的三分之一的数量。这些植物材 质中纤维素的含量是随植物的不同而不同的。 纯纤维素经过分析表明，它有一个与无水葡萄糖相同的分子式c 6 h 1 0 0 5 。有 大量的证据表明，纤维素实际上是一种高分子量的无水葡萄糖化合物。尤其值得 提出的是，纤维素通过有控制的水解反应可以生成纤维二糖、纤维三糖、纤维四 糖，它们分别含有两个、三个和四个无水葡萄糖单元。完全水解将会得到含量高 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 表1 3 纤维素、半纤维素、本质素在农作物中的比例( ) 望皇生! ：三! 坠：! 塑! 坚型竺! 竺! ：! i 巳! 呈：翌竺堡! 竺竺! 竺! 望生! 些竺! i 兰2 种类半纤维素纤维素木质素 表1 4主要农作物秸秆的化学组成 ! 兰塾堡! ：! 墅坠坚些! 翌丝型塑磐p 塑i 垡些2 1 竺巳 堡堂堂塑堑丝宣量( 点些量塑 主产物粗纤维灰分果胶质纤维素 半纤维素木质素 稻草 小麦 玉米 大豆 3 5 61 3 3 9 3 6 76 0 40 3 0 2 9 34 6 60 4 5 3 8 7 3 20 3 0 5 3 4 0 3 3 o 2 4 o 2 3 5 3 7 5 1 8 5 1 2 5 0 1 8 0 0 2 2 0 0 1 1 2 稻草的主要组成物1 3 - 7 1 因为纤维素、木质索和半纤维素是稻草的主要组成物，也是本文主要研究的 对象，所以以下对这三种物质作详尽的分析。 a 、纤维素 纤维素( c e l l u l o s e ) 是最丰富的天然产生的有机化合物，它作为高等植物细 胞壁的主要构成物，至少包含了世界上植物村质的三分之一的数量。这些植物材 质中纤维素的含量是随植物的不同而不同的。 纯纤维素经过分析表明，它有一个与无水葡萄耱相同的分子式c 6 h l 0 0 5 。有 大量的证据表明，纤维素实际上是一种高分子量的无水葡萄糖化合物。尤其值得 提出的是，纤维素通过有控制的水解反应可以生成纤维二糖、纤维三糖、纤维四 糖，它们分别含有两个、三个和四个无水葡萄糖单元。完全水解将会得到含量高 糖，它们分别含有两个、三个和四个无水葡萄糖单元。完全水解将会得到含量高 东北大学硕士学位论文第一章绪论 过a 一偶联，是一种逐步降解的产物，这就证明，纤维素分子是由许多无水葡萄糖 单元通过b - 葡萄糖疳连接方式而连接在一起的。 通过研究纤维素的结构使人们预料到，其分子基本上应是伸展的和线型的， 并且能够以结晶状态存在。这是由x 射线资料所确认的，这些资料表明，纤维素 晶胞的重复单元与纤维二糖分子的重复单元是一致的，如下，n 为聚合度i s ： 根据x 射线衍射的研究，认为纤维索是由葡萄糖残基组成的单位格子构成。 此种单位格子称为晶格。纤维素即由这些晶格组成的结晶区和无定形区组成。在 晶格中，相邻较近的葡萄糖残基的两羟基之间形成氢键。如图1 1 所示【9 1 。在纤 维素中，氢键主要是横向的链锁，这使纤维素间的结合力增加。在纤维素的无定 形区，仅仅亲水的羟基部分为氢所束缚。由于无定形区内纤维素链分子的排列无 一定形状，其间不规则的间隙也多，彼此结合力较弱，酶及酸分子能在其中自由 渗透，因而较易于水解。 纤维素分子 纤维素分子 图1 1两个纤维素分子之间的氢键结合 f i g 1 1 t h eh y d r o g e nb o n d so f t w oc e l l u l o s em o l e c u l e s b 、木质素 木质素( 1 i g n i n ) 是植物细胞壁的主要成分之一，主要存在于细胞次生壁和初 胞间层中。是一种复杂的芳香族物质，属于天然的高分子聚合物，它的分子量很 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 大，约为8 0 0 1 0 ，0 0 0 。木质素的结构很复杂，不同植物的木质素，他的结构单 元是不同的。目前，对木质素大分子的结构，许多学者的研究，基本上确定了它 是由若干苯丙烷单元构成的高分子聚合物。它是由苯核和丙烷衍生物的侧链组成， 接近苯核的碳原子叫做a 一碳原子，其它依次为p 一碳原子，t 一碳原子。 lp c 一c h 。- - c h 2 于 a 芦丫 其中木质素结构单元主要以醚键相连。因此可以与很多化学试剂发生各种化 学反应，在碱处理过程中它与碱蒸煮起反应，木质素的结构发生了变化，生成不 同形式的降解产物，使木质素从植物原料中溶解出来，纤维素得到分离。 c 、半纤维素 半纤维素o a e m i e e l l u l o s e ) 又称为非纤维素的碳水化合物。经过多年来的研究确 定，他是一群由两种或两种以上( 极少是一种) 单糖基和糖醛酸基构成的往往具 有支链的不均聚糖的总称。包括葡萄糖、木糖、甘露糖、阿拉伯糖与半乳糖等。 半纤维索的聚合度一般为1 5 0 2 0 0 ，分子链很短，有较短的分支。不同植物来源 的半纤维素在糖分组成和结构方面虽存在差异，但禾本科植物半纤维素结构是以 3 - 1 ，4 糖菅键联结的d 一吡喃木糖为主链，在主链的c 3 和c 2 上分别连有l 一 呋喃式阿拉伯糖基和d 一吡喃式葡萄醛酸基作为支链【1 0 1 。由此可见，半纤维素和 纤维素的结构有很大的差别，半纤维素是具有支链的不均聚糖，而纤维素是只由 d - 葡萄糖基组成的直链结构的均一聚糖。 1 1 3 秸秆的加工方法及其机理 一般秸秆的加工方法分为三类【1 1 】，第一种为物理方法，包括切短、粉碎、揉 搓、热喷和制粒等；第二种为化学处理方法，即利用一些化学物质对秸秆进行浸 泡或喷洒处理。碱化，氨化，氧化剂处理，糖化及酸处理都属于化学法。常用的 有碱法和氨化；第三类为生物处理方法，包括青贮和微贮。 1 1 3 1 物理加工方法 物理加工方法包括粉碎、热喷处理、高压蒸煮及膨化技术。粉碎方法简单易 行在我国农村有较长的历史。通过改变秸秆长度和硬度等，增加其表面积使之更 易与反刍家畜瘤胃微生物接触，从而提高其消化率。秸秆经过切短或粉碎处理后， 更利于家畜咀嚼和提高家畜采食量并可减少采食过程中的能耗和饲喂过程中的饲 _ d 东北大学项士学位论文第一章绪论 料浪费。同时秸秆饲料的物理加工是其它加工方法的基础和前提，通过物理加工 之后，化学和生物加工处理更易发挥作用。研究表明，秸秆并非粉碎的越细越好， 粉碎粒度过细，不利于家畜咀嚼、反刍，同时，也缩短了秸秆在胃中停留时间， 不利于秸秆的消化。热喷处理将物料装入热喷机内，通过热饱和蒸汽，经过一定 时间的高压热处理后，突然降压喷爆而把物料喷射从来，形成犹如爆米花似的产 物，经处理后的物料，色、香、昧等物理性质发生变化，消化率提高5 0 ，利用 率提高2 3 倍。高压蒸煮处理秸秆等纤维物质，可以消除纤维细胞壁表面角质层 与硅细胞对消化上的阻抑，迅速除去有害物质，使其熟化，变疏松，明显提高其 消化率。膨化技术可破坏有妨碍养分分解的硅酸盐和木质素，具体方法是将物料 放入密封容器中，采用蒸汽加压、电加压、燃烧加热或电子加热等；边加热边压 缩加压，当温度为2 0 0 3 0 0 加热5 3 0 小时，解除压力后便可成为膨化饲料。 但是，物理方法仅能改变秸秆的某些物理特性，对于粗饲料营养价值的提高作用 不大，秸秆的粗纤维含量也未实质性的减少，因而，其适喂对象也仅限于反刍动 物，其在日粮中的添加量也有很大的局限性。 1 1 3 2 化学处理方法 碱处理【1 2 ”】包括用氢氧化钠，氢氧化钙等溶液浸泡秸秆或喷洒于秸秆表面。 碱化处理可以打开纤维素、半纤维素和木质素之间的酯键，使纤维素膨胀，有利 于瘤胃液渗入从而提高其消化率。氨化技术是将氨水、无机氨和尿素等呈碱性并 含氨的物质加到秸秆中浸泡。氨可起碱化作用破坏木质素与纤维素、半纤维素的 结合状态，氨还可以与秸秆中的有机物生成铵盐，可作为反刍家畜瘤胃微生物的 氮素来源被利用合成氨基酸并进一步合成菌体蛋白，最后，氨与秸秆中的有机酸 结合，可消除其潜在的酸性，这样可提高瘤胃微生物的活性并提高秸秆饲料的消 化率，而且可以提高其适口性和粗蛋白含量。 1 1 3 3 微生物处理方法 秸秆的微生物处理方法包括青贮、微贮发酵、酶解等 1 4 - 1 7 1 。青贮是在厌氧环 境中大量繁殖乳酸菌，乳酸积累到了一定浓度抑制了腐败菌的生长，秸秆得以长 期保存。秸秆的微贮是指在适宜的条件下，以秸秆为基质进行微生物发酵，微生 物在生长过程中分泌出多种高效的胞内或胞外酶，将大分子、难消化的秸秆纤维 素降解为小分子、易消化的单糖或多糖。由于微生物酶系和酶种改变了秸秆的化 学结构，降解秸秆中的纤维素和木质素为低分子的单糖或低聚糖，转变秸秆中的 不可溶性碳水化舍物，从而从根本上解决了饲料原料问题，拓宽了秸秆的饲喂范 围，它不仅适用于反刍动物，而且也适用于猪、鸡等单胃动物。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 本课题研究的意义以及内容简述 1 2 1 本课题研究的意义 天然植物纤维是地球上最丰富的可再生资源【哺】，它以各种形式广泛存在于自 然界中，如常见的稻草秸秆、麦秸秆、甘蔗渣、玉米秸秆、棉杆以及林产废弃物 如木屑、锯末等等，他们主要的成分就是纤维素 t 9 1 ，一个多世纪 即1 8 3 8 年) 前， 法国科学家a n s e l m ep a y e n 【2 0 】对大量植物细胞经过详细的分析发现具有相同的物 质时，他把这种物质命名为纤维素( c e l l u l o s e ) 。自此以后国际上采用这一命名沿 用至今。据统计，全球每年经过光合作用产生的有机物以千重计约1 6 4 1 0 1 0 吨【2 1 1 。 当前，石油、煤等石化能源的有限性迫使人们致力于各种新能源的开发，其中， 转化利用植物纤维素这种巨大的可再生的资源以提供人们所需的能源及其它化工 产品，成为世界上许多国家正在积极探索的重要课题 2 2 1 ，纤维素目前除用于纺织、 造纸、塑料等传统行业外，还在食品化工，日用化工，医药，建筑，油田化学与 生物化学等领域也得到了广泛的利用。另据报道田也s l ，世界上纤维素酯类的产量 约为8 0 万吨年、纤维素醚类的总产量也才达到4 0 万吨年的水平，如此小的利 用规模与纤维素巨大的储量相比非常的微不足道，因此，如何进一步有效地利用 纤维素资源，开拓纤维素在新技术、新材料、新能源中的应用，成为国内外科学 家竞相开展的研究课题。 我国的纤维素物质相当丰富，仅农业生产中形成的农作物农副产品秸秆资源 就约有6 亿吨 2 6 1 ，这些大量的农作物秸秆既没有充分得到能量利用，又对环境造 成污染，而随着广大人民群众生活水平的提高，农村对秸秆的传统利用方式( 作 为燃料) 正在发生变化，秸秆在一些地区出现大量剩余，且剩余量越来越多，秸 秆成了一种农业废弃物。然而作物秸秆的燃烧值非常低，只有4 2 0 0 卡克，只有 甲烷的3 2 ，乙醇的5 5 ，因此直接作为燃料浪费是非常大的，并且也污染环境 b ”。而秸秆是农作物进行光合作用所形成的副产品，含有多种可被利用的有用成 分。加强对农业废弃物的纤维素的转化利用研究，研究探索农作物秸秆具有高附 加值的工业化利用就尤其具有深远的意义1 2 8 2 9 1 。 以纤维素为基质制造降解材料具有多方面的优势：( 1 ) 纤维素本身无毒，尤其 制造出的降解材料将有广泛的使用范围。( 2 ) 纤维素是地球上一种可再生的绿色材 料资源，不仅可有效提高农林生产的经济效益，还对缓解以有限资源石油为 原料的现有塑料工业继续发展过程中的资源枯竭，产生积极作用。( 3 ) 纤维素分子 6 东北大学硕士学位论文第一幸f l e e 中含有许多的羟基，具有多种化学反应性能，接枝改性后可制造出不同性能的材 料，以满足不同的生产生活需求。 为此，本研究拟从稻草秸秆出发，采用适当的预处理技术，并经过氯化苄的 醚化，从而高效的提取其中的纤维素。借纤维素半日q 性煦骨架主链结构提高抗剪 切性能。为研制类性能与功能都很好的新型纤维索功能材料提供素材。通过对 苄基化的稻草的生物降解和光降解以及红外光谱的分析研究，说明此改性稻草具 有实际的应用价值。 1 2 2 本课题研究内容 ( 1 ) 用n a o h 水溶液进行预处理，通过以著名的w i l l i a m s o n 醚化反应为理论基 础来进行秸秆改性。目的是对其中的纤维素、木质素及半纤维素进行有效的分离。 ( 2 ) 从土壤里提取并培养降解纤维素的微生物，利用天然稻草以及苄基化改性稻 草制作唯一碳源培养基，对比天然稻草与苄基化改性稻草的降解速度。 ( 3 ) 利用紫外光进行对天然稻草以及苄基化改链稻草的降解，对比天然稻草与苄 基化改性稻草的降解速度。 ( 4 ) 利用分光光度法、失重法以及红外光谱法对比天然稻草与苄基化改性稻草的 降解速度。 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 2 1 降解方式 式。 第二章文献综述 纤维素在自然环境中具有生物降解和酸催化降解以及光致链断裂降解多种方 2 1 1 生物降解 纤维素是生物、微生物及细菌的滋生物和食品，但以人类的丢弃物为降解对 象的主要是真菌( 黑曲霉、黄曲霉、毛壳霉) 、细菌( 铜绿色假单孢菌、蜡样芽孢杆 菌、棒状细菌) 、放射菌( 链霉菌) 【3 0 】。生物降解材料是指在一定条件下，自然界中 的生物或微生物分泌的酶以及细菌均可作用于物质，使之分化而降解。由于降解 材料的生物降解性能不同，又分为生物完全降解和生物破坏降解两种。 2 1 2 化学降解 纤维素对多种化学试剂都有不同的化学作用，有机酸或无机酸大都对纤维素 分子中的糖苷键具有催化水解作用，产生小分子的单糖，二糖等。虽然纤维素对 碱比较稳定，但在较强的无机碱存在下，也能发生碱催化水解，使纤维素糖苷键 部分断裂，产生新的还原性端基，随纤维素分子聚合度降低而降解。 氧化剂如分子氧、次氯酸盐、铬酸盐、高锰酸盐等对纤维素都具有氧化破坏 作用。特别是分子氧在一些金属离子( 铜、钴、铁、钒等) 的催化作用下，能使纤 维素氧化为小分子的葡糖酸，而镁离子却有保护作用。考虑到对“白色垃圾”实施 化学降解的成本和二次污染等问题1 3 “，目前国内外有关这方面的研究成果还不多 见。 2 1 3 光降解 光降解材料指在紫外线作用下，聚合链能有序进行分解的材料。光降解材料 的制作技术有合成型和添加型两种。前者在聚合过程中，引入光敏基或光敏分子 到聚合物的主链上，后者是在聚合物的加工成型过程中添加光敏物质。目前，纤 维素自身的光降解已经进行了许多研究，纤维素光降解机制是分子吸收光能量引 罐- 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 起聚合糖苷键的初始断裂和糖环与分子氧的氧化分解。断链过程产生木糖、葡糖、 纤维二糖，氧化分解过程产生乙醇、乙酸、二氧化碳、水。 2 1 4 热降解 造纸工业中规定了两种纸和纸板干热老化标准方法，主要应用于纸或纸板的 老化研究。塑料工业中规定的塑料制品老化标准方法有热空气老化法、热湿空气 老化法等。 热空气老化法主要是将试样置于一定条件的气体中( 空气、氮气、氧气等) ， 研究试样在定温度下的降解行为。这是一种较理想化的试样方法，可以较快地 揭示试样在受热条件下的降解规律。但结果较理论化，与实际降解环境相差较大。 湿热空气老化法主要是在一定湿度、温度下对试样进行降解研究。模拟性较 热空气老化法强。 2 1 5 机械降解 合成塑料以及纤维素材料都可进行机械处理如压轧、粉碎。机械处理过程中 处理以上材料时，大分子结构受到破坏，表现出强度下降，聚合度降低。但机械 降解只能做到材料表观的破坏性降解。从节约资源、废旧利用方面上，机械降解 是塑料降解的最理想途径。然而考虑到塑料材料的废弃物分拣、集中、回收、净 化、处理等工序的复杂性和经济效益。塑料的机械降解仍不是当前普遍采用的措 施和方法。 2 1 6 光一生物双降解 光一生物双降解材料就是将光降解和生物降解两种机制相结合的一种新型材 料品种。双重降解机制在材料降解过程中同时起作用，可以达到降解彻底、甚至 降解过程可人为控制的目的。这种方法不仅仅克服了无光照或光照不足而造成的 不易降解或降解不彻底的缺陷，而且还克服了生物降解材料加工复杂、成本较高、 不易推广的弊端，因而是近年来降解材料中发展较快的一个研究方向。 2 2 微生物催化降解的必要条件1 3 2 1 微生物催化生物降解过程发生的必要条件有： ( 1 ) 存在含有某种降解酶的微生物。存在具有适当代谢潜力的微生物是必须的， 但不足以保证生物降解发生。 9 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 ( 2 ) 微生物必须在目标化合物出现的环境中出现，尽管微生物存在于接近地表的 所有环境中，但并非在特定环境中都存在具有适宜酶系统的微生物。 ( 3 ) 化合物必须是具有适宜酶的微生物可获得的。许多化合物在含有降解微生物 的环境中长期存在，原因是微生物没有接近这些化合物的途径，如化合物与微生 物处于不同的微环境中，化合物处于非水溶剂中或吸附于土壤表面。 ( 4 ) 如果产生降解的启动酶是胞外酶，酶作用的化学键必须暴露以利于催化作用 发生，这种条件并不是总能满足，因为许多有机物会发生吸附。 ( 5 ) 催化起始降解的酶如果是胞内酶，化合物分子则必须进入细胞内部的酶作用 位点，或者胞外反应产物进入细胞内部进行进一步降解。 ( 6 ) 由于能作用于多种合成化合物的细菌或真菌种群或生物量起始浓度较低，环 境条件必须适合具有活性潜力的微生物增殖。 2 3 影响生物降解的因素 影响微生物降解的因素【3 3 蚓主要包括微生物自身的活性、目标化合物的特征 及环境条件的特点。 2 3 1 微生物的活性 微生物的活性取决于微生物的种类、生长状态、环境因素等。不同种类的微 生物对同一底物，如有机物或重金属的适应能力及分解或转化能力是不同的。处 于不同生长期的微生物分解和( 或) 转化污染物的能力也有很大差别。微生物在生长 最快的对数期，代谢最旺盛，活性最强，分解或转化污染物的能力也最强。 微生物的适应与驯化对其降解能力及活性也有重要影响。通过适应过程，一 些较难降的物质能诱导降解酶的合成，或由于自发突变而建立新的酶系，或不改 变基因型，但显篾改变其表现型，进行自我调节来降解转化污染物。 2 3 2 目标化合物特征 通常，结构简单、分子质量小的化合物比结构复杂、分子质量大的化合物易 降鳃，聚合物和复合物较难生物降解。如烃类化合物一般是链烃比环烃易降解， 不饱和烃比饱和烃易降解，直链烃比支链烃易降解，支链烃基越多越难降解。碳 原予上的氢都被烃基或芳基取代时，会形成生物阻抗性物质。 对一些特殊化合物而言，确定污染物质生物降解性及降解生成产物具有重要 的应用意义。但迄今为止只建立了几种化合物结构对其生物降解性影响的一般规 1 0 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 律，时常有例外情况，建立一般规律难度很大，还需要进行许多研究工作。 目标化合物的浓度对其生物降解也有重要影响，有些低浓度易降解的物质在高 浓度时会抑制微生物的活性，导致降解速率降低甚至停止。有些物质，如重金属类 本身对多数微生物有毒，较难被微生物转化。 2 3 3 环境因素 微生物具有一般生物所共有的生命活动规律，但又有它们特殊的地方，比较 突出的是微生物营养和代谢的多样性。 微生物细胞构造简单，没有像高等生物那样具有特殊分化的营养器官，丽是 依靠整个细胞表面直接与周围环境接触来吸收养料；另外，微生物的种类多，各 种微生物对营养的要求也不同。例如，有的微生物只要极简单的无机物便能生存； 有的则要求复杂的有机营养物质；还有一些微生物需要维生素、氨基酸等才能生 长；又有的( 如病毒) 对营养要求很严格，必须在活的细胞或组织内才能生长。 尽管不同微生物对营养的要求有很大差异，但是它们需要的基本营养，如水、 碳源、氮源、无机盐、生长因素和能源等却是一致的。 微生物的种类很多，在培养时，应当给予哪些养料呢? 分析微生物细胞成分， 见表2 1 ，可以了解微生物在培养过程中所庸需要的基本营养与其细胞的主要成分 。， 有关。 q 表2 1 微生物细胞成分 t 矗b l e2 1t h ec e l lc o n s t i t u e n to fm i c r o b e 由上表可见，水在微生物细胞中含量很大，从元素来说，碳、氢、氧、氮的 含量最多。其中氢、氧主要是水的组成成分，碳、氮则是构成细胞的重要元素。 微生物基本营养的功能除了构成菌体细胞外，还有： 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 1 ) 提供代谢产物的原料： 2 ) 提供生命活动所需要的能量； 3 ) 调节新陈代谢。 那么，微生物的基本营养究竟是哪些物质，又有什么具体的作用呢? 2 3 3 1 碳源 凡是可被微生物用来构成细胞质或代谢产物中碳架来源的营养物质通称碳源 物质。碳源物质通过微生物的分解利用，不仅为菌体本身的合成提供碳架来源， 还可为生命活动提供能量，碳源也往往可作为能源。微生物细胞物质及其代谢产 物几乎都含有碳，所以微生物对碳源的需求量最大，是微生物所需的最基本的营 养要素。可做微生物碳源的物质极为广泛，种类很多。常用的有糖类、醇类、脂 类、有机酸、烃类、蛋白质及其降解产物。微生物种类不同，利用这些含碳物的 能力也不同。 微生物生长除需要碳源外，还需要一些营养元素，如氮、磷、硫、镁等。 2 3 3 2 氮源 凡能被微生物用于构成细胞物质和代谢产物中氮素来源的营养物称为氮源。 它是微生物发酵中使用的主要原料之一，其主要功能是构成微生物细胞和含氮的 代谢产物，当培养基中碳源不足时，可用氮源补充。常见的有机氮源如牛肉膏、 蛋白胨、酵母膏、鱼粉等；常见的无机氮源有各种铵盐、硝酸盐、尿素、氨水等。 2 3 3 3 无机盐 工业发酵中应用的微生物在生长繁殖和产物合成中都需要无机盐和微量元 素。无机盐为微生物生长提供必需的矿质元素。这些元素参与酶的组成、构成酶 活性基，激活酶活性，维持细胞结构的稳定性，调节细胞渗透压，控制细胞的氧 化还原电位，有时可作某些微生物生长的能源物质。由此可见无机盐在调节微生 物生命活动中起着重大作用。常用的无机盐有硫酸盐、磷酸盐、氯化物以及含有 钾、钠、镁、铁等元素的化合物。根据微生物对无机盐的需求量通常将无机盐分 为主要元素和微量元素两类。微量元素需求量极少，因此混杂在水或其它营养物 中的极微数量就足以满足微生物的。无特殊原因，一般配制营养基时没有另加入 的必要。 2 3 3 4 生长因子 生长因子是指某些微生物不能用普通的碳源、氮源物质进行合成，而必须另 外加入少量的生长需求的有机物质。按他们的化学结构分成维生素、氨基酸和嘌 呤( 或嘧啶) 碱基三种，不同的微生物需要不同的生长因子。绝大多数生长因子 1 2 东北大学硕士学住论文第二章文献综述 以辅酶与辅基的形式参与代谢中的酶促反应，少数生长因子还具有其它特殊生理 功能。试验中常用酵母膏、蛋白胨、牛肉膏等 筝为各萃孛生长因子的廉价原料添加 在培养基中，以满足某些微生物对生长因子的需求。 2 。3 3 。5 水 水是微生物最基本的营养物质，它在微生物细胞中含量达7 0 9 0 。水是微 生物体内和体外的溶媒，绝大多数营养成分通过水来溶解和吸收，代谢物通过水 进行排泄。水是细胞质组分，直接参与各种代谢活动。此外水的比热高，传热快， 有利调节细胞温度和保持环境温度的稳定。 此外，有些微生物没有能力合成足够数量的生长所需的氨基酸、嘌岭、嘧啶 和维生素等特殊有机物。如果环境中这些营养成分一种或几种供应不足，微生物 降解污染物的过程则会受到限制。 2 t 3 3 。6 温度 在影响微生物生长的众多因素之中，温度是最重要的因素之一。温度的高低 与发酵中的酶反应速率、氧气在培养基中的溶解度和传递速率、菌体生长速率和 产物合成速率等有密切关系。温度的影响包括有利和不利两个方面。有利方面是 随着温度上升，细胞新陈代谢速率加快，生长比较迅速：不利方面是随着温度升 高，组成细胞的蛋白质、核酸等对高温敏感的大分子会遭受不可逆的破坏。由此 可见，微生物只能在一定的温度范围内生长，过高或过低的温度都不利用微生物 的生长。 温度影响酶反应动力学、微生物生长速度及化合物的溶解度等，对控制污染 物的降解或转化起关键作用。温度对微生物的生理活动的影响主要反映在两个方 面：一是随着温度在一定范围内升高，细胞中的生物化学反应加快，增殖速率也 加快；二是细胞组成物质，如蛋白质、核酸等对温度很敏感，如果温度大幅度升 高并超过一定限度，会使微生物组织遭到不可逆破坏。不同种类的微生物对温度 的适应能力有很大差别，生物处理中应用的微生物根据处理目标、工艺的不同种 类瞧不同。 2 3 3 7 p h 值 微生物的生命活动、物质代谢与p h 值有密切关系。发酵培养基魄p h 值对微生 物的生长具有非常明显的影响，也是影响发酵过程中各种酶活性的重要因素。由 于郴值不当，可能严重影响菌体的生长和产物的合成，对微生物发酵来说各自的 最适生长p h 值。不同的微生物要求不同的p h 值，过高或过低的p h 值对微生物是不 刹的，因为p h 值的改变可引起微生物表面的电荷改变，进而影响微生物对营养物 1 3 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 的吸收，它还能影响培养基中有机化合物的离子化作用，从而对微生物有间接影 响。酶只有在最适用的p h 值时才能发挥其最大活性，不适宜的p h 值时使酶的活性 降低，进而影响微生物细胞内的生物化学过程。此外，过高或过低的p h 值都降低 微生物对高温的抵抗能力。大多数微生物生长的都有最适p h 值范围及其变化的上 下限，上限都是在8 5 左右，超过此上限，微生物将无法忍受而自溶，下限以酵母 为最低，是2 5 。但菌体的p h 值一般认为是在中性附近。 大多数微生物的适宜p h 值为4 9 ，过高或过低的p h 值均会抑制微生物的活 性。般细菌和放线菌喜欢中性或微碱性环境，酸性条件有利于簿菌及酵母菌的 生长。溶液酸碱性同时也会影响污染物的性质，从而影响其降解过程。 2 3 3 8 氧气 溶解氧是需氧发酵控制的最重要参数之一。氧气在水中的溶解度很小，所以 需要不断通气和搅拌，才能满足溶解氧的要求。溶解氧浓度的大小对菌体生长和 产物的性质及其产量都会产生不同的影响。但是需氧发酵并不是溶解氧愈大愈好。 溶解氧虽然有利于菌体生长和产物合成，但溶解氧太大有时反而抑制产物的形成， 因为，为避免发酵处于限氧条件下，须要考查每一种发酵产物的i 临界氧浓度和最 适氧浓度，并使发酵过程保持在最适浓度。 微生物降解转化污染物的过程可以是好氧的，也可以是厌氧的或兼性的。环 境溶解氧条件、氧化还原电位的变化，会带来微生物种类及其呼吸方式的变化。 充足的溶解氧( 分子氧) 有利于促进好氧分解过程的进行。绝对厌氧分