农作物秸秆通常指小麦、水稻、玉米、薯类、油菜、棉花、甘蔗和其他农作物（通常为粗粮）收获籽实后的剩余部分[1]。我国的农作物秸秆产量高、品种丰富。农作物秸秆可为反刍动物提供大量的营养物质，但是饲料利用率较低。为有效提高农作物秸秆饲料化利用率，可以采用化学处理法、物理处理法和生物处理法[2-6]处理农作物秸秆。生物处理法是当前农作物秸秆的最佳处理方式，能够充分提高其营养价值，减少秸秆饲料的资源浪费。文章阐述农作物秸秆的生物发酵机理与发酵方式，为利用生物发酵技术推进秸秆饲料化进程、提高农作物秸秆使用量、避免资源浪费提供参考。1农作物秸秆的化学性质农作物秸秆中的木质纤维素残留物蕴藏巨大的能量潜力[7-8]。但在秸秆细胞壁中，纤维素以高度结晶、有序的微纤维形式组成细胞壁骨架结构的核心；半纤维素和木质素共价连接并嵌套于细胞壁骨架结构中，使瘤胃微生物降解纤维素的酶无法直接接触纤维素，限制了动物瘤胃中纤维素的分解[9-10]。秸秆主要由高度木质化的细胞壁组成，占干物质的80%，其中包括纤维素、半纤维素和木质素（比例为4∶3∶3），其他部分由含氮化合物和灰分组成。谷物秸秆含70%以上的碳水化合物，可通过瘤胃中的微生物发酵加以利用。秸秆中含有足够的纤维素，但蛋白质含量低（2.5%~6.0%），木质素含量高（7%~14%）。秸秆含有（以干物质计）有机质（OM）85%~94%、粗蛋白（CP）2.5%~5.0%、粗纤维（CF）40%~44%、无氮浸出物（NFE）45%~46%、钙0.16%~0.22%、磷0.05%~0.14%。秸秆中化学成分和所含能量见表1[11-12]。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.02.033.T001表1秸秆中化学成分和所含能量种类细胞壁组成/(g/kg DM)能量/(MJ/kg DM)细胞壁半纤维素纤维素木质素总能消化能代谢能小麦秸秆80036039010018.07.56.2水稻秸秆7902603307016.77.56.2大麦秸秆8102704407016.37.56.1高粱秸秆74030031011018.411.39.1植物细胞壁含有3种结构多糖，即纤维素、半纤维素和果胶多糖。秸秆中多糖组成以纤维素和木聚糖为主，含有少量的甘露糖、半乳糖和果胶成分的多糖。纤维素由结晶和无定形结构组成。结晶度直接影响纤维素的分解速度，结晶度越高，微生物降解的速度越慢。秸秆中的纤维素虽然可被反刍动物利用，但其消化率受到高度木质化的限制。木质素结构十分稳定，不易被降解消化；木质素与纤维素、半纤维素紧密结合，能够防止多余水分和有毒有害物质进入细胞内部，支持、保护植物细胞生长；纤维素结构骨架中填充木质素，可增强植物体的机械强度，促进组织间水分输送，抵抗外界不利环境因素的干扰和侵袭[13]。秸秆的消化率范围为40%~50%。木质素是影响动物消化率的唯一因素[14]。因此，去除木质素已成为有效利用其中碳水化合物的先决条件，适当的处理方式可有效提高饲用价值。2农作物秸秆的生物发酵与发酵菌种2.1农作物秸秆的生物发酵法作为当前农作物秸秆的最佳处理方式，生物处理法能够充分提高其营养价值，减少秸秆饲料的资源浪费。生物处理法主要针对秸秆木质纤维素的复合结构，提高纤维素组分的可及性，进而提高其消化率和饲料价值。因此，采用生物法选择性地降解木质素在提高劣质粗饲料的利用方面具有极其重要的意义[15-16]。生物发酵秸秆饲料是在秸秆饲料中添加具有特异性的活菌制剂。在封闭的厌氧环境中，微生物生长繁殖并分泌各种酶，可破坏秸秆不易消化的细胞壁结构，释放与木质素交联的纤维素和半纤维素；暴露了秸秆细胞壁中可利用的碳水化合物等营养物质，增加了纤维素与消化液接触的机会，促进瘤胃微生物的发酵，提高瘤胃秸秆饲料的利用率[17-18]。菌体自身生物量的增长可提高真蛋白的含量。大量菌株能够发酵不同的作物残留物（小麦秸秆、橄榄磨固体废物、马德克竹、含鞣质胡枝子植物、油棕叶等）以生产改良的动物饲料。常用发酵生物包括细菌、酵母、放线菌、小型丝状真菌、食用菌等。2.2生物发酵常用菌种2.2.1生物发酵常用真菌真菌发酵指常用木腐菌分解木质素，是真菌类生物发酵分解农作秸秆的主要方式。木腐菌能够定植于不同的植物残体并增加底物的消化率。因此，高木质素分解能力、低纤维素和半纤维素降解能力是理想木腐菌的决定因素。其中，酵母菌、腐菌、白腐菌、软腐菌等质素分解真菌在秸秆木质素降解中效果较为理想。褐腐担子菌主要为腐殖质，无法有效裂解木质素的芳环。当木质素被少量改性或降解时，它们可以完全降解木材，导致纤维素和半纤维素迅速解聚，腐烂的残留物变成灰色[19-20]。白腐菌能够在不影响大部分纤维素和半纤维素的情况下降解木质素，使腐烂的残留物变白[21]。白腐菌分解未改变的木质素聚合物，导致木质素间键断裂和芳环断裂。白腐菌主要通过纤维素酶和木聚糖酶等水解酶降解多糖，通过木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶等氧化性木质素分解酶降解木质素[22]。软腐菌将木质素分解后呈水状，分解木材细胞壁组织中的纤维素、半纤维素和木质素，使长链大分子断裂，还可消化胞腔中的内含物的淀粉、糖类等作为养料，破坏木材组织[23-24]。2.2.2生物发酵常用细菌秸秆中加入发酵菌种，秸秆中分解纤维素的细菌数量大大增加。在适宜温度、湿度和密闭厌氧条件下，秸秆中的纤维素、半纤维素和木质素大量降解生成糖分，转化为乳酸和挥发性脂肪酸，pH值降至4.5~5.0，抑制有害菌和腐败菌的繁殖。能够分解纤维素的细菌并不多，主要包括生孢纤维黏菌、纤维黏菌和纤维杆菌，此外还有产黄纤维单胞菌、弯曲高温单胞菌、嗜热梭菌、白色瘤胃球菌、纤维弧菌、恶臭假单胞菌等[25-26]。嗜热纤维梭状芽孢杆菌是一种嗜热、纤维素降解能力极强的严格厌氧革兰氏阳性细菌。其降解纤维素的机制与真菌不同，通过附着于膜上形成超分子（纤维小体）以及游离于培养基当中的纤维素酶共同完成对纤维素的高效降解[27]。生孢噬纤维黏菌属胶质黏杆菌，在贫瘠的环境中可完全降解结晶纤维素。在以硝酸盐为氮源、滤纸为唯一碳源的培养基上处理5~7 d，生孢噬纤维黏菌可在滤纸上分解黏液并形成孔洞[28]。2.2.3生物发酵常用霉菌霉菌能够分泌纤维素酶分解纤维素和半纤维素，在秸秆等粗饲料的发酵以及固态发酵细菌蛋白质的生产中发挥重要作用。可应用于生物发酵的霉菌主要包括青霉、根霉、木霉、曲霉[29-32]。青霉和曲霉均为常见属。降解木质素主要通过木质素降解酶的分泌，使木质素分子的侧链氧化脱甲基化，进而使芳香环断裂，形成一些小分子片段。体视显微镜下不同降解时间样品的颜色等微观变化可作为降解程度的标志。H2O2在木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶发挥木质素的降解作用中起到关键的启动作用[33]。绿色木霉是具有高活性的纤维素酶，可在富含木质素和纤维素的基质上快速生长、迅速扩散，具有很强的纤维素分解能力。从多环芳烃的降解原理出发，木霉兼具细菌与木质素真菌的特点。与其他微生物相比，木霉对高分子多环芳烃耐受性强，对底物特异性要求低，可承受高浓度重金属、氰化物、农药等多种污染物胁迫，短期内对多环芳烃降解效率高[34]。2.3农作物秸秆的生物发酵方式固态发酵（SSF）指固体基质在受控条件下被已知的生物菌株或混合培养物分解，是目前农作物秸秆生物处理法最主要的发酵方式，旨在生产高质量的标准化产品（不同于堆肥）[35]。SSF是一个多因素事件，其中生物菌株、酶、底物的物理结构、培养和营养条件在控制发酵底物的木质素降解和消化率方面起到重要作用[36]。当产物应用于反刍动物营养时，提高木质素消化率是生物转化过程的最终目标；但在促进木质素底物分解的同时，必须最大限度地提高木质素分子的降解速度和降解特异性，避免多糖消耗。因此，在固态发酵体系中合理综合使用复合菌种、酶或复合酶进行处理，可保证在木质素基质中释放营养物质，同时伴随可消化物质积累，产生富含微生物蛋白质的最终产品[37]。研究表明，利用生物菌株处理秸秆，半纤维素、纤维素分别降低6.98%、3.34%[38]，在瘤胃中的有效降解率提高64.70%[39]，干物质和粗纤维的降解率提高10.6%~18.8%[40]。单独添加酶或细菌可提高秸秆中纤维素的转化效率，酶与细菌的相互作用可更加有效地提高秸秆的饲料价值。3生物发酵对农作物秸秆瘤胃消化率的影响秸秆的消化率取决于其结构碳水化合物的展开与聚合。秸秆中大分子的酶促降解将导致碳水化合物的降解和消化率增加。在大多数研究中[41-42]，DM损失为6%~40%，主要取决于所使用的微生物、发酵时间、底物类型和环境条件。Sharma等[43]使用皂角苷强化白腐真菌处理小麦秸秆后，干物质瘤胃消化率增加50%。Zhao等[21]在高效白腐菌对玉米秸秆的发酵和发酵持续时间对瘤胃消化率的研究中发现，28 d的木质素降解率和瘤胃干物质消化率达到最佳，发酵玉米秸秆的总挥发性脂肪酸浓度和总产气量显著降低。Hu等[44]测试瘤胃球菌属、糖化发酵菌属、假丁酸弧菌属、密螺旋体、和瘤胃杆菌属菌类等复合微生物菌群和酶共同发酵的玉米秸秆对瘤胃消化率的影响，发现相对新鲜秸秆，与复合微生物菌群和酶共同发酵的秸秆瘤胃消化率显著上升，即挥发性脂肪酸浓度、碳水化合物分解率及饲料能量转换效率均显著上升，菌群的丰富度显著提高。因此，生物发酵可改善劣质秸秆的利用率。4生物发酵技术存在的问题目前，秸秆的生物发酵技术仍存在一些技术限制和挑战。生物处理过程中有机物损失无法避免。为减少干物质损失，建议将6~8 d的SSF作为发酵的最长时间[45-46]。经济与技术因素导致生物处理方法无法在田野实践下优化。未来的研究方向大致为：（1）筛选有效生物菌株以改善秸秆降解，减少碳水化合物损失（如专性高效木质纤维素降解菌株）[47-48]；（2）分离鉴定自然界中选择性和高度木质素裂解的菌株，培养并将其应用于木质素酶的商业生产[45,49-50]；（3）对木质素裂解菌株进行基因编辑的生物技术手段，增加降解木质素特异性，使细胞壁碳水化合物不受影响。5结论利用生物发酵技术可以提高农作物秸秆的利用率，可以缓解我国秸秆资源浪费和环境污染现状，对实现农业的可持续发展具有重大意义。