1. 研究目的与意义

我国是一个能源短缺的国家，也是生物质资源大国。据统计，中国每年产生农作物秸秆总量约7亿吨，除部分用于造纸、饲料以及造肥还田外，还有约3.7亿吨秸秆被当做废弃物肆意烧毁，导致严重的大气污染并有可能引发火灾，从而影响高速公路与民航的运行安全，危及人生安全和健康，造成资源浪费。

农作物秸秆是一种重要的富含有机质（80%~90%）的生物质能源。因此，利用现代技术将作物秸秆转化为高效、清洁的能源沼气，对缓解我国常规能源紧张状况，促进社会经济的可持续发展和生态环境的改善都具有重要意义。

近年来，随着农作物秸秆沼气发酵的不断发展，沼气发酵后的残余物资源也越来越丰富，其主要由沼液和沼渣两部分组成，沼渣是由部分未分解的原料和新生的微生物菌体组成，分为3个部分：一是有机质、腐殖酸，对改良土壤起着重要作用；二是氮、磷、钾等元素，满足作物生长需要；三是未腐熟原料，施入农田继续发酵，释放肥。目前其用途仅限于用作肥料，配制培养土和制作营养料。沼液与沼渣相比，虽然养分含量不高，但其养分主要是速效性养分。这是因为发酵物长期浸泡水中，一些可溶性养分自固相转入液相，提高了速效养分含量。通过研究发酵后剩余物的结构与化学成分，有利于其综合利用。

2. 国内外研究现状分析

1、发酵后剩余物化学成分的研究进展

沼气发酵产物，亦称沼气肥，是沼气发酵液（即沼气肥水）和沉渣（即沼气渣肥）的总称。沼气肥含有丰富的养分，特别是含有多种水溶性养分，是一种速效性的优质肥料。因为沼气肥中的一部分养分和有机质已转变为腐殖酸类物质，所以它又是一种速效和迟效兼备的优质有机肥料。由于发酵原料的配比不同，沼气肥养分含量有一定差异，一般沼气肥的主要养分含量，见下表：

谢涛在农村沼气发酵及其残余物主要化学成分评价研究中，通过对沼气发酵残余物中所含植物营养元素（有机质、全氮、全磷、全钾、有效氮、有效磷、有效钾、Ca、Mg、Fe、Mn）以及重金属（Cu、Zn、As、Hg、Cd、Pb、Cr）的测定，发现在沼气发酵残液里，上述营养物质中全氮、全钾、水溶性氮、水溶性钾含量较高，而Ca、Mg、Fe、Mn的含量相对较低。和沼气发酵残夜相比，沼渣中全氮、全磷、Ca、Mg、Fe、Mn的含量明显升高，在11种营养物质中，有机质、全氮、全磷的含量较大，全钾的含量最低。同时根据相应标准对沼液和沼渣综合利用的安全性能进行评价。

霍翠英、吴树彪、郭建斌等通过液质联用、核磁共振等技术，首次定量分析了猪粪发酵沼液中植物激素和喹啉类成分，确定沼液中存在三大类植物激素：吲哚乙酸、赤霉素（GA₄、GA₁₉、GA₅₃）、细胞分裂素iPR,含量分别为332μgL^-1，0.857μgL^-1,1.47μgL^-1,0.271μgL^-1,0.00194μgL^-1;同时分析到沼液内存在喹啉酮类化合物，分别为8-羟基-3，4-二氢喹啉-2-酮和3,4-二氢喹啉-2-酮，在沼液中的含量为737.5μgL^-1和177.5μgL^-1。激素类成分和喹啉类化合物的分离及分析检测，为解释沼液在农业生产中具有抗病促生机理奠定了理论基础。

刘丽雪、陈海涛、韩永俊以反刍动物粪便厌氧发酵生产沼气剩余物沼渣为研究对象，对沼渣的物理成分及沼渣纤维化学成分进行了测定分析，研究结果表明：沼渣主要有质量分数为64%的纤维、35%非矿物质和1%的矿物质组成；沼渣中纤维的长宽比分布范围为3.92-32.14,离散度较大；沼渣纤维中纤维素、半纤维素、木质素、灰分及其它各成分的质量分数分别为44.8%、21.9%、15.6%和17.7%。

孟庆国、赵凤兰等通过柱前衍生气相色谱法测定了7种沼液中的游离蛋白氨基酸。结果表明,沼液中含有多种游离蛋白氨基酸,且含有多种人体必需氨基酸。该测试方法简便、低耗,重现性较好。

2、木质素

2.1木质素厌氧降解机理的研究进展

木质素是由苯丙烷单元通过醚键和碳碳键连接的复杂的无定形高聚物，难以被酸水解，是天然高聚物中最难搞清楚的一个领域。其原因有两个方面，一是木质素的结构单元之间除醚键连接外还有C-C键；另一方面是不可能把整个木质素分子以其完整状态分离出来。典型木质素是由松伯醇、芥子醇和对香豆醇这三种不同的醇作为先体结构物质组成的结构单元。

甲氧基是木质素的特征官能团之一。木质素中的甲氧基直接连接于苯环上，具有相当的稳定性。除甲氧基外，影响木质素的反应性能的主要官能团还有酚羟基、苯甲醇基和羰基等。木质素结构中的酚羟基大部分是以醚的形式与其他的结构单元连接的，只有一小部分是以游离酚羟基形式存在。

木质素的基本结构单元是苯丙烷，即C₉单元，其降解是通过某些真菌和细菌的联合作用，即通过胞外氧化酶和一些非特定的酶进行氧化作用。

P.J.Colberg等人用热碱处理后的木质纤维素（C¹⁴）作为厌氧微生物的唯一碳源，使木质纤维素裂解成不等分子量的碎片，以检测低分子量的芳环木质素衍生物在厌氧环境中的变化。实验发现木质素碎片分子量越低，越易被降解成二氧化碳和CH₄，约有超过30%的木质素被降解为二氧化碳和CH₄。

木质素模型物经厌氧降解主要产生紫丁香酸、阿魏酸和和香草酸等单体，继续分解后会生成二氧化碳和甲烷。这些碎片化的反应都是通过β-O-4键的断裂来完成的。

目前，有些研究者已经从堆肥、反刍动物的胃和白蚁的体内分离出了厌氧降解木质素的微生物，它们对于木质素在厌氧环境中的降解率可高达22%。Colberg等的研究证明木质素在好氧条件下，降解生成小分子水溶性化合物，可作为厌氧微生物潜在的碳源。从活性污泥中分离出的厌氧微生物能够断开低分子木质素的β-0-4键，生成单芳环化合物，有6%的木质素被降解成无机物。有研究认为白蚁体内的厌氧微生物能使木质素发生脱甲基和解聚反应，木质素的无机化程度达到15%，标有¹⁴C的含甲氧基木质素的降解率高达63%。

2.2木质素的波谱性质

①红外光谱

木质素的红外吸收光谱（IR）主要用于木质素化学结构的定性研究，如木质素的结构及其变化，木质素结构中官能团的确定，以及木质素的分类研究等，一般较少用于半定量研究。

由于木质素各种结构单元的复杂性及其连接的无规律性、难以得到单纯的样品，所以用基团理论一般难以解析木质素的红外光谱。木质素红外光谱中各种吸收峰的归属是通过多种方法研究得出的经验结果，木质素重要的红外吸收光带的归属见下表：

波数/(㎝-1)	红外吸收峰归属	波数/(㎝-1)	红外吸收峰归属
3450~3400	羟基伸缩振动	1470~1460	C-H不对称弯曲振动
2940~2820	甲基、亚甲基、次甲基伸缩振动	1430~1425	苯环骨架振动
1715~1710	与苯环非共轭的羰基	1370~1365	C-H对称弯曲振动
1675~1660	与苯环共轭的羰基	1330~1325	紫丁香基环呼吸振动
1605~`1600	苯环骨架振动	1275~1270	愈创木基呼吸振动
1515~1505	苯环骨架振动	1085~1030	C-H,C-O弯曲振动

②核磁共振用于木质素分析

木质素结构的氢谱分析

测定木质素的¹H-NMR光谱必须让木质素能够很好地溶于氘代溶剂中，通常采用氘代氯仿（CD₃Cl）。然而直接将制备的木质素，无论是磨木木质素（MWLs）、酶解木质素(CEL)、各种工业木质素（Technical lignin）,还是酸解木质素都较难溶于溶剂中。木质素没有充分溶解就进行核磁共振测定不仅信号不好，所测定的结果也没有代表性，因此在测定核磁共振氢谱前，一般都需要将木质素乙酰化，以提高其可溶性。

木质素结构的¹³C谱分析

木质素是极其复杂的天然高分子物质，其化学结构非常复杂，核磁共振氢谱的谱宽只有10ppm,信号存在非常严重的重叠，因此用于木质素结构分析非常有限。核磁共振碳谱，有200ppm的谱宽，因此共振信号的重叠减少，可以得出比较详细的木质素结构信息。

核磁共振碳谱分为4类：一类是高去屏蔽的碳，即羰基碳，位移值在165.0~200.0ppm范围内，包括醛基、酯基和羧基的碳；二类是苯环或双键上的碳，位移值在104.0~162.0ppm范围内；三类是苯环侧链的碳，位移值在53.0~87.0ppm范围内；四类是甲氧基的碳，位移值为55.5~56.0ppm范围内。另外，由于木质素的分离中含有少量残余糖类物质，因此在101.0~102.0ppm范围内也有峰出现。一般情况，由于有些碳核的弛豫时间较长，因此碳谱通常不能定量。

3、纤维素

3.1纤维素大分子的聚集状态结晶结构和无定形结构

据X-射线的研究，纤维素大分子的聚集，一部分的分子排列比较整齐、有规则，呈现清晰的X-射线图，这部分称之为结晶区；另一部分的分子链排列不整齐、较松弛，但其取向大致与纤维主轴平行，这部分称之为无定形区。

纤维素的聚集状态，即所谓纤维素的超分子结构，就是形成一种由结晶区和无定形区交错结合的体系。从结晶区到无定形区是逐步过渡的，无明显界限，一个纤维素分子链可以经过若干个结晶区和无定形区，在纤维素的结晶区旁边存在着相当多的空隙，一般大小为100~1000nm，最大的达10000nm。

每一个结晶区称之为微晶体（也有称之为胶束或微胞的），结晶区的特点是纤维素分子链取向良好，很紧密，故密度较大，结晶区纤维素密度为1.588g/cm³,分子间结合力最强，故结晶区对强度的贡献大。非结晶区的特点是纤维素分子链取向较差，分子排列无秩序，因此分子间距离较大，密度较低，无定形区纤维素密度为1.500 g/cm³，且分子间氢键结合数量少，故非结晶区对强度的贡献小。

3.2纤维素的结晶度

纤维素的结晶度是指纤维素构成的结晶区占纤维素整体的百分率，它反映纤维素聚集时形成结晶的程度，测定纤维素结晶度常用的方法有X-射线法、红外光谱法、密度法等。

X-射线法测定纤维素的结晶度，是利用X-射线照射样品，测定各入射角θ和相应的X-射线衍射强度，以2θ为横坐标，X-射线衍射强度为纵坐标，作出X-射线衍射强度曲线。通常采用X-射线结晶指数来表示结晶度：

X射线指数=(I₀₀₂-I_am)/I₀₀₂

这里，I₀₀₂代表002面峰的强度，即结晶区的衍射强度，I_am代表2θ=18^o时峰的强度，即无定形区的衍射强度。

4、厌氧发酵过程中木质纤维的结构变化

李继红、杨世关和郑正等采用扫描电子显微镜（SEM）、傅立叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）对互花米草中温（35℃）厌氧发酵前后木质纤维结构的变化进行了对比分析。结果表明，互花米草茎秆的生物降解主要发生在维管束组织部位，而薄壁细胞是一种生物难降解组织；发酵60d后互花米草木质素的相对含量升高，木质素官能团所对应的的FTIR光谱的特征峰的峰强与其纤维素和半纤维素所对应的特征峰的峰强的比值是发酵前的2倍以上；厌氧发酵使互花米草的结晶度有所降低，由发酵前的0.510降到了0.479.总之，木质素对纤维素和半纤维素的包裹作用，以及纤维素的结晶结构是影响互花米草厌氧生物转化的主要因素。

乔维川、洪建国和李忠正利用嗜黑液菌对木质素进行厌氧降解处理，研究在厌氧降解过程中，木质素的元素组成、分子量、结构基团的变化及其红外光谱和氢谱。结果表明，在厌氧降解过程中，分子量大于4950的木质素将发生碎片化反应，尤其是木质素结构中的香豆满和松脂醇结构，以及β-O-4和β-β结构都因为发生断裂而消失，同时进一步发生脱甲氧基作用和脱羟基作用，生成了可溶性小分子化合物。

3. 研究的基本内容与计划

1、研究内容

本课题研究内容主要有以下几个方面:

①将秸秆、猪粪和水按最适宜的配比进行混合发酵，定期从沼气罐内取出适量秸秆烘干，研磨成粉，然后采用x-射线衍射、红外光谱以及¹³c-nmr对其进行结构分析。

4. 研究创新点

本研究的特色是采用了400MHz固体核磁共振谱仪来研究秸秆沼气发酵过程中木质素结构的变化，实验结果更为准确。其次，随着沼气工程的不断发展，其副产品即沼渣和沼液的产量越来越大，本实验通过研究它的结构与化学组成，有利于其综合利用，避免资源的浪费，同时减少对环境的危害。