文献综述
研究背景
在我国第九次森林资源清查中,全国国土森林面积22044.62times;104 hm2,森林覆盖率22.96%,全国活立木总蓄积190.07times;108 m3,森林蓄积175.60times;108 m3。全国林地面积32368.55times;104 hm2,其中,林地森林面积21822.05times;104 hm2,林地活立木总蓄积185.05times;108 m3。在全国林地森林面积与森林蓄积中,经济林与材林占接近一半的比例。我国森林面积和森林蓄积分别位居世界第5位和第6位,人工林面积仍居世界首位。总体来说,我国森林资源呈现出数量持续增加、质量稳步提升、效能不断增强的良好态势。初步形成了公益林、商品林比例协调,天然林、人工林结构合理的森林生态和生产系统。但我国森林覆盖率远低于全球31%的平均水平,人均森林面积仅为世界人均水平的1/4,人均森林蓄积只有世界人均水平的1/7,森林资源总量相对不足、质量不高、分布不均[1,2]。
当下随着经济的发展与人口数量的不断增加,我国对森林的利用量不断增加,也造成了林木废弃物数量的不断增加。例如木材加工行业,木材作为一种可再生的资源,其利用发展前景广阔。近些年,由于其优良的质感、美观的外表,易加工等优秀的特性现已经被大众广泛加工利用。而将原木加工成板材所产生的废弃物就有 8%-12%,再将板材加工成木工板所产生的废弃物又达 7%-10%。而我国森林资源相对匮乏,木质资源短缺,这些废弃物的产生如不加以处理不仅是一种资源浪费,还会对环境产生严重的污染[3,4]。
林木废弃物的主要组成包括木质素、纤维素和半纤维素。其中木质素约占干重20%-35%、纤维素约占干重40%-50 %、半纤维素约占干重25%-40%,这三种成分占了木材干重的97%-99%[5][17]。除此之外,林木废弃物还含有植物生长所需的各种营养物质、矿物质、丰富的有机质等,传统的处理方式如焚烧、填埋、粉碎粗回收等并没有对其大限度的利用,是对这种资源的一种浪费同时还会给环境带来巨大压力[6]。
林木废弃物生物降解及利用
由于近年林木废弃物的不断增加,探索林木废弃物有效转化实现可持续发展非常必要。通过对微生物降解机理深入的探索,现已有诸多成果,如生物制浆造纸、染料脱色、污水处理、生物修复、预处理生产生物质乙醇及生物燃料等。当前对于通过木腐菌来处理林木废弃物投入生产应用已包括生物制浆、乙醇生产、饲料工业、生物堆肥[7]。
生物制浆是直接利用微生物降解纤维原料中的木质素,分离出纤维。白腐菌是已知的唯一能在纯系培养中将木素降解为二氧化碳和水的一类微生物。它通过次生代谢物包括各种酶的催化作用可以独立降解木质素,广泛应用于化学制浆[8]。
通过木质纤维素生产乙醇需要经过预处理、水解及发酵三个阶段。用木质纤维素原料生产乙醇的预处理是在酶解前分解木质素。预处理通过破坏木质素等去促进酶与底物的接触,通过木腐菌预处理来生产乙醇这样的生物法更加节约能源,减少损耗,更加环保[9]。
利用木质纤维素含量高的林木废弃物原料可以制备饲料。同时,通过生物降解的方法去降解木质纤维素,能将饲料中纤维素物质水解释放,能够让牧畜和家禽更容易消化吸收。白腐菌的酶系能够很好去降解木质纤维素,提高农副产品畜禽饲料利用率,而一些菌体蛋白的产生使饲料的营养价值有所提高[9]。
堆肥化处理是在微生物作用下,以木本废弃物为原料,添加适当的辅料,经过一定时间的好氧发酵,经过腐熟最后得到堆肥产物。是对林木废弃物的一种循坏利用,同时具有成本低、循环利用率高和能有效改良土壤等优点。将生态经济林产生的木本废弃物进行堆肥化处理符合城市未来的发展趋势,也符合国家发展循环经济和节约型社会的要求[10]。
目前堆肥是对这些废弃物最经济实用的处理方法。因林木废弃物性质稳定,还具有极强的保水、保肥能力,同时它们的来源非常广泛、很容易获得、处理起来相对便捷,而且经过处理后还可以变得疏松、透气,作为生物肥料酸碱度也适宜。将他们经过粉碎和堆肥处理,可解决林木废弃物处理及土壤改良两大问题,是一种循环利用资源的科学手段,不仅改善自然环境条件,同时也节约了资源,有利于人与自然和谐发展,提高人民生活质量,符合科学发展观和循环经济理念。但因为林木废弃物中木质素、纤维素含量高,这些成分降解速率慢,这会延长堆肥周期,所以提升木质素、纤维素的降解效率是实现高效处置的关键[6,11]。
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