【正文】 l用于添加到每個(gè)沼氣池將碳氮比（C/N）調(diào)至25，該比值條件被認(rèn)為最適于厭氧菌生長。備好的蒸煉器放置在振蕩器上，在中溫（35℃），震蕩速度為120轉(zhuǎn)/分鐘的條件下用于AD試驗(yàn)。 取樣和分析方法每個(gè)厭氧消化池的日沼氣產(chǎn)量使用水位移法記錄，計(jì)算相應(yīng)的累積沼氣量。根據(jù)APHA標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)經(jīng)NaOH處理過的及未處理的稻草樣品進(jìn)行TS和VS分析，利用熱電偶分析儀（Skalar Primacsslc，荷蘭）和凱氏氮分析儀（KDN 2C型，上海，中華人民共和國）對(duì)總碳（TC）和總氮（TN）進(jìn)行分析。利用Van Soest法對(duì)纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量進(jìn)行分析。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法確定冷水、熱水和苯乙醇提取物。將含有1％精細(xì)樣品的溴化鉀壓片，使用紅外光譜分光光度計(jì)（5DXC型）在4厘米的分辨率下掃描30次，從而得到傅立葉變換紅外光譜（FTIR）譜圖。通過配備了折射率檢測(cè)器、自動(dòng)取樣器以及SugarPak1 column ( .300mm)的沃特斯高性能液相色譜（HPLC）系統(tǒng)對(duì)水稻秸稈在熱水提取物中的可溶性糖進(jìn)行分析，以水為流動(dòng)相，70℃條件下進(jìn)行洗脫處理。3. 結(jié)果與討論 沼氣生產(chǎn)經(jīng)NaOH處理過的及未處理的水稻秸稈被進(jìn)行厭氧消化，并記錄每個(gè)行程的日沼氣生產(chǎn)量。沼氣生產(chǎn)量定義為載入的每克揮發(fā)性固體沼氣產(chǎn)量（B/VS），其被計(jì)算并用來檢驗(yàn)NaOH預(yù)處理的效果。圖1的結(jié)果表明，分別以4％、6％、8％和10％的NaOH進(jìn)行預(yù)處理的水稻秸稈，獲得了與相應(yīng)載入量的未處理的水稻秸稈相比，％~％，％~％，％~％％~％的沼氣產(chǎn)量。最高的沼氣產(chǎn)量，、 、（揮發(fā)性固體克數(shù)），分別由未經(jīng)處理的水稻秸稈和經(jīng)過4％、6％、8％和10％NaOH處理的水稻秸稈在載入量為50克/升的情況下得到。這一結(jié)果表明，NaOH預(yù)處理能明顯提高水稻秸稈的沼氣產(chǎn)量。最大可能的收益率（MPY）也進(jìn)行了分析。根據(jù)Bushwell提出的計(jì)算方法，（揮發(fā)性固體克數(shù)）。未經(jīng)處理的水稻秸稈的最高沼氣產(chǎn)量以及經(jīng)過4％、6％、8％和10％ ％、 ％、 ％、 ％％。顯然，與未經(jīng)處理的相比，經(jīng)過NaOH處理的水稻秸稈沼氣產(chǎn)量所達(dá)到的值更類似于MPY值，這表明NaOH預(yù)處理在提高水稻秸稈沼氣產(chǎn)量方面是有效的。 主要成分的變化木質(zhì)素、纖維素和半纖維素（LCH）是水稻秸稈的主要成分，為厭氧微生物提供主要碳源。在堿預(yù)處理過程中，由于堿的化學(xué)反應(yīng)，水稻秸稈的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)，以及物理特性發(fā)生了改變。其中的一些變化在另一篇論文中進(jìn)行了研究和討論。該部分分析了水稻秸稈的主要成分，以研究其在NaOH預(yù)處理過程中的變化以及該變化對(duì)生物降解和沼氣生產(chǎn)的影響（見表1） 。經(jīng)過不同劑量的NaOH預(yù)處理后，隨著NaOH劑量的增加，總LCH（纖維素、半纖維素和木質(zhì)素）量均下降。經(jīng)過10％NaOH處理過的水稻秸稈，與未經(jīng)處理的相比，總LCH（纖維素、半纖維素和木質(zhì)素）量是最低的，％、％、％％。結(jié)果意味著NaOH的劑量越大，木質(zhì)纖維素與NaOH的反應(yīng)越強(qiáng)烈。但是，如圖1中10％NaOH劑量的沼氣產(chǎn)量表明，過量的NaOH對(duì)提高沼氣產(chǎn)量卻沒有幫助。有人還發(fā)現(xiàn)，水稻秸稈的主要成分不同，分解速率也不同。經(jīng)過4％、 6％、 8％和10％ NaOH處理過的水稻秸稈，各自的半纖維素、％~％，％~％％~％。與木質(zhì)素和纖維素相比，更多的半纖維素被分解，這可能是由于更多的半纖維素與NaOH發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。半纖維素和木質(zhì)素的分解也有助于提高纖維素的可用性。根據(jù)曼斯菲爾德等的研究，木質(zhì)纖維材料的原始形態(tài)能抵抗厭氧微生物攻擊，但去除半纖維素和木質(zhì)素會(huì)引起纖維素結(jié)構(gòu)和可接近性的大量改變，從而使微生物更容易接近纖維素。在AD過程中，碳水化合物由厭氧微生物轉(zhuǎn)換為沼氣，從而導(dǎo)致蒸煉器中主要成分質(zhì)量的減少。沼氣的產(chǎn)量越大，主要成分質(zhì)量的減少越大。因此，主要成分質(zhì)量的減少可以用來反映的基板的可用性和改進(jìn)生物降解能力。針對(duì)未處理和經(jīng)過6％NaOH處理的水稻秸稈計(jì)算出質(zhì)量差，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過6％NaOH處理的水稻秸稈，％、％％的纖維素、半纖維素和木質(zhì)纖維素總額分別減少和轉(zhuǎn)化為沼氣。相反，未處理的水稻秸稈，％、％％的纖維素、半纖維素和木質(zhì)纖維素總額分別減少和轉(zhuǎn)化為沼氣。顯然，更多的基板被用于經(jīng)過NaOH處理的水稻秸稈，這意味著改善了生物降解性和可用性。圖1 未處理和經(jīng)過NaOH處理的水稻秸稈沼氣產(chǎn)量比較表1 經(jīng)過不同劑量NaOH預(yù)處理后水稻秸稈中主要成分的變化 0％ 4％ 6％ 8％ 10％ 木質(zhì)素含量，％ 質(zhì)量，g a 含量變化，％ 質(zhì)量變化，％ 纖維素含量，％ 質(zhì)量，g 含量變化，％ 質(zhì)量變化，％ 半纖維素含量，％ 質(zhì)量，g 含量變化，％ 質(zhì)量變化，％ LCH含量，％ 質(zhì)量，g 含量變化，％ 質(zhì)量變化，％ 灰分含量，％ 質(zhì)量，g 含量變化，％+ + + + 質(zhì)量變化，％+ + + + a注：根據(jù)100克初始質(zhì)量 提取物的變化 提取物含量的變化提取物是由水和某些有機(jī)溶劑，如乙醇、丙酮、二氯甲烷、氯仿或乙醇/苯的混合物中萃取出來的物質(zhì)。提取物通常由類脂、酚類化合物、萜類化合物、脂肪酸、樹脂酸、steryl酯、固醇、蠟等組成。它們對(duì)于木素纖維材料生產(chǎn)沼氣的提高也起著重要的作用。表2列舉了經(jīng)NaOH處理過的及未處理的水稻秸稈的冷水、熱水和苯乙醇提取物?？梢园l(fā)現(xiàn)，經(jīng)NaOH處理過的水稻秸稈，隨著NaOH用量的增加，冷水和熱水提取物含量均增加。與未經(jīng)處理的相比，經(jīng)過4％、6％、8％ 、10％NaOH處理過的水稻秸稈，％、％、％％更多的冷水提取物，％、％、％％更多的熱水提取物。就像半纖維素、木質(zhì)素和纖維素在NaOH預(yù)處理過程中表現(xiàn)出的減少指出的一樣（見表1），冷水和熱水提取物主要源于半纖維素的分解，也有部分源于木質(zhì)素和纖維素的分解。它們主要由糖、淀粉、果膠、鞣革、環(huán)多醇和一些無機(jī)物組成。一般來說，這些提取物有著更簡(jiǎn)單的化學(xué)結(jié)構(gòu)和較小的分子量，并且更易于生物降解。冷水和熱水提取物含量的增加一般都有利于沼氣產(chǎn)量的提高。也可以肯定的是，隨著NaOH用量的增加，苯乙醇提取物含量會(huì)減少。與未經(jīng)處理的相比，經(jīng)過4％、6％、8％和10％NaOH處理過的水稻秸稈，％、％、％％。這些苯乙醇提取物主要包括樹脂、蠟、脂肪、單寧酸和色素，它們通常不易被厭氧微生物所分解。苯乙醇成分的減少對(duì)于增加生物降解能力也有一定作用。這些發(fā)現(xiàn)指出，NaOH預(yù)處理可以將水稻秸稈分解為一些可生物降解的物質(zhì)，同時(shí)，可以減少一些無法分解的物質(zhì)；這兩種變化均有利于改善生物降解能力和沼氣生產(chǎn)。 化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化除了提取物的成分，其化學(xué)結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化。在各種各樣的化學(xué)處理中發(fā)生的直接結(jié)構(gòu)變化信息都可通過紅外光譜獲得。由于經(jīng)過6％NaOH處理的水稻秸稈與其它劑量的NaOH相比，獲得了最佳的沼氣產(chǎn)量，接下來對(duì)于提取物結(jié)構(gòu)變化的研究就以此為樣本。圖2 未經(jīng)處理的水稻秸稈熱水提取物的紅外光譜譜圖（頻譜a）和經(jīng)過6％NaOH處理的水稻秸稈熱水提取物的紅外光譜譜圖（頻譜b）圖2顯示了未經(jīng)處理的水稻秸稈熱水提取物的紅外光譜譜圖（頻譜a）和經(jīng)過6％NaOH處理的水稻秸稈熱水提取物的紅外光譜譜圖（頻譜b）。結(jié)果表明，這兩種頻帶有類似的剖面，但不同強(qiáng)度的吸收頻帶。這些差異表明，經(jīng)過NaOH處理后熱水提取物的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。這些變化可分為三種類型：（1）官能團(tuán)數(shù)量的減少。 在3415cm1處的突出峰是由于羥基在固醇、單甘酯和甘油二酯或者共提取多糖中的伸縮振動(dòng)，或者是試樣中的水分引起的。頻帶的這種含量減少是因?yàn)镹aOH與水稻秸稈的反應(yīng)。 （2）官能團(tuán)數(shù)量的增加。 在2933cm1處的頻帶對(duì)應(yīng)于亞甲基和甲基拉伸頻率。在1634和1411cm1處的頻帶是由于芳香骨架的振動(dòng)引起的。在1326cm1處的頻帶可歸因于纖維素和半纖維素種的亞甲基搖擺振動(dòng)。以前提到的官能團(tuán)，由于在NaOH預(yù)處理過程中纖維素和半纖維素的分解，數(shù)量均增加了。 （3）頻帶外觀。 一些頻帶，如1120cm1處的頻帶，在NaOH預(yù)處理后出現(xiàn)。這一頻帶代表丁香族類木質(zhì)素的CO伸展。它的出現(xiàn)意味著經(jīng)過NaOH預(yù)處理后水稻秸稈的大分子木質(zhì)素被降解為一些易溶于水的小分子物質(zhì)。這可以解釋以前所討論的經(jīng)過NaOH預(yù)處理后為什么熱水提取物的量會(huì)增加了。表2 未處理和經(jīng)過不同劑量NaOH處理的水稻秸稈不同提取物的變化 0％ 4％ 6％ 8％ 10％ 冷水提取物 含 量（％）a 質(zhì) 量（g） 熱水提取物 含 量（％） 質(zhì) 量（g） 苯乙醇提取物 含 量（％） 質(zhì) 量（g） a注：含量定義為水稻秸稈提取物干物質(zhì)的百分比，基于水稻秸稈干物質(zhì)圖3列出了未經(jīng)處理的水稻秸稈的苯乙醇提取物和經(jīng)過6％NaOH處理的水稻秸稈的苯乙醇提取物的紅外光譜譜圖。從圖中可以看出，光譜剖面的兩個(gè)頻帶相當(dāng)類似，但相對(duì)強(qiáng)度不同。這種差異表明，經(jīng)過NaOH處理后熱水提取物的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。這些變化也可以分為三類：圖 3 未經(jīng)處理的水稻秸稈的苯乙醇提取物紅外光譜譜圖（頻譜a）和經(jīng)過6％NaOH處理的水稻秸稈的苯乙醇提取物的紅外光譜譜圖（頻譜b）（1）頻帶的消失。 在1718cm1處的譜帶對(duì)應(yīng)于游離脂肪酸和樹脂酸中的羰基鍵。不飽和脂肪酸和其酯類或在固醇類和steryl酯中的順式結(jié)構(gòu)的C=C伸展，在1653cm1處產(chǎn)生了一個(gè)吸收帶。該譜帶在1461cm1處是由于亞甲基彎曲振動(dòng)。此類譜帶的消失表明，由于NaOH的作用，一些酯類和游離脂肪酸被從水稻秸稈中除去。（2）頻帶的消失。 在3415cm1處的突出峰是由于羥基在固醇、單甘酯和甘油二酯或者共提取多糖中的伸縮振動(dòng)，或者是試樣中的水分引起的。在2920和2851cm1處的兩個(gè)強(qiáng)烈頻帶分別對(duì)應(yīng)亞甲基和甲基伸展頻率。一個(gè)廣泛的碳氧單鍵（CO）伸縮振動(dòng)發(fā)生在1267cm1處。這一頻帶可能是拉伸的碳氧單鍵和羧酸中的羧基在同一平面的相互作用。在1055cm1處的突出峰可歸因于共提取多糖中酯鍵（COC）的對(duì)稱伸展。以前提到的官能團(tuán)，由于經(jīng)過NaOH預(yù)處理，數(shù)量均增加了。（3）頻帶外觀。 經(jīng)過NaOH處理后在 1591和1417cm1處產(chǎn)生的兩個(gè)小頻帶是由于芳香骨架的振動(dòng)引起的。它們的出現(xiàn)是由于水稻秸稈中的一些芳香族化合物在NaOH處理過程中降解及在苯乙醇溶液中溶解的緣故。苯乙醇提取物中化學(xué)結(jié)構(gòu)的改變也影響提取物含量的改變，并對(duì)沼氣生產(chǎn)有影響。表3 未處理和經(jīng)過6％NaOH處理的水稻秸稈熱水提取物可溶性糖含量 含量（干物質(zhì)％）糖 未經(jīng)處理的水稻秸稈 經(jīng)過NaOH處理的水稻秸稈 總 糖 葡萄糖 a 果 糖 a 四 糖 三 糖 二 糖 多 糖 b a. chen等人的研究結(jié)果表明，葡萄糖和果糖是水提取物中主要的單糖成分，木糖、阿拉伯和其它一些單糖的含量相對(duì)較低。因此，在確定單糖含量時(shí)只分析了葡萄糖和果糖的含量。 ，多糖是指五糖和分子量低于10000的糖。 熱水提取物中糖的變化未經(jīng)處理和經(jīng)過NaOH處理的水稻秸稈中熱水提取物非常復(fù)雜。對(duì)于經(jīng)過NaOH處理的水稻秸稈熱水提取物適用的信息極少。對(duì)于這些物質(zhì)的鑒別的研究已進(jìn)行了很長一段時(shí)間。從chen等人的研究來看，谷物干草提取物的主要成分是糖。另外，糖也是厭氧微生物的重要基板。因此，糖是這項(xiàng)研究的首要分析對(duì)象。目前只有可溶性糖已鑒定出，表3列出了其研究結(jié)果。很明顯，在未經(jīng)處理和經(jīng)過NaOH處理的水稻秸稈中可溶性糖的成分和含量是不同的。％，比未處理的(%)多兩倍。可溶性糖比木質(zhì)纖維素更易生物降解。在AD處理過程中，只有當(dāng)木質(zhì)纖維素原料在水解作用下分解成小分子物質(zhì)時(shí)，其才能被厭氧微生物所分解，因此水解作用在水稻秸稈的生物降解中是限制速度的一步。如果有更多的木質(zhì)纖維素原料在AD前通過預(yù)處理被分解成可溶性糖，接下來的水解作用速度就會(huì)加快，而AD效率也會(huì)提高。4．結(jié)論與未經(jīng)處理的相比，經(jīng)過4%~10%%~%的沼氣產(chǎn)量，這就證明了NaOH預(yù)處理對(duì)于增加水稻秸稈沼氣產(chǎn)量的作用。主要成分和提取物的變化對(duì)于沼氣產(chǎn)量的增加有很大貢獻(xiàn)。在NaOH預(yù)處理中，經(jīng)過4％、6％、8％和10％NaOH處理的水稻秸稈，半纖維素、%~%、 % ~%%~%。正如冷水和熱水提取物的增加所顯示的一樣，它們中的相當(dāng)大部分被轉(zhuǎn)換成相對(duì)易于生物降解的物質(zhì)，而一些無法分解的物質(zhì)被除去了，正如苯乙醇提取物的減少所顯示的一樣。熱水和苯乙醇提取物的化學(xué)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了明顯變化，這是提取物成分發(fā)生變化的主要原因。提取物中的物質(zhì)非常的復(fù)雜；研究結(jié)果之一是經(jīng)過NaOH處理的水稻秸稈中的可溶性糖含量是未經(jīng)處理的兩倍。