问题概述:(简要介绍本问题在现阶段学术研究和科技发展中的最新前沿进展和产生背景,以及未来面临的关键难点、挑战)
由于化石能源的日益枯竭及环境污染的日益突出,寻找可再生清洁能源成为迫在眉睫的事情。近年来,以可再生资源生物质(Biomass)制备的生物燃料(Biofuel)作为化石能源的替代品正日益受到重视。在生物燃料中,生物乙醇(Bioethanol)和生物柴油(Biodiesel)因其生产工艺成熟,产品应用广泛,已成为各国竞相发展的热点。目前,工业化生产的绝大多数生物乙醇和生物柴油分别以粮食作物和油料作物为原料,从长远来看具有规模限制和不可持续性。中国是农业大国,农作物秸秆资源极为丰富。农作物秸秆主要由纤维素(Cellulose)、半纤维素(Hemicellulose)和木质素(Lignin)三种成分构成。由于其特殊的物理化学性质,对农作物秸秆的总利用率不足33%,即使经技术处理的利用率也不足2.6%,过剩的秸秆资源无法被利用处理或焚烧或丢弃,不仅造成了巨大的资源浪费,同时也对环境造成了巨大的污染,导致对农作物秸秆的有效处理或转化依然面临着巨大的挑战。对木质纤维素的降解主要包括化学降解和生物降解。其中化学降解主要包括酸催化降解、碱催化降解、金属催化降解、离子液体和超临界催化降解、微波和超声波辅助降解,但是化学降解依然存在条件要求苛刻、污染严重、能耗过高等问题。目前,对农作物秸秆的资源化利用主要集中在制备生物乙醇。然而,采用生物质制备生物乙醇仍存在设备要求高、水消耗大、工艺复杂等问题,经济不合理,环境不友好。因此,开发适宜的技术绿色高效地处理农作物秸秆具有重要的意义。生物转化(Bioconversion)有机废弃物从而实现其资源化利用是一种经济和环境友好的方式,近年来引起了国内外的广泛关注。黑水虻是一种重要的资源昆虫,黑水虻(Black Soldier Fly),也称作亮斑扁角水虻(Hermetia illucens),属于双翅目(Diptera)水虻科(Stratiomydiae),早期的研究发现黑水虻能够抑制家蝇种群的生长,且不侵入人类生活环境,不污染环境,不携带病菌,不对农作物等产生任何危害。后期研究发现,黑水虻幼虫主要营腐生生活,取食范围极其广泛,主要以工业、农业、生活等有机废弃物以及动植物遗体中的蛋白质、油脂、糖类为食,基于黑水虻生物学特性,黑水虻已经被广泛应用有机废弃物的资源化与无害化处理中,如餐厨垃圾的无害化处理、禽畜粪便的无害化处理和病死畜牧无害化处理。经黑水虻转化后的有机废弃物减少了堆积,降低了对环境的危害,实现了废弃物的资源化利用。转化后的有机废弃物可以作为高效的有机肥,体现了巨大的经济效益和环保效益。基于黑水虻肠道内丰富的酶类和微生物,黑水虻通过对有机废弃物的资源化转化过程中形成自身的有机质,总体上黑水虻幼虫的干物质占42%-43%,其中的粗蛋白含量占据干重的42%-44%、粗脂肪占据31%-35%、灰分占据11%-15%、矿物质钙占据4.8%-5.1%、矿物质磷占据0.60%-0.63%,还包括一些多肽、甲壳素、维生素等,尤其是必需氨基酸含量丰富,具有巨大的资源价值和环保价值。黑水虻消化有机废弃物与微生物有着重要的关系。黑水虻能够消化有机废弃物,是由于其肠道内的功能微生物在起作用,而黑水虻肠道中的微生物群落组成与饲养黑水虻的营养源也存在一定的关系[31]。研究表明,微生物可以通过利用木质纤维素,实现木质纤维素的降解,主要是一些生物酶对木质纤维素的降解起主要作用。因此,研究黑水虻协同微生物群落代谢特征转化农业废弃物秸秆,可以揭示过程中的有机物降解机制及优化黑水虻与微生物的协同作用,实现农作物秸秆的原料化,废弃物资源化具有重要的意义。但是黑水虻与微生物协同降解有机废弃物的机理和过程是怎样的,降解的机理如何,体系内相关作用的微生物包括哪些未见详细报道。因此,研究黑水虻与微生物协同降解农作物秸秆,具有很重要的意义。重要意义:(简要介绍本问题取得突破后,对本领域或相关其他交叉领域科技发展的重大影响和引领作用,以及可能产生的重大科技、经济和社会效益)农业废弃物秸秆是一种重要的生物质能源,由于其特殊的物理化学性质,对农作物秸秆的总利用率不足33%,即使经技术处理的利用率也不足2.6%,过剩的秸秆资源无法被利用处理或焚烧或丢弃,不仅造成了巨大的资源浪费,同时也对环境造成了巨大的污染,导致对农作物秸秆的有效处理或转化依然面临着巨大的挑战。黑水虻蛋白和油脂具有重要的资源价值,蛋白可以作为饲料开发的原材料,油脂可以作为能源油脂开发的原材料等。利用黑水虻协同微生物降解转化农作物秸秆,不仅可以减少农业废弃物的堆积,减少对环境的危害。另一方面可以实现资源昆虫黑水虻的大规模养殖与开发,开发能源物质,具有重要的实际意义。有机废弃物生物转化
问题年度:2018 问题类型:工程技术难题 学科领域:先进材料 学科细分归类:化学工程
推荐机构:中国化工学会
清洁能源 生物转化 黑水虻 秸秆