综述：关于利用化学和生化方法对农业废弃物进行增值处理以减轻环境污染的综述

《Gynécologie Obstétrique Fertilité & Sénologie》：A review on value addition of Agricultural Residues by Chemical and Bio-chemical Processes to abate environmental pollution

农业残留物通过化学和生化预处理转化为生物燃料、生物塑料等高价值产品，有效减少环境污染并促进循环经济。挑战包括技术成本、原料处理及政策支持。

　　农业废弃物，如农作物秸秆、壳、叶和茎，是全球范围内大量产生的副产品，通常在管理不当的情况下会对环境造成污染。可持续利用农业废弃物已成为推动循环经济和资源高效利用的关键议题。本文综述了当前农业废弃物通过化学和生物化学预处理方法提取价值的先进技术，探讨了如何通过多种化学和生物化学过程提升农业废弃物的附加值，从而减少其对环境的影响。化学处理方法包括热解、气化、燃烧和酯交换，分别将生物质转化为生物炭、生物油、合成气和生物柴油。生物化学处理方法，如厌氧消化、发酵、堆肥和酶解，能够生产沼气、生物燃料和土壤改良剂。这些方法不仅有助于减少温室气体排放，改善废弃物管理，还能提升土壤健康，推动循环经济的发展。尽管在技术开发、政策支持和公众意识方面仍面临诸多挑战，但将这些处理过程整合到生物精炼厂中，有助于最大化资源效率和可持续性。本文强调了持续研究和创新在将农业废弃物转化为有价值的产品以实现环境和经济双重效益的重要性。

随着全球人口预计在2050年达到97亿，农业生产力的提高带来了巨大的粮食和经济收益，同时也产生了大量农业废弃物。这些废弃物包括农作物的非食用部分，如秸秆、壳、叶和茎，它们是农业活动中的副产品。例如，印度和中国每年燃烧超过9200万吨的农作物废弃物，这种行为不仅浪费了潜在的资源，还导致空气污染，其污染物浓度甚至超过了世界卫生组织的安全标准。燃烧过程释放出大量温室气体（如二氧化碳等当量约1.4亿吨），以及颗粒物（如PM2.5和PM10）和挥发性有机化合物，这些物质会损害空气质量并带来严重的健康风险。因此，开发创新且可持续的农业废弃物管理方法变得尤为迫切。在此背景下，通过化学和生物化学过程增加农业废弃物的附加值，成为减少污染并推动循环经济的重要解决方案。

农业废弃物的价值增加是指将其转化为具有商业价值的产品，从而避免其成为污染物，并将其作为可再生原料加以利用。这一方法与联合国可持续发展目标（SDGs）中的SDG 12（负责任的消费和生产）和SDG 13（气候行动）相一致。化学处理方法，如热解、水解和催化转化，以及生物化学处理方法，如发酵和酶解，对于将农业废弃物转化为生物燃料、生物塑料、生物肥料和生物炭等高附加值产品至关重要。这些产品不仅具有独特的环境和经济价值，还能减少对化石资源的依赖，降低碳排放，并改善土壤健康和肥力。

以生物乙醇为例，全球从农业废弃物中生产第二代生物乙醇的潜力估计每年可达900亿升，可能抵消超过2.3亿吨的二氧化碳排放。生物炭作为热解的副产品，被证明能够捕获全球温室气体排放的12%，同时增强土壤肥力和水分保持能力。生物塑料的前景同样令人振奋，预计从木质纤维素废弃物中提取的生物塑料将以16.1%的复合年增长率增长，有望取代传统塑料，降低对化石燃料的依赖。生物肥料在应用于作物时，能够使产量提高高达20%，同时显著减少化学肥料的使用和流失。

农业废弃物转化为高附加值产品的环境效益被经济机会所补充。例如，印度仅通过有效利用其农业废弃物，每年可能产生约500亿美元的经济效益。通过围绕农业废弃物的利用建立价值链，可以创造新的市场，为农民和农村社区提供经济激励。这些价值链能够促进就业，推动农村发展，并增强发展中国家农业部门的经济韧性。此外，从农业废弃物中商业化的产物可以吸引绿色技术和创新的投资，推动工业向更加可持续的方向发展。

然而，化学和生物化学方法在农业废弃物价值增加方面的广泛应用和规模化仍面临挑战。这些挑战包括农业废弃物组成的高度变化（如纤维素含量30%–50%，半纤维素15%–35%，木质素10%–30%），以及小规模部署的高资本成本和缺乏融资机制。此外，分散式废弃物收集的物流基础设施和政策支持有限，导致生化处理过程的产出不稳定，这取决于原料质量和预处理效果。因此，系统性的技术经济评估和生命周期分析是必要的，以确保这些处理过程能实现净正能增益和排放减少。本文旨在提供关于农业废弃物价值增加的当前化学和生物化学处理方法的全面概述，探讨该领域的技术进展、潜在的环境和经济效益，以及需要解决的挑战。最终，本文强调了将农业废弃物管理整合到更广泛的环境和经济策略中的重要性，以实现污染控制和可持续发展。

农业废弃物的类型主要包括作物残渣、副产品和废弃物材料。作物残渣是植物在收获后剩余的非食用部分，可以进一步分为初级和次级残渣。初级残渣包括田间留下的植物部分，如秸秆、壳、叶和茎。例如，玉米秸秆包括玉米的茎、叶和穗，而小麦秸秆和稻秆则是谷物收获后留下的茎。次级残渣则是在作物加工过程中产生的，如谷物磨制过程中产生的麸皮，或在脱粒过程中分离出的壳。这些材料虽然通常被视为低价值，但可以转化为生物燃料、生物化学品或作为动物饲料，为农业废弃物的循环利用提供可能。

副产品是农业产品加工过程中产生的材料，如水果和蔬菜皮、油籽饼和糖蜜。例如，橙子、香蕉和土豆的果皮通常被丢弃，但它们可以被重新利用，生产生物能源或生物化学品。油籽饼是提取种子油脂后剩余的材料，富含蛋白质，可以用于动物饲料或进一步加工成生物基化学品。糖蜜则是糖精炼过程中的副产品，可以被发酵生产生物乙醇或用于其他生物技术应用。水果和蔬菜的外层，如橙皮、土豆皮和番茄皮，富含纤维、抗氧化剂和其他生物活性化合物。这些果皮可以被提取其营养成分，用于生产果胶或转化为生物燃料。葡萄渣、苹果渣和橄榄渣等果渣含有丰富的多酚和膳食纤维，可以用于生产动物饲料、生物燃料或营养补充剂。种子加工过程中产生的残渣，如大豆、向日葵和油菜籽残渣，同样富含蛋白质和纤维，可以作为牲畜饲料或进一步提取生物基化学品。

废弃物材料在农业生产和加工过程中也大量产生，包括牲畜废弃物和农业工业废弃物。牲畜废弃物主要包括动物粪便和垫料。例如，牛、猪、家禽等牲畜的粪便富含氮、磷和钾等营养成分，可以通过厌氧消化生产沼气，而剩余的消化残渣则可以作为有机肥料使用。垫料如秸秆、木屑等，可以通过堆肥或用于能源生产，为可持续的废弃物管理系统提供支持。农业工业废弃物则包括液体和固体废弃物，如水果和蔬菜清洗、乳制品加工和屠宰场生产过程中产生的废弃物。农业工业废水通常含有丰富的有机物质和营养成分，适合生物气生产或用于回收营养成分制成肥料。屠宰场的副产品如骨头、血液和脂肪，虽然常被视为废弃物，但可以通过生物化学处理转化为能源、生物化学品或其他有用产品，从而实现废弃物最小化和资源效率提升。

农业废弃物的价值增加不仅涉及将其转化为高价值产品，还意味着在环境保护和可持续发展方面取得突破。例如，生物能源生产是农业废弃物价值增加的重要途径，可以通过生物燃料如生物乙醇和生物柴油、生物气通过厌氧消化，或固体燃料如颗粒和块状燃料等形式实现。这些能源来源可以替代化石燃料，减少碳排放并促进可再生能源的发展。除了能源，农业废弃物还可以用于生产生物化学品，如木质素、纤维素和半纤维素，这些物质是生物塑料、生物化学品和其他工业产品的重要前体。此外，农业废弃物可以通过堆肥转化为土壤改良剂，提高土壤肥力并减少对化学肥料的依赖，从而推动可持续农业。某些废弃物，如油籽饼和麸皮，可以进一步加工成高蛋白动物饲料，为牲畜提供可持续的营养来源并减少对传统饲料的依赖。

然而，农业废弃物的广泛利用和规模化生产仍然面临挑战。这些挑战包括农业废弃物成分的高变异性、小规模部署的高资本成本和缺乏融资机制、分散式废弃物收集的物流基础设施和政策支持不足，以及生化处理过程中因原料质量和预处理条件不一致而导致的产出不稳定性。因此，必须进行系统的技术经济评估和生命周期分析，以确保这些处理过程能实现净正能增益和排放减少。本文旨在全面分析农业废弃物价值增加的最新方法，通过评估各种化学和生物化学方法的有效性、效率和经济可行性，突出这些技术在将农业废弃物转化为高价值产品方面的潜力。这一努力不仅是经济机会，更是实现更可持续和更具韧性的未来的关键步骤。

农业废弃物的化学和生物化学预处理方法是实现其价值转化的核心。这些方法包括酸性预处理、碱性预处理、有机溶剂预处理、离子液体预处理和氧化预处理等。酸性预处理通常使用稀硫酸等酸性物质，通过水解半纤维素并打开生物质结构，使纤维素更容易被利用。例如，一项2023年的研究显示，1%的稀硫酸处理玉米芯可去除超过42%的半纤维素，显著提高酶解效率。然而，酸性水解可能产生抑制性化合物如糠醛和羟甲基糠醛，这些化合物会影响微生物发酵。因此，创新的流化酸系统和原位脱毒技术正在帮助减少抑制物的生成。

碱性预处理使用氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化钙等碱性物质，以破坏木质素并增强生物质的孔隙率。一项最近的研究显示，0.1摩尔的氢氧化钠可使玉米芯的木质素溶解率提高20.9%，并显著改善其消化性。碱性预处理通常比酸性预处理对木质素的选择性更高，且产生的抑制物较少。然而，其挑战包括废物处理和碱性试剂的回收问题。

有机溶剂预处理则利用乙醇、丙酮等有机溶剂，通常与催化剂（如酸或碱）结合，以溶解木质素和半纤维素。有机溶剂预处理能够回收相对纯净的木质素，这对高附加值应用具有优势。一项2024年的研究表明，乙醇基有机溶剂预处理甘蔗渣可使葡萄糖产量提高超过60%。然而，溶剂回收成本和环境问题仍是规模化应用的障碍。

离子液体预处理利用离子液体在温和条件下溶解纤维素和木质素，减少纤维素结晶度并破坏氢键，使生物质更容易被酶解。一项2023年的综述指出，基于胆碱的离子液体因其可生物降解性和低毒性而具有前景。尽管预处理效率高，但其在工业中的广泛应用仍受到成本和可回收性问题的限制。

氧化预处理则使用过氧化氢、臭氧和过氧乙酸等氧化剂，以分解木质素。湿式氧化预处理可以提高纤维素的消化性，同时减少糖的降解。例如，一项研究显示，使用3%的过氧化氢对小麦秸秆进行氧化预处理，可实现超过70%的脱木质素率，并且抑制物的生成量较少。

物理化学预处理方法包括蒸汽爆破、氨纤维膨胀（AFEX）和液热水（LHW）等。蒸汽爆破通过高压蒸汽（通常为160–240°C）和快速减压，对生物质进行物理破坏并部分水解半纤维素。虽然蒸汽爆破成本效益高且易于规模化，但可能导致木质素的缩聚和生成降解产物。AFEX过程则利用液氨在中等温度和压力下使生物质纤维膨胀，破坏木质素-碳水化合物复合物。这种方法在处理草本生物质如玉米秸秆时特别有效，但液氨的高成本和回收问题仍是挑战。LHW预处理则利用高温高压水（160–240°C）溶解半纤维素，无需使用化学品。这种方法相比酸性水解生成的抑制物更少，且避免了中和步骤。然而，它需要高能量输入和精确的温度控制。

生物预处理则利用微生物，尤其是白腐真菌如Phanerochaete chrysosporium，通过酶活性（如漆酶和木质素过氧化物酶）分解木质素。这种方法环保且在温和条件下进行，但处理时间较长且易受污染影响。最近的研究表明，将微生物群落与短时好氧培养结合，可以显著提高脱木质素效率并减少处理时间。

组合预处理方法通过将两种或更多预处理技术按顺序使用，可以提高木质纤维素（LCB）转化的效率。例如，酸性预处理后进行碱性处理，可以同时去除半纤维素和木质素。这些方法结合了化学和生物化学方法，以实现协同效应并提高整体效率。例如，结合酸性或碱性预处理与酶解，可以提高脱木质素效率并改善纤维素的消化性，同时减少抑制物的形成。然而，组合方法的复杂性、可能增加的成本以及对整合工艺设计的需求，是需要解决的挑战。优化多个工艺变量是实现这些方法优势的关键。

在农业废弃物的转化过程中，除了预处理方法，化学和生物化学转化技术同样发挥着重要作用。化学转化通常涉及热化学方法，如热解、气化和水热液化，利用高温和高压将生物质分解成燃料和化学品。热解过程中，生物质在无氧条件下分解为生物炭、生物油和合成气。生物油是一种复杂的有机化合物混合物，可用于生产汽油和柴油替代品。合成气主要由一氧化碳、氢气和二氧化碳组成，可用于发电、化工合成和液体燃料生产。

生物化学转化则依赖于生物系统，如微生物和酶，将生物质转化为生物燃料、生物化学品和其他生物产品。厌氧消化是一种利用微生物在无氧条件下分解有机材料，产生沼气（主要成分是甲烷和二氧化碳）和消化残渣（富含营养物质）的过程。沼气可用于发电、供热或经过净化后作为车辆燃料使用。消化残渣则可作为有机肥料使用，提高土壤肥力并减少对化学肥料的依赖。发酵过程则通过微生物如酵母（如酿酒酵母）将生物质中的糖转化为乙醇，或通过乳酸菌生成乳酸，用于生产生物可降解塑料（如聚乳酸）或食品添加剂。此外，酶解过程利用特定的酶（如纤维素酶）将复杂的碳水化合物分解为简单的分子，如糖、氨基酸和脂肪酸。这些分子可进一步用于生产生物燃料和生物化学品。

综合这些化学和生物化学转化技术，可以优化农业废弃物的利用效率，减少对化石燃料的依赖，并推动循环经济的发展。例如，酶解后可以进行发酵以生产乙醇，而厌氧消化的残渣则可以进行堆肥以提高其作为土壤改良剂的价值。这些方法的整合不仅有助于提升生物质转化的整体效率，还能为农业废弃物的可持续利用提供更广泛的路径。

农业废弃物的转化能够产生多种高附加值产品，包括生物炭、生物油、合成气、生物柴油、沼气、生物乙醇、堆肥和特种化学品。这些产品在环境和经济上具有广泛的应用，从可再生能源到土壤改良剂，再到工业化学品。例如，生物炭是通过热解产生的碳基材料，具有高比表面积和孔隙率，能够提高土壤肥力、促进有益微生物活动并增强水分保持能力，从而提高作物产量。此外，生物炭还能作为碳封存工具，将碳储存在土壤中，有助于缓解气候变化。生物炭的应用还扩展到水过滤和建筑材料领域，如混凝土和绝缘材料。

生物油是一种从生物质热解中获得的深色粘稠液体，含有酸、酚和醛等多种有机化合物。生物油可以进一步精炼为各种生物燃料，如汽油和柴油替代品，为化石燃料提供可再生替代品。除了作为燃料，生物油还可以用于生产特种化学品，如酚类化合物和丙酮，这些化学品在塑料和制药工业中有广泛应用。生物油的多功能性还使其适用于工业燃烧器和热能生成，为生物质的高效利用提供支持。

合成气是一种由生物质气化产生的气体混合物，主要由氢气、一氧化碳和二氧化碳组成。这种气体可以用于发电、化工合成以及进一步转化为液体燃料，如合成汽油和柴油。合成气的利用不仅有助于能源多样化，还能减少对传统化石燃料的依赖，推动可持续能源发展。

沼气是通过有机农业废弃物（如作物残渣和动物粪便）的厌氧消化产生的富含甲烷的可再生能源。沼气可以用于发电和供热，特别是在联合供热发电（CHP）系统中，为住宅和工业提供能源。沼气还可以升级为可再生天然气（RNG），用于天然气车辆。沼气生产的副产品，即消化残渣，富含营养成分，可作为土壤改良剂，提高土壤肥力并支持农业生产力。此外，沼气的生产有助于管理有机废弃物，减少垃圾填埋的使用并降低温室气体排放。影响沼气产量的因素包括原料组成、处理温度、停留时间和微生物群落的效率。优化这些参数对于最大化沼气产量至关重要。

生物肥料是厌氧消化过程中产生的消化残渣，富含营养成分，可作为生物肥料使用。生物肥料的组成取决于原料特性和消化过程的效率。为了确保生物肥料的有效性和安全性，必须对消化残渣进行适当的处理和成熟，包括病原体去除和增强其农用价值。然而，优化生物肥料的使用需要解决原料组成变化、消化残渣管理以及经济可行性等挑战。例如，原料的多样性可能影响厌氧消化的效率，因此需要采用共消化策略，即同时处理多种原料，以管理这种变化。此外，有效的消化残渣管理包括消化后处理，如固液分离和堆肥，以提高生物肥料的质量并减少环境风险。经济可行性也是生物肥料应用的重要因素，原料成本、政府激励措施以及生物气和生物肥料的市场价值都会影响这些系统的经济可行性。总体而言，厌氧消化为生成可再生能源（沼气）和有价值营养（生物肥料）提供了一种可持续的方法。解决原料多样性、消化残渣管理和经济可行性等挑战对于在农业领域广泛实施厌氧消化至关重要，有助于实现循环经济原则和可持续农业实践。

生物活性化合物的提取是农业废弃物价值增加的另一个重要领域。农业废弃物通常被视为废物，但它们富含抗氧化剂、多酚和精油等生物活性化合物，这些化合物对人体健康有益，并在多个行业中找到应用。溶剂提取是一种基础技术，通过选择性溶剂溶解并提取特定的生物活性分子。这一过程包括浸泡、索氏提取和超声波辅助提取等方法。溶剂的选择至关重要，应根据目标化合物的极性进行调整。此外，色谱技术在生物活性化合物的分离和纯化中起着关键作用。例如，柱色谱、高效液相色谱（HPLC）和气相色谱（GC）等技术可以根据物理化学特性进行精确分离，提供高分辨率和高特异性。这些先进的技术使研究人员和工业界能够高效提取、定量和纯化生物活性化合物。然而，提取过程的挑战包括溶剂的选择和条件的优化，以及如何将这些技术扩展到工业规模以满足市场需求。随着可持续性成为核心议题，对绿色提取方法和集成化技术的探索日益增多，这与循环经济原则相契合。

农业废弃物的利用不仅有助于减少污染，还能促进可持续工业的发展。农业废弃物在多个领域具有广泛的应用，包括可再生能源、生物燃料、土壤改良剂和工业化学品。例如，通过酶解和发酵，农业废弃物可以转化为生物乙醇、有机酸和酶，这些产品在食品、制药和工业领域具有重要价值。农业废弃物的利用还能够为生物塑料的生产提供原料，如玉米秸秆、甘蔗渣和小麦秸秆，这些材料富含纤维素和半纤维素，是生物乙醇生产的关键成分。通过预处理和酶解将这些材料转化为可发酵糖，再通过微生物发酵生产生物乙醇，不仅提高了农业废弃物的利用效率，还为传统原料如玉米提供了可持续的替代品。这种做法支持了清洁能源的发展，并推动了可持续农业实践。

生物塑料的生产则从农业废弃物中提取的生物基材料，如纤维素和半纤维素，通过聚合反应生成。这些生物塑料不仅能够减少对化石燃料的依赖，还能显著降低环境影响，因为它们来源于可再生资源。此外，农业废弃物还可以用于生产生物基聚合物，如聚乳酸（PLA）和聚羟基烷酸酯（PHA），这些材料在包装和汽车工业中具有广泛应用。生物塑料的生产为传统塑料提供了一种环保替代品，同时减少了废弃物的产生。

农业废弃物的处理还涉及到废弃物的管理，特别是在预处理过程中产生的高含酸或碱的废水。例如，酸性水解处理会生成富含糠醛、酚类化合物和有机酸的酸性废水，而碱性处理则可能产生高pH值的废水，其中含有溶解的木质素和酚类化合物。这些预处理产生的废弃物需要得到有效的处理和管理，以减少对环境的影响并确保符合可持续发展目标。例如，通过中和、沉淀和先进的分离技术，可以处理这些酸性或碱性废水，减少其对水体和土壤的污染。

此外，农业废弃物的处理还可以通过生物修复技术进行，如使用微生物或藻类去除处理后的废水中可能存在的有毒物质。例如，某些真菌菌株能够有效降解木质素中的酚类化合物，而藻类则可以去除重金属和回收营养物质。这些方法虽然环保，但需要仔细的设计和操作控制。

农业废弃物的利用不仅对环境有益，还具有显著的经济潜力。例如，通过高效利用农业废弃物，可以创造新的市场机会，为农民和农村社区提供额外的收入来源。这不仅促进了农村经济发展，还增强了农业部门的经济韧性。此外，通过建立农业废弃物的收集和运输网络，可以优化供应链，减少运输过程中的能源消耗和排放。

农业废弃物的可持续利用需要多方面的努力。这包括技术创新，如微波辅助和离子液体预处理技术，这些技术能够提高复杂木质纤维素结构的可利用性。此外，整合生物精炼厂的概念正在改变农业废弃物利用的未来，旨在通过一系列的处理步骤最大化农业废弃物的利用，生产多种有价值的产物。精准农业技术与循环经济原则的结合，也有助于更高效地收集和利用农业废弃物，优化资源使用。合成生物学和代谢工程正在开辟新的领域，以定制微生物，使其能够高效地将农业废弃物转化为生物燃料和特种化学品。此外，先进的废弃物转化为能源技术以及将农业废弃物升级为高价值产品的探索，展示了农业废弃物利用的多样化未来。数字技术和人工智能则有望优化价值链的各个阶段，提高农业废弃物利用的可持续性和竞争力。随着这些趋势的融合，农业废弃物的利用前景广阔，为建立一个更可持续、循环和基于生物的经济提供了新的路径。

农业废弃物的可持续管理不仅是环保需求，更是推动经济转型的重要手段。通过先进的技术和创新的处理方法，农业废弃物可以被转化为多种高价值产品，如生物能源、生物燃料、生物材料和其他工业产品。这些产品能够减少对有限资源的依赖，同时降低环境影响，推动可持续发展。随着全球对气候变化、资源短缺和环境退化的关注日益增加，农业废弃物的可持续管理已成为实现可持续发展和循环经济的重要路径。