腐稈劑快速分解水稻秸稈的機理及效果研究

楊 帆，羅 琳，魏建宏，何 飚

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，湖南 長沙 410128）

從20世紀(jì)80年代開始我國農(nóng)業(yè)得到大力發(fā)展，各種糧食作物的產(chǎn)量大幅度提高，但是在解決了糧食問題的同時，各種作物秸稈的量隨著糧食產(chǎn)量的提高不斷增加，大量秸稈的堆積給環(huán)境造成了壓力，秸稈的處理方式形成了新的環(huán)境問題[1]。秸稈催腐劑是一種高效的微生物制劑，它能將秸稈催腐后進行還田利用[2]。腐稈劑內(nèi)含有大量的各種微生物群體，且能分泌多種微生物酶催化分解秸稈中的粗纖維，從而使秸稈迅速腐爛[3]，同時它的使用對土壤的抗病、增肥也具有一定的作用[4]。因此，研究腐稈劑在催腐秸稈過程中所產(chǎn)生的生化作用及其機理具有重要意義[5]。

1 材料與方法

1.1 材料

采用由佛山金葵子科技有限公司提供的秸稈腐熟劑作為研究對象，水稻秸稈采自湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)周邊稻田。試驗中所用儀器、器皿均經(jīng)過高溫高壓消毒。

1.2 試驗設(shè)計

分別稱取30 g稻草粉加入6個（1個處理樣，1個對照樣，3個重復(fù)）500 mL錐形瓶中，同時稱取10 g稻草粉加入6個250 mL錐形瓶中。在500 mL錐形瓶處理樣中加入0.06 g的腐稈劑混勻。在250 mL錐形瓶處理樣中加入0.02 g的腐稈劑混勻。所有錐形瓶均置于30℃培養(yǎng)。

1.3 測定指標(biāo)和分析方法

每3 d無菌條件下稱取5.000 0 g+0.000 1 g樣品，1 g放入100 mL錐形瓶中，并相應(yīng)貼好標(biāo)簽，用移液管各加蒸餾水10 mL，稍作振蕩后，放入200 r/min搖床中振蕩浸提1 h。振蕩完畢后，略靜置，用濾紙過濾再將清液裝入離心管，蓋好蓋子，對稱放入離心機，在10 000 r/min下離心15 min。上清液用于檢測纖維素酶、半纖維素酶、酚氧化酶的活性。2 g用于微生物群落測定，2 g烘干測定含水率，烘干樣用于木質(zhì)纖維素三組分含量的測定。

1.3.1 纖維素酶酶活力的測定 主要檢測內(nèi)切葡聚糖酶活力。取0.1 mL適當(dāng)稀釋酶液，加入0.9 mL 0.05 mol/L pH 4.8的檸檬酸緩沖溶液配制成的1%羧甲基纖維素鈉溶液，50℃下反應(yīng)30 min，用DNS法測定還原糖。定義釋放1 μmol/min還原糖所需的酶量為1個酶活單位U。纖維素酶的酶活力單位用下式計算：

式中：A為OD值在標(biāo)準(zhǔn)曲線上對應(yīng)的木糖量（mg）；D為酶液稀釋倍數(shù)。

1.3.3 酚氧化酶酶活力的測定 1 cm光徑比色杯中含總反應(yīng)體系2.9 mL（2.85 mL 0.2 mmol/L pH 7.0磷酸鹽緩沖液，50 μL 60 mmol/L的兒茶酚溶液），加入100 μL酶液啟動反應(yīng)。在25℃、420 nm下測定反應(yīng)3 min后光密度的增加值。定義3 min內(nèi)引起光密度增加0.01的酚量為1個酶活單位U。

1.3.4 微生物群落的演替 采用純種分離技術(shù)，平板菌落計數(shù)方法分別計算細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量。

1.3.5 木質(zhì)纖維素三組分的測定 參照王玉萬等[6]的定量分析程序測定木質(zhì)纖維素3種組分含量，并計算出各組分的絕對含量及其降解率。

式中：A為OD值在標(biāo)準(zhǔn)曲線上對應(yīng)的葡萄糖量（mg）；D為酶液稀釋倍數(shù)。1.3.2 半纖維素酶酶活力的測定 主要檢測木聚糖酶活力。取0.1 mL適當(dāng)稀釋酶液，加入0.9 mL 0.1 mol/L pH 4.8的醋酸緩沖溶液配制成的1%木聚糖溶液，50℃下反應(yīng)60 min，用DNS法測定還原糖。定義釋放1 μmol/min還原糖所需的酶量為1個酶活單位U。半纖維素酶的酶活力單位用下式計算：

2 結(jié)果與分析

2.1 添加腐稈劑對稻草腐解過程中纖維素酶的影響

添加腐稈劑對稻草腐解過程中纖維素酶的活性的影響如圖1所示，與對照相比，添加腐稈劑后纖維素酶的活性在前3 d基本沒什么變化，而在隨后的培養(yǎng)過程中，纖維素酶的活性均比空白要高，說明添加腐稈劑有利于纖維素酶活的產(chǎn)生，且?guī)缀踉谡麄€發(fā)酵過程中均有所增強。

2.2 添加腐稈劑對稻草腐解過程中半纖維素酶的影響

圖1 羧甲基纖維素酶的活性變化

添加腐稈劑對稻草腐解過程中半纖維素酶的活性的影響如圖2所示，添加腐稈劑后半纖維素酶的活性從一開始就表現(xiàn)出增加趨勢，在6～12 d幾乎保持穩(wěn)定的活性，在培養(yǎng)后期有所下降，但總體比空白樣中的酶活要高。

圖2 木聚糖酶的活性變化

2.3 添加腐稈劑對稻草腐解過程中酚氧化酶的影響

添加腐稈劑對稻草腐解過程中酚氧化酶的活性的影響如圖3所示，添加腐稈劑后酚氧化酶的活性在培養(yǎng)初期并沒有增加，但從第9天開始便呈現(xiàn)明顯的上升趨勢。

圖3 酚氧化酶的活性變化

2.4 添加腐稈劑對稻草腐解過程中生物量的影響

2.4.1 細(xì)菌微生物量的變化 細(xì)菌微生物量的變化曲線如圖4所示，經(jīng)過3 d的腐解后，添加了腐稈劑的處理樣中細(xì)菌數(shù)量明顯增加，但在后期數(shù)量沒有明顯優(yōu)勢，這是因為腐稈劑中含有大量纖維素分解細(xì)菌，而纖維素和半纖維素的分解主要發(fā)生在腐解的前期過程。同時研究中發(fā)現(xiàn)在添加了腐稈劑的處理樣中主要有幾種優(yōu)勢菌，這可能是因為腐稈劑中含有的大量纖維素分解細(xì)菌在腐解過程逐漸成為優(yōu)勢菌種。

圖4 稻草腐解過程中細(xì)菌微生物量的變化

2.4.2 真菌微生物量的變化 真菌微生物量的變化曲線如圖5所示，在腐解的前6 d，添加了腐稈劑的處理樣中真菌的數(shù)量與空白樣中相當(dāng)甚至更低一些，但從第9天開始，其中的真菌數(shù)量明顯多于空白樣，這可能是因為腐稈劑中含有大量木質(zhì)素分解真菌，而木質(zhì)素的降解又主要發(fā)生在纖維素和半纖維素的降解之后，即發(fā)酵過程的后期階段。因此，真菌數(shù)量在后期才表現(xiàn)出明顯的增長趨勢。

圖5 稻草腐解過程中真菌微生物量的變化

2.4.3 放線菌微生物量的變化 放線菌微生物量的變化曲線如圖6所示，在整個腐解過程中，添加了腐稈劑的處理樣中的放線菌微生物量均高于空白樣，這可能是因為腐稈劑中含有大量具有分解纖維素和木質(zhì)素的放線菌，并且在腐解的整個過程中都表現(xiàn)出較強的生長優(yōu)勢。

2.5 添加腐稈劑對稻草腐解過程中木質(zhì)纖維素三組分降解率的影響

2.5.1 纖維素降解率的變化 纖維素降解率的變化曲線如圖7所示，經(jīng)過18 d的腐解，空白樣與添加了腐稈劑的處理樣纖維素降解率分別為28.91%，37.88%，這說明添加腐稈劑對纖維素的降解起到了一定的促進作用。同時從圖中還可以看到，各個樣品的纖維素降解主要發(fā)生在3 d以后，這與監(jiān)測的纖維素酶活數(shù)據(jù)反映的情況基本一致。

圖6 稻草腐解過程中放線菌微生物量的變化

圖7 稻草腐解過程中纖維素降解率的變化

2.5.2 半纖維素降解率的變化 半纖維素降解率的變化曲線如圖8所示，隨著腐解過程的進行，各個堆體的半纖維素的降解率都呈明顯的上升趨勢。經(jīng)過18 d的腐解，空白樣與添加了腐稈劑的處理樣纖維素降解率分別為28.68%，36.87%，這說明添加腐稈劑對半纖維素的降解起到了一定的促進作用。同時從圖中還可以看到，各個樣品的半纖維素降解從一開始就有發(fā)生，而與之對應(yīng)的半纖維素酶活也是從一開始就表現(xiàn)出增強的趨勢。

圖8 稻草腐解過程中半纖維素降解率的變化

2.5.3 木質(zhì)素降解率的變化 木質(zhì)素降解率的變化曲線如圖9所示，經(jīng)過18 d的腐解，空白樣與添加了腐稈劑的處理樣木質(zhì)素降解率分別為12.29%和17.82%，同時從圖中還可以看到，各個樣品的木質(zhì)素在前期降解不明顯，在后期才表現(xiàn)出較強的降解能力。

圖9 稻草腐解過程中半纖維素降解率的變化

3 結(jié)論

（1）腐稈劑的添加在稻草腐解過程中對纖維素酶、半纖維素酶、酚氧化酶的活性均有明顯影響，腐稈劑對促進秸稈腐化進程有顯著效果。

（2）添加腐稈劑后細(xì)菌、真菌和放線菌的生物量均有明顯增加，但具有促進作用的時間有所不同。細(xì)菌的生物量主要在腐解前期增加，而真菌的生物量主要在腐解后期增加，放線菌的生物量在整個腐解過程都表現(xiàn)出較強的增加趨勢。

（3）添加腐稈劑后，稻草秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的降解率均有所提高。這說明：腐稈劑中富含有大量的纖維素降解菌和木質(zhì)素降解菌，它們在生長繁殖過程中分泌出大量纖維素酶、半纖維素酶和酚氧化酶，從而促進木質(zhì)纖維素三組分的降解。

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