外源微生物及輔料對秸稈降解效果的影響

張慶華， 趙新海， 鐘麗娟， 關(guān)艷麗

(遼寧省微生物科學(xué)研究院，遼寧 朝陽 122000)

外源微生物及輔料對秸稈降解效果的影響

張慶華， 趙新海， 鐘麗娟， 關(guān)艷麗

(遼寧省微生物科學(xué)研究院，遼寧 朝陽 122000)

研究加入外源微生物及添加輔料對秸稈降解率的影響。通過秸桿固體培養(yǎng)進(jìn)行了降解試驗(yàn)，結(jié)果顯示，加入外源微生物后纖維素降解率明顯提高，嗜熱側(cè)孢霉可提高34.76%，放線菌可提高18.99%。通過在秸稈中加入輔料香菇菌糠，培養(yǎng)后秸稈的纖維素含量由原來的32.11%降至14.19%，降解率達(dá)55.81%。加入外源微生物的秸稈降解過程具有升溫快、溫度高及高溫維持時間長等優(yōu)點(diǎn)。加入微生物的秸稈降解高溫維持8 d，對照為6 d。秸稈降解過程中的最高溫度分別 為63 ℃和58 ℃。為下一步外源微生物的進(jìn)一步研究及菌糠的大量利用提供參考。

外源微生物；輔料；纖維素降解率

作物秸稈是僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界每年可產(chǎn)生秸稈近20億t，我國農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量約為 6～7億 t[1]，居世界之首，其中以玉米、小麥和稻谷秸稈為主，占總秸稈產(chǎn)量的80%。農(nóng)作物秸稈除含有氮、磷、鉀和有機(jī)碳養(yǎng)分外，還可提供相當(dāng)數(shù)量的中量、微量元素和氨基酸等有機(jī)營養(yǎng)成分，是一種良好的作物所需養(yǎng)分的供給源和土壤改良劑[2-3]。傳統(tǒng)的堆肥時間長，不利于養(yǎng)分的保存和利用。大量研究表明合理地接種外源微生物有利于縮短發(fā)酵時間，促進(jìn)難分解物質(zhì)的降解，從而提高基質(zhì)的品質(zhì)[4]。目前使用微生物發(fā)酵劑促進(jìn)秸稈等發(fā)酵的研究較多，多數(shù)注重常規(guī)菌種的篩選[5-6]。本研究側(cè)重研究外源微生物(包括嗜熱菌)、輔料添加對秸稈降解率的影響，達(dá)到縮短發(fā)酵周期、提高降解率的目的，為獲得快速的秸稈生物降解技術(shù)提供參考。

1 材料與方法

1.1材料

1.1.1 秸稈 降解試驗(yàn)所用的秸稈采自遼寧省朝陽市龍城區(qū)西大營子鎮(zhèn)。切分長度為2 cm，備用。

1.1.2 菌種 綠色木霉(TrichodermaviridePersoon ex Fries)、黑曲霉(Aspergillusniger)、放線菌(Streptomycessp.)、嗜熱側(cè)孢霉(Sporotrichumthermophile)、墨汁鬼傘(Coprinopsisatramentaria)，分別制成0.5×107個/mL的孢子懸液，備用。

1.1.3 培養(yǎng)基 營養(yǎng)肉汁瓊脂；高氏一號培養(yǎng)基；PDA培養(yǎng)基。

1.2方法

1.2.1 菌種篩選試驗(yàn)[7-8]以直徑9 cm的標(biāo)本瓶為培養(yǎng)容器，每瓶秸稈裝量150 g，添加尿素1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，接種量1%，料水比1∶4，物料裝好后，在上面覆土100 g，30 ℃培養(yǎng)40 d。

1.2.2 秸稈降解試驗(yàn)[9]以直徑20 cm的標(biāo)本瓶為培養(yǎng)容器，每瓶秸稈裝量500 g，添加尿素1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，接種量1%，料水比1∶4，物料裝好后，在上面覆土500 g，30 ℃培養(yǎng)40 d。

1.2.3 加入不同輔料的秸稈降解試驗(yàn)[10-11]設(shè)3組不同輔料的秸稈降解試驗(yàn)，輔料分別為質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的土、稻殼粉、香菇菌糠，菌種為嗜熱側(cè)孢霉。其他操作同1.2.2。

1.2.4 加入不同量香菇菌糠的秸稈降解試驗(yàn) 通過加入10%、20%、30%、40%和50%不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的菌糠，觀察秸稈的降解效果，菌種為嗜熱側(cè)孢霉。其他操作同1.2.2。

1.2.5 加入不同氮源的秸稈降解試驗(yàn) 在秸稈中分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的牛糞、雞糞和尿素作為氮源，菌種為嗜熱側(cè)孢霉。其他操作同1.2.2。

1.2.6 纖維素含量及纖維素降解率測定方法 采用范式洗滌劑分析法[12-13]。樣品(W)經(jīng)中性洗滌劑煮沸，不溶解的殘?jiān)鼮橹行韵礈炖w維，再用酸性洗滌劑煮沸，不溶解的殘?jiān)鼮樗嵝韵礈炖w維W2，酸性洗滌纖維經(jīng)75%硫酸處理，殘?jiān)鼮閃3。纖維素含量(%)=((W2-W3)/W)×100%；纖維素降解率(%)=((降解后的纖維素含量-降解前的纖維素含量)/降解前的纖維素含量)×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1不同微生物在秸稈中的生長情況

嗜熱側(cè)孢霉、放線菌、鬼傘、黑曲霉、木霉等5株菌種在秸稈中生長旺盛，培養(yǎng)第6天時木霉菌數(shù)達(dá)到2.6×108cfu/g(表1)，微生物良好的生長有利于底物纖維素的降解。圖1為不同微生物在秸稈中的生長情況。圖2為秸稈降解40 d結(jié)束時的外觀形態(tài)，秸稈因降解顏色變得較黑、質(zhì)地變軟。

表1 不同菌株在秸稈中的生長

圖1 不同菌株在秸稈中的生長Fig.1 Growth of different strains in straw

圖2 秸稈降解40 d結(jié)束時的外觀形態(tài)Fig.2 Appearance of straw degradation at the end

2.2不同微生物的秸稈降解試驗(yàn)

進(jìn)行了嗜熱側(cè)孢霉、放線菌、大型真菌(鬼傘)、黑曲霉及木霉的秸稈降解試驗(yàn)，結(jié)果見表2。從培養(yǎng)40 d時的纖維素含量看，加入高溫菌嗜熱側(cè)孢霉后纖維素含量明顯降低，嗜熱側(cè)孢霉纖維素降解率提高34.76%，放線菌纖維素降解率提高18.99%。結(jié)果顯示，秸稈降解過程中引入外源微生物有利于秸稈的降解，為進(jìn)一步研究外源微生物的高效利用奠定了基礎(chǔ)。

表2 不同微生物纖維素降解

2.3輔料對秸稈降解效果的影響

在秸稈中分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的土、稻殼粉及香菇菌糠等輔料進(jìn)行降解試驗(yàn)，結(jié)果見表3。從表3看出，加入輔料后，纖維素含量顯著下降，加入菌糠的最明顯，纖維素降解率達(dá)55.81%。結(jié)果表明，菌糠的加入有利于微生物的生長，纖維素降解率顯著提高。

表3 輔料對秸稈降解效果的影響

2.4不同菌糠加入量對秸稈降解效果的影響

通過加入10%、20%、30%、40%和50%不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的菌糠，觀察秸稈的降解效果。從表4結(jié)果看出，菌糠的加入量為30%時，培養(yǎng)后的秸稈纖維素含量最低，其纖維素降解率為68.75%。

表4 不同菌糠加入量對秸稈降解效果的影響

2.5不同氮源對秸稈降解效果的影響

在菌糠中加入不同氮源進(jìn)行降解試驗(yàn)，結(jié)果見表5。加入尿素的秸稈纖維素含量顯著下降，纖維素降解率達(dá)65.12%，在秸稈的降解過程中，無機(jī)氮源可代替有機(jī)氮源，有利于下一步秸稈降解工藝穩(wěn)定性研究。

表5 不同氮源對秸稈降解效果的影響

2.6秸稈降解過程中溫度變化

從秸稈降解過程中溫度變化曲線可以看出(圖3)，加入外源微生物的秸稈具有升溫快、溫度高及高溫維持時間長等優(yōu)點(diǎn)。加入菌種的秸稈高溫維持8 d，對照為6 d，降解過程最高溫度分別為63 ℃和58 ℃。

圖3 秸稈降解過程中的溫度變化Fig.3 The temperature change in the process of straw degradation

3 討 論

本研究將外源微生物用于秸稈降解，木霉和嗜熱側(cè)孢霉是高纖維素酶活力產(chǎn)生菌，有利于秸稈纖維素的降解。秸稈堆積后，物料快速升溫，溫度可達(dá)60 ℃以上，有利于高溫菌的快速繁殖，分泌大量纖維素酶，纖維素降解率明顯提高，嗜熱側(cè)孢霉提高34.76%，高溫放線菌提高18.99%。在秸稈中加入輔料菌糠，首先菌糠可以縮小秸稈間的空隙，有利于微生物的生長，同時菌糠可以為微生物提供可溶性碳和微量元素及高酶活性物質(zhì)，培養(yǎng)后秸稈的纖維素含量由原來的32.11%降至14.19%，降解率為55.81%，所以在降解秸稈的同時，為菌糠的開發(fā)利用提供了新途徑。加入微生物菌種的秸稈降解過程具有升溫快、溫度高及高溫維持時間長等優(yōu)點(diǎn),與胡海江、焦有宙等報(bào)道的一致[14-15]。加入菌種的秸稈高溫維持8 d，對照為6 d，秸稈降解過程的最高溫度分別為63 ℃和58 ℃。在秸稈的降解過程中，除了纖維素的降解，木質(zhì)素的分解也起著至關(guān)重要的作用，下一步研究將引入木質(zhì)素優(yōu)勢降解菌環(huán)狀芽胞桿菌、黃孢原毛平革菌和雜色云芝等，為秸稈的快速降解建立高效的微生物復(fù)合菌系。

[1] 張炳欣,張平.植物根圍外來微生物定殖的檢測方法[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào),2000,26(6):624-628.

[2] 黎志坤，朱紅惠. 一株番茄青枯病生防菌的鑒定與防病、定殖能力[J].微生物學(xué)報(bào)，2010，50(3)：342-349.

[3] 宋芳芳，任萍，徐建良，等.水稻秸稈在旱作土壤中的降解過程及降解菌劑施用效果[J].中國土壤與肥料,2015,(2)：103-109.

[4] 王垚，羅韻，梁宗琦，等.幾種耐熱戴氏霉對秸稈的降解效果[J].微生物學(xué)通報(bào),2015,42(7)：1279-1286.

[5] 徐春淼，韋中，廖漢鵬，等.一種評價稻桿降解菌分解能力的方法[J].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2015,38(3)：417-423.

[6] 馬志遠(yuǎn)，羅晶，馮志珍，等.具有生防功效的玉米秸稈降解復(fù)合菌系的構(gòu)建[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012,40(4)：115-119.

[7] 李慧君,杜雙田,孫婷,等.纖維素分解菌的篩選及玉米秸稈降解[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2010,19(8):74-79.

[8] 聶麥茜,劉加昌,朱玉璽,等.纖維素降解菌篩選分離與 CMC酶提取及其活性研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,39(19):56-58.

[9] 趙林果,金耀光,李強(qiáng),等.白腐菌及黑曲霉所產(chǎn)的纖維素復(fù)合酶對稻草秸稈的生物降解[J].中國生物工程雜志,2007,27(3):71-75.

[10] 宋波,羊鍵.一株降解纖維素的放線菌的篩選及其產(chǎn)酶條件的研究[J].微生物學(xué)雜志,2005,25(5):36-39.

[11] 辛健康.纖維素酶高產(chǎn)菌選育及固態(tài)發(fā)酵條件研究[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2004.

[12] 史央,蔣愛芹,戴傳超,等.秸稈降解的微生物學(xué)機(jī)理研究及應(yīng)用進(jìn)展[J].微生物學(xué)雜志,2002,22(1):47-50.

[13] 謝君,孫迅,任路,等.側(cè)耳菌與粗毛栓菌在麥草培養(yǎng)基中產(chǎn)生木質(zhì)纖維素降解酶的研究[J].生物工程學(xué)報(bào),2001,17(5):75-78.

[14] 胡海江，孫繼穎，高聚林，等.低溫高效降解玉米秸稈復(fù)合菌系發(fā)酵條件優(yōu)化及腐解菌劑研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2016,35(8)：1602-1609.

[15] 焦有宙，高贊，李剛，等.不同土著菌及其復(fù)合菌對玉米秸稈的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2015,31(23)：201-205.

EffectofExogenousMicroorganismsandExcipientsonDegradationofStraw

ZHANG Qing-hua, ZHAO Xin-hai, ZHONG Li-juan, GUAN Yan-li

(LiaoningAcad.ofMicrobiol.Sci.,Chaoyang12200)

The effects of adding exogenous microbes and subsidiary materials on crop stalks degradation were studied. The degradation experiment was carried out through solid culture of crop stalks, the results showed that after adding exogenous microbes the degradable rates of cellulose increased,Sporotrichumthermophilecould increase by 34.76%,Actinomycescould increase by 18.99%. By adding subsidiary materials ofxianggumushroom chaff into crop stalks the cellulose decreased from 32.11% to 14.1% after the cultivation, with degradable rate at 55.81%. And the adding exogenous microbes into crop stalks the degradation process possessed the advantages of fast rise in temperature, high temperature as well as long maintenance of the high temperature etc. The high temperature in crop stalks degradation with the addition of microbes maintain for 8 d, while the control one 6 d. And the high temperature during crop stalks degradation process was 63 ℃ and 58 ℃ respectively. This study provided references on next step for further study on large scale utilization of exogenous microbes as well as mushroom chaff.

exogenous microorganisms; subsidiary material; degradation rate of cellulose

遼寧省農(nóng)業(yè)公關(guān)項(xiàng)目(2014215016)

張慶華 女,研究員。從事微生物菌種選育及發(fā)酵技術(shù)研究。E-mail:zhang_qinghua@126.com

2017-05-04；

2017-06-21

Q939.9

A

1005-7021(2017)04-0060-04

10.3969/j.issn.1005-7021.2017.04.010

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