頭孢菌素C菌渣厭氧發(fā)酵沼液對玉米、小麥種子萌發(fā)的影響

劉華嬌 習彥花 饒碩

摘要：為解決頭孢菌素C藥渣厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的大量沼液資源化利用問題，以玉米、小麥種子為供試材料，分別采用不同稀釋濃度的沼液進行處理，通過浸種和直接催芽試驗，確定沼液對玉米和小麥種子萌發(fā)的影響。結(jié)果表明，在一定濃度范圍內(nèi)，沼液浸種和催芽不同程度地促進了玉米、小麥的萌發(fā)，其中，沼液浸種對種子萌發(fā)的促進作用比沼液直接催芽更明顯，沼液稀釋50倍浸種玉米，稀釋100倍浸種小麥綜合效果最佳。最適濃度沼液浸種玉米的發(fā)芽率、平均濕質(zhì)量、芽長、根長分別比對照組提高了10.11%、22.53%、26.18%、14.44%;小麥種子的發(fā)芽率、平均濕質(zhì)量、芽長、根長分別比對照組提高了5.38%、21.99%、5.82%、7.49%。

關(guān)鍵詞：頭孢菌素C菌渣;小麥種子;玉米種子;浸種;催芽

中圖分類號： S513.01;S512.01 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）22-0097-05

我國是世界上最大的抗生素原料藥生產(chǎn)與出口國，其中頭孢菌素類抗生素產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的80%以上[1]。生產(chǎn) 1 t 抗生素約產(chǎn)生8～10 t濕菌渣，僅河北省頭孢菌素藥渣年產(chǎn)量就達14.2萬t左右[2]?？股鼐晃覈鞔_列為危險廢物，如何實現(xiàn)菌渣的安全處置與合理有效利用成為我國制藥工業(yè)亟待解決的難題。厭氧發(fā)酵技術(shù)適合處理有機質(zhì)含量高的底物，而抗生素菌渣具有高蛋白的特點，因此，厭氧發(fā)酵成為無害化、資源化處理抗生素菌渣，使其能夠真正投入到實際應(yīng)用的有效途徑。

目前，我國關(guān)于農(nóng)業(yè)有機廢棄物沼液特性、使用方法及對農(nóng)作物的影響等方面的研究較多[3-4]，而對抗生素菌渣厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼渣沼液肥料化應(yīng)用的研究和報道較少。因此，本研究利用頭孢菌素C菌渣厭氧發(fā)酵沼液[該沼液經(jīng)高效液相色譜（HPLC）和生物學方法未檢測到有抗生素殘留]處理玉米和小麥種子，進行浸種和催芽試驗，以期為抗生素菌渣厭氧發(fā)酵沼液的肥料化利用奠定基礎(chǔ)，為沼液在玉米、小麥浸種和催芽上的合理應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

本試驗于2018年3—7月在河北省科學院生物研究所完成。

1.1 試驗材料

小麥（中麥9號）、玉米（興農(nóng)998）種子均購自河北省農(nóng)林科學院。頭孢菌素C藥渣發(fā)酵沼液來自華北制藥厭氧發(fā)酵系統(tǒng)，具體理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗方法

1.2.1 沼液稀釋 ?采用去離子水按體積比稀釋沼液，獲得稀釋倍數(shù)為0、2、5、10、20、50、100、200倍的沼液，以不加沼液的清水作為對照（CK）。

1.2.2 沼液浸種 選取成熟、飽滿、均勻一致的健康種子，置于直徑為12 cm的培養(yǎng)皿中，分別取40 mL稀釋后不同濃度的沼液浸泡20 h，然后用清水沖洗干凈，通風晾干;選取20粒浸泡好的種子均勻擺放于鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿中，每個處理3個重復(fù)，置于28 ℃恒溫箱中培養(yǎng)，每天視平板中濾紙的濕度噴灑適量清水。統(tǒng)計發(fā)芽情況并計算發(fā)芽率，培養(yǎng)第7天測量種子濕質(zhì)量、芽長和根長等生長指標。

1.2.2 沼液直接催芽 分別向鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿中注入約6 mL不同稀釋倍數(shù)沼液，以培養(yǎng)皿內(nèi)無明顯積液為準;選取成熟、飽滿、均勻一致的健康種子（玉米種子15?；蛐←湻N子20粒），均勻地播撒在濾紙上，置于28 ℃恒溫箱中培養(yǎng)，每天視平板中濾紙的濕度采用相應(yīng)濃度的沼液潤濕濾紙。統(tǒng)計發(fā)芽情況并計算發(fā)芽率，培養(yǎng)第7天測量種子濕質(zhì)量、芽長和根長等生長指標。

1.3 指標測定方法

1.3.1 發(fā)芽率 從培養(yǎng)次日開始逐日記錄種子發(fā)芽數(shù)，連續(xù)記錄7 d，計算種子萌發(fā)指標，公式如下：

發(fā)芽率=正常發(fā)芽粒數(shù)/供試種子粒數(shù)×100%。

1.3.2 生長指標測定 培養(yǎng)第7天后，從培養(yǎng)皿中取出幼苗，用毛刷刷凈其表面沙子，使用美耐特MNT-150T型數(shù)顯游標卡尺測定芽長、根長，使用賽多利斯BASA2202S型精密天平（精度為0.000 1 g）測定平均濕質(zhì)量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

所有數(shù)據(jù)利用Excel 2013和SPSS 22.0生物統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 沼液浸種對玉米、小麥種子萌發(fā)的影響

2.1.1 沼液浸種對玉米種子萌發(fā)的影響 玉米種子經(jīng)頭孢菌素C菌渣厭氧發(fā)酵沼液浸種后，其發(fā)芽率、平均濕質(zhì)量、芽長及根長均總體隨著沼液稀釋濃度的增加呈先升高后降低的趨勢，結(jié)果見圖1。由圖1-A可見，與對照組相比，原液和稀釋2、5倍沼液對玉米種子的萌發(fā)有抑制作用，當稀釋倍數(shù)為20、50倍時，發(fā)芽率達到最高，均為98%，比對照組提高了10.11%。由圖1-B可知，沼液稀釋20～100倍時，種子的平均濕質(zhì)量明顯高于對照組與其他處理組，比對照組提高了21.94%～22.53%，說明適當濃度的沼液浸種有利于增加種子的濕質(zhì)量。由圖1-C、圖1-D可知，經(jīng)沼液浸種后，玉米幼苗芽長及根長變化趨勢較為一致，原液和稀釋2、5倍沼液處理組的根長和芽長顯著低于其他處理組和對照組（P<0.05），當沼液稀釋50倍時，幼苗芽長和根長都達到最大值，分別為4.53、10.38 cm，分別比對照組提高了26.18%、14.44%。由圖2可以看出，在沼液稀釋50倍時，種子的芽和根相較于對照組更為粗壯。說明高濃度沼液浸種對玉米種子的萌發(fā)生長具有抑制作用，當稀釋濃度為50倍時，沼液浸種最有利于玉米種子的萌發(fā)及其根和芽的生長。

2.1.2 沼液浸種對小麥種子萌發(fā)的影響 由圖3可見，經(jīng)頭孢菌素C菌渣厭氧發(fā)酵沼液浸種后，小麥種子的發(fā)芽率和平均濕質(zhì)量首先隨著沼液稀釋倍數(shù)的增加逐漸增高，在稀釋倍數(shù)為100倍時達到峰值，分別為98%、169.50 mg，然后開始降低，并趨近于對照組。其中，稀釋100倍沼液處理組與對照組相比，發(fā)芽率差異不顯著，比對照組提高了5.38%（圖3-A），而平均濕質(zhì)量顯著高于對照組（P<0.05）21.99%（圖3-B）。由圖3-C、3-D可知，小麥種子經(jīng)沼液浸種后芽長和根長的變化趨勢較為一致。原液和稀釋2、5倍沼液對小麥種子芽長和根長的生長抑制作用明顯，對應(yīng)處理下的芽長和根長顯著低于對照組（P<0.05）。在沼液稀釋100倍時，芽長和根長均達到各處理組的最高值，分別為3.09、6.17 cm，分別比對照組提高了5.82%、7.49%。

由圖4可以看出，在沼液稀釋100倍時，小麥幼苗的芽和根的長勢明顯優(yōu)于對照組。說明適當濃度的沼液浸種對小麥種子芽和根的生長具有一定的促進作用。

2.2 沼液直接催芽對玉米、小麥種子萌發(fā)的影響

2.2.1 沼液直接催芽對玉米種子萌發(fā)的影響 由圖5-A可見，經(jīng)沼液直接催芽的玉米種子，在原液和2倍稀釋濃度處理下，種子的萌發(fā)率為0，稀釋100～200倍沼液處理，發(fā)芽率均高于對照組，其中沼液稀釋100倍時，種子發(fā)芽率最高，為88%，略高于對照組的86%。表明高濃度沼液催芽會嚴重抑制玉米種子的萌發(fā)，而低濃度沼液對玉米種子萌發(fā)具有促進作用，當沼液稀釋到100倍時，對玉米種子萌發(fā)的促進作用最明顯。由圖5-B可見，對照組玉米種子的平均濕質(zhì)量為953.3 mg，經(jīng)沼液催芽處理后種子的平均濕質(zhì)量大多顯著低于對照組，并且隨著沼液濃度的降低，玉米種子的平均濕質(zhì)量整體呈現(xiàn)上升趨勢。說明沼液催芽會抑制玉米種子的萌發(fā)，隨著沼液稀釋倍數(shù)的增加，對玉米種子的抑制作用逐漸解除。由圖5-C可以看出，經(jīng)沼液催芽后，在原液和2倍稀釋濃度處理下玉米種子未萌發(fā)，因此芽長為0，除100倍稀釋濃度處理外，其余濃度沼液處理下玉米幼苗的芽長均高于對照，且在沼液稀釋10倍時芽長最長，為4.59 cm，顯著高于對照組（P<0.05），說明在一定濃度范圍內(nèi)，沼液催芽對玉米幼苗芽長的伸長具有一定的促進作用。由圖5-D可以看出，隨著沼液稀釋倍數(shù)的增加，玉米幼苗的根長整體呈增長的趨勢，只有在稀釋倍數(shù)為200倍時根長稍高于對照，為7.69 cm，與對照差異不顯著。

由圖6可見，在沼液稀釋50倍時，玉米種子的芽和根比對照組稍細，長勢稍弱，但發(fā)芽率較高。

2.2.2 沼液直接催芽對小麥種子萌發(fā)的影響 由圖7-A可見，原液及2～20倍稀釋沼液抑制小麥種子萌發(fā)，其中在原液及2倍稀釋沼液處理下，種子的發(fā)芽率為0，說明高濃度沼液直接催芽對種子萌發(fā)抑制作用較強。當沼液稀釋倍數(shù)大于50倍時，種子發(fā)芽率與對照組相比略有提高，但差異不顯著。由圖7-B可見，經(jīng)沼液催芽后，各處理平均濕質(zhì)量均低于對照組，其中50倍稀釋沼液處理平均濕質(zhì)量為各處理組中最高，但與對照組差異不顯著。由圖7-C、7-D可見，經(jīng)沼液直接催芽后的小麥種子，芽長和根長整體隨沼液稀釋倍數(shù)的增大呈先增長后減小的趨勢，對照組的芽長、根長分別為4.72、7.37 cm，在沼液稀釋50倍時，芽長和根長達到最大值，分別為4.88、7.53 cm，稍高于對照組，其余處理下的根長和芽長均低于對照組。

由圖8可見，沼液原液直接催芽的小麥種子并未萌發(fā)，而50倍稀釋沼液催芽處理下的小麥種子根長和芽長與對照組相比無明顯差異，但是經(jīng)沼液直接催芽處理的種子芽和根比對照組更粗壯、更發(fā)達。說明50倍稀釋沼液對小麥種子根和芽的生長具有促進作用。

3 結(jié)論與討論

3.1 沼液浸種對玉米、小麥種子萌發(fā)的影響

沼液浸種是一種簡便、安全、效果好的新型種子處理技術(shù)，目前在各領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。本研究利用不同濃度頭孢菌素C菌渣厭氧發(fā)酵沼液對玉米、小麥種子進行浸種催芽試驗，結(jié)合發(fā)芽率、平均濕質(zhì)量、芽長和根長這4個指標進行分析，結(jié)果說明，沼液短時間浸種對玉米、小麥種子萌發(fā)和生長影響較大，高濃度沼液對種子萌發(fā)和生長有抑制作用，隨著沼液稀釋倍數(shù)的增加，抑制作用逐漸解除，并且在稀釋50倍時，對玉米種子萌發(fā)和生長有促進作用，在稀釋100倍時，對小麥種子萌發(fā)和生長有促進作用，這與吳玉紅等的研究結(jié)果[5-6]一致。

3.2 沼液直接催芽對玉米、小麥種子萌發(fā)的影響

高濃度沼液直接催芽顯著抑制種子萌發(fā)，稀釋倍數(shù)為100～200倍的沼液，對玉米種子的萌發(fā)有促進作用，但4個指標并不統(tǒng)一;稀釋倍數(shù)為50倍的沼液，對小麥種子的萌發(fā)和生長有促進作用。綜合看來，在一定濃度范圍內(nèi)，沼液催芽對玉米、小麥種子的萌發(fā)有一定的促進作用，但與對照相比無顯著差異。

通過比較分析2組試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，沼液浸種對種子的萌發(fā)和生長的促進作用優(yōu)于沼液直接催芽。這可能是由于沼液浸種能較好地保持低溫脅迫下細胞膜的完整性，減少膜的透性;同時沼液中含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，其中的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素可為種子發(fā)芽和幼苗生長提供營養(yǎng)，鈣、鐵、銅、鋅、錳等多種微量元素會加速種子從休眠萌芽至成苗過程中的養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，促使其早發(fā)芽[7-8]。此外，這2種方法中高濃度沼液處理均對種子造成了毒害作用從而抑制種子萌發(fā)，且抑制作用隨著沼液濃度的增大而增強，這與倪天馳等的研究結(jié)果[9]一致。分析原因認為與沼液成分復(fù)雜[10-11]，可能存在重金屬及其他不明抑制物質(zhì)有關(guān)。因此，適宜沼液濃度的確定對提高種子萌發(fā)率和玉米、小麥產(chǎn)品、品質(zhì)具有重要意義。

綜上所述，合適濃度的頭孢菌素C厭氧發(fā)酵沼液浸種對種子萌發(fā)和生長的促進作用優(yōu)于沼液直接催芽。在一定濃度范圍內(nèi)，沼液浸種有利于提高玉米、小麥種子的發(fā)芽率、增加濕質(zhì)量及促進芽、根的生長，其中稀釋50倍沼液浸種玉米，稀釋100倍沼液浸種小麥綜合效果最佳。但沼液成分復(fù)雜，對種子作用的具體機制還有待于進一步研究。

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