環(huán)境溫度和酸堿變化適應(yīng)性廣的纖維素降解菌復(fù)合系篩選

肖艷萍, 張仕穎,包 立, 趙丹丹，張乃明*

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，云南 昆明 650201；2.云南省土壤培肥與污染修復(fù)工程實驗室/云南省土壤資源利用與保護(hù)創(chuàng)新團(tuán)隊，云南 昆明 650201；3.云南省貿(mào)易經(jīng)濟(jì)學(xué)校,云南 昆明 650204；4.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息研究所,云南 昆明 650231)

【研究意義】農(nóng)業(yè)秸稈等資源的不當(dāng)焚燒不僅帶來環(huán)境污染，還造成資源浪費。生物堆肥可以將秸稈資源等有效利用起來，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)有機(jī)固體廢物無害化、減量化、資源化的重要手段?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】在堆肥中，微生物的作用至關(guān)重要，很多研究都發(fā)現(xiàn)微生物能促進(jìn)和優(yōu)化堆肥過程[1]，增加全氮、有效磷及速效鉀的含量，提高堆肥品質(zhì)等[2]；有研究發(fā)現(xiàn)AM真菌能夠促進(jìn)還田稻稈的分解，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的養(yǎng)分釋放[3]。復(fù)合微生物的研究和開發(fā)一直是堆肥領(lǐng)域的一大熱點。然而，微生物菌劑在實際使用時，由于受到周圍環(huán)境中生物與非生物因素的影響，復(fù)合微生物的適應(yīng)性和競爭力在復(fù)雜環(huán)境中往往會發(fā)生變化，導(dǎo)致廢棄物降解效果不佳，這是復(fù)合微生物在生物堆肥應(yīng)用中存在的一個巨大缺陷，例如堆肥中一些降解菌在高溫下失活[4]，一些微生物菌在低溫和堿性條件下其對纖維素的降解功能不能正常發(fā)揮等[5]?！颈狙芯壳腥朦c】理論上，不同環(huán)境適應(yīng)類型的微生物共同作用，或高環(huán)境耐受性微生物可能對纖維素廢棄物的降解具有較好的作用。因此，盡可能讓使用的菌劑不單一化，增強(qiáng)其環(huán)境的穩(wěn)定性和耐受性，也許對降低菌劑在復(fù)雜環(huán)境中的堆肥具有利好。因此，采用不同適用類型的微生物制成微生物菌劑，同時篩選環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的微生物投入實際環(huán)境中使用，可能更加有利于廢棄物在不同發(fā)酵階段的腐解。【擬解決的關(guān)鍵問題】探究和篩選一種具有環(huán)境適應(yīng)能力的纖維素降解菌復(fù)合系，以期能夠降低實際堆肥過程中非特定環(huán)境因素對菌系功能穩(wěn)定性的影響，降低環(huán)境溫度變化、酸堿變化等對微生物菌系的影響，有利于纖維素降解菌復(fù)合系在生物堆肥過程中發(fā)揮其功能作用，從而促進(jìn)堆肥腐熟。

1 材料與方法

1.1 供試材料

采用20株具有纖維素分解能力的菌株作為供試菌，所有菌株都直接從自然生態(tài)環(huán)境中分離得到,具有降解纖維素的能力,為實驗室前期分離所得，詳見表1，分類種屬均未鑒定。

采用的主要培養(yǎng)基為羧甲基纖維素鈉液體發(fā)酵培養(yǎng)基[6]，主要設(shè)備為全溫?fù)u瓶柜、水浴恒溫振蕩器、小型離心機(jī)、基本型火焰光度計、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、蒸汽滅菌器、接種箱等。

1.2 試驗方法

首先采用正交試驗構(gòu)建復(fù)合微生物菌系。將20株供試菌株隨機(jī)分成4組，每組5株菌, 按照4因素5水平正交表[7]組合構(gòu)建得到25組復(fù)合微生物菌系(CM1-CM25)，詳見表2～3。第2步，對每一組復(fù)合菌進(jìn)行拮抗關(guān)系試驗。第3步，對復(fù)合菌系進(jìn)行篩選。不同溫度條件下的CMC酶活測定?；静僮鳎喊褟?fù)合菌系的各個菌株接種到250 mL三角瓶液體發(fā)酵培養(yǎng)基中，放置到搖床上，120 r/min，28 ℃恒溫振蕩培養(yǎng)，采用DNS法分別測定35、45、55 ℃的CMC酶活。不同酸堿條件下的CMC酶活測定?；静僮鳎翰捎肈NS法，測定不同pH值條件下(pH 6、7、10)的CMC酶活。FPA濾紙酶活測定?；静僮鳎喊褟?fù)合菌系的各個菌株分別接種到250 mL三角瓶液體發(fā)酵培養(yǎng)基中，并在三角瓶中各加入1根1.0 cm×5.0 cm的濾紙條作為底物降解試驗的外觀指標(biāo)，并對復(fù)合菌系的FPA濾紙酶活進(jìn)行測定。通過測定不同條件下的CMC酶活，以及FPA濾紙酶活, 篩選得到目標(biāo)組合菌株。第4步，對目標(biāo)復(fù)合菌進(jìn)行復(fù)篩[8]。制備復(fù)合菌的菌種擴(kuò)大培養(yǎng)液，測定菌株之間的協(xié)同作用。采用濾紙崩解試驗：在濾紙條液體發(fā)酵培養(yǎng)基中分別接入一定量的菌液(單一菌液，復(fù)合菌液以及空白對照)，并在發(fā)酵液中加入1根1.0 cm×5.0 cm的濾紙條，觀察濾紙崩解情況。篩選最適復(fù)合菌搭配比例。采用三角瓶濾紙條饋爛實驗：按照4因素3水平正交表(表4)，設(shè)10、20和30 mL 3個接種量，對最優(yōu)菌系的4株菌進(jìn)行最適組合比例篩選，同時備一個空白試驗，不加任何微生物菌液；在每個試驗中都加入同等重量的濾紙條，觀察濾紙條的潰爛情況。第5步，分子鑒定。

表1 菌株基本情況

表2 供試菌株分組及編號情況

表3 復(fù)合微生物菌構(gòu)建情況

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 20.0和Microsoft Office Excel 2007進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 拮抗關(guān)系篩選結(jié)果

羧甲基纖維素培養(yǎng)基平板上的“十”字點接培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，在25組復(fù)合菌系中，有14組生長正常；7組存在一定生長抑制，但是各株菌間并沒有觀察到明顯的拮抗和抑制孢子生成等現(xiàn)象；其他的4組(CM7、CM9、CM18和CM20)則存在顯著的生長拮抗和抑制現(xiàn)象，表現(xiàn)為菌株組合在培養(yǎng)基上生長緩慢、菌落小，有的直接不生長。復(fù)合菌系菌株間的拮抗關(guān)系試驗結(jié)果，將組合待篩選的25組菌系直接篩選為21組。這一篩選結(jié)果也表明了復(fù)合菌系的組合是需要進(jìn)行篩選的，隨意的組合不一定有利于菌株的生長，也可能直接抑制其生長，對組合菌的功能會起到不利的作用，也不便于復(fù)合菌的混合發(fā)酵培養(yǎng)。在復(fù)合菌系的進(jìn)一步篩選中，將不再對CM7、CM9、CM18和CM20進(jìn)行研究，25組待選菌系減少為21組。

表4 復(fù)合菌系最適混合比例篩選

2.2 不同溫度、酸堿度等條件下復(fù)合菌系的篩選結(jié)果

從表5可見，21組待篩組合均表現(xiàn)出不同的分解纖維素的CMC酶活和濾紙PFA酶活。(1)CM3、CM16、CM5、CM11、CM2、CM8、CM4、CM12、CM13和CM14共10組菌對溫度變化和酸堿度變化較為敏感，環(huán)境適應(yīng)性范圍相對窄。在環(huán)境變化過程中，特別是在高溫環(huán)境和高堿性環(huán)境中，該組合菌的纖維素的降解功能便失效，或是CMC酶活降低，直至無法再進(jìn)行纖維素的分解。

表5 復(fù)合菌系在不同條件下的酶活

圖1 CM3等10組菌在不同環(huán)境條件下的CMC酶活 Fig.1 CMC enzyme activities of 10 groups of bacteria such as CM3 under different environmental conditions

圖2 CM3等10組菌在pH 7.5的濾紙F(tuán)PA酶活 Fig.2 FPA enzyme activities of 10 groups of bacteria such as CM3 in pH 7.5

在圖1中，隨著溫度由35 ℃，經(jīng)過45 ℃，升高為55 ℃，這10組菌的酶活逐漸降低，表現(xiàn)出對溫度升高的不耐受性，在55 ℃高溫條件下，基本已無法再分解纖維素，酶活檢出基本均為負(fù)數(shù)；在酸堿變化條件下，由酸性條件(pH 6)逐漸變?yōu)楦邏A性條件(pH 10)時，這10組菌從有酶活至無酶活，表現(xiàn)出對酸性條件的適應(yīng)性和對堿性，特別是高堿性條件的極不耐受性。不同環(huán)境條件下的CMC酶活測定結(jié)果表明，這10組菌只適合在中低溫條件和酸性條件下分解纖維素，在高溫條件和堿性條件下，纖維素分解能力受到抑制。生物堆肥的環(huán)境變化極為復(fù)雜，同時，堆肥中存在高溫階段變化，這10組菌對高溫和堿性的極度敏感和不耐受性，決定了其不適合作為生物堆肥菌劑，如果非要使用它們作為菌劑，也只能應(yīng)用于堆肥前期，堆肥升溫后將無法發(fā)揮作用。此外，在圖2中，未檢測到CM2和CM3的濾紙F(tuán)PA酶活，其他8組菌都具有一定的濾紙F(tuán)PA酶活。圖1～2結(jié)果表明，CM3等10組菌屬于中低溫和酸性環(huán)境適應(yīng)性組合菌，對高溫和堿性環(huán)境存在環(huán)境不耐受性。

CM1、CM23、CM24、CM15、CM10、CM6、CM25、CM22、CM21、CM19和CM17共11組菌對溫度變化和酸堿度變化的敏感性存在差異。如圖3所示，溫度變化對該11組菌的CMC酶活影響不敏感，表現(xiàn)為在低溫、中溫和高溫條件下的酶活變化趨勢不顯著，相對低溫35 ℃和高溫55 ℃，該11組菌在45 ℃表現(xiàn)得更為活躍一些，低溫到高溫的變化并沒有對其酶活產(chǎn)生明顯的抑制作用，除了CM10，該組合菌在低溫時酶活表現(xiàn)活躍，隨著溫度升高，其酶活受到明顯抑制，該菌比較偏好低溫環(huán)境。酸堿變化對該11組菌的酶活影響較為顯著；在pH 6的酸性環(huán)境和pH 7.5的弱堿性環(huán)境中，它們的酶活變化并不明顯，說明，它們對酸性和弱堿性環(huán)境具有一定的適應(yīng)性，然而，當(dāng)環(huán)境變?yōu)楦邏A性環(huán)境，CM25、CM21和CM19的酶活表現(xiàn)為受到明顯抑制，說明，CM25、CM21和CM19不能耐受堿性條件，偏喜酸性和弱堿性環(huán)境；其他8組菌并沒有受到堿性環(huán)境的抑制，反而表現(xiàn)出對堿性環(huán)境的偏好，酶活不僅沒有受到抑制反而升高了。在CM1等11組菌中，無論溫度條件改變還是酸堿條件改變，CM17的酶活都比較穩(wěn)定，既能適應(yīng)高溫環(huán)境，在酸性和堿性環(huán)境中仍然表現(xiàn)良好。

由圖3分析得到，CM10為低溫適應(yīng)型；CM25、CM21和CM19為不耐受堿性條件型；CM1、CM23、CM24、CM15、CM6、CM22和 CM17為溫度耐受型，同時比較偏好堿性環(huán)境，它們的環(huán)境適應(yīng)性相對較廣。

圖3 CM1等11組菌在不同環(huán)境條件下的酶活Fig.3 Enzyme activities of 11 groups of bacteria such as CM1 under different environmental conditions

圖4 CM1等11組菌在不同環(huán)境條件下的酶活 Fig.4 Enzyme activities of 11 groups of bacteria such as CM1 under different environmental conditions

從圖4可見，CM17的柱形最為整齊，在35、45和55 ℃，以及pH 6、7.5和10都有明顯的柱形表現(xiàn)，其他組合的柱形表現(xiàn)相對欠佳，不是柱形差距太大就是某些柱形的酶活為負(fù)值。CM17的柱形表明，該菌系對溫度變化和酸堿變化的適應(yīng)性較穩(wěn)定。

從圖5可見，CM17具有最大的累積酶活，CM17在不同環(huán)境條件下，都具有較好的CMC酶活，纖維素分解能力較佳。

從圖6可見，CM1等11組菌中，CM1和CM6未檢測到濾紙F(tuán)PA酶活，其他組合都具有濾紙F(tuán)PA酶活，表明CM1和CM6的綜合纖維素分解能力較弱。

圖5 CM1等11組菌在不同環(huán)境條件下的酶活 Fig.5 Enzyme activities of 11 groups of bacteria such as CM1 under different environmental conditions

圖6 CM1等11組菌的在pH 7.5的濾紙F(tuán)PA酶活 Fig.6 FPA enzyme activities of 11 groups of bacteria such as CM3 in pH 7.5

a, b, c, d分別是CD53、LS14、CD52和TD21菌株在CMC瓊脂培養(yǎng)基上的生長菌落a, b, c and d showed the colonies of the CD53, LS14, CD52 and TD21 on CMC agar medium, respectively圖7 CM17在平板培養(yǎng)基上的生長情況Fig.7 The growth of the CM17 on CMC plate

圖8 CM17、D4等的濾紙完全崩解時間Fig.8 The time of completely dissolving the filter paper for CM17,D4 and other strains

(3)通過比較分析，將CM17作為篩選的目標(biāo)菌，該菌系無論在酸性環(huán)境、堿性環(huán)境，還是低溫、高溫，都具有較好的纖維素分解能力，對環(huán)境具有廣泛的適應(yīng)性，其在35、45和55 ℃，pH 6、7.5和10的酶活分別為130.2597、107.7475、95.4294、54.2985、95.4294 和105.4821 U，平均CMC酶活為98.1078 U，并且其濾紙F(tuán)PA酶活為23.7158 U。

2.3 CM17復(fù)合菌的形態(tài)及鑒定

D4(CD-53)、Z2(LS-14)、G5(TD-21)和S3(CD-52)4株菌組合構(gòu)成了復(fù)合菌劑CM17，各菌株的菌落形態(tài)特征及16SrDNA分子鑒定如圖7。分子鑒定結(jié)果表明，CM17復(fù)合菌劑里包含有菌鏈格孢屬Alternaria，鏈霉菌屬Streptomyces，厄氏菌屬Oerskovia，短梗霉屬Aureobasidium等菌，是一個包含有細(xì)菌和真菌的復(fù)合菌劑。

2.4 CM17的進(jìn)一步篩選研究

2.4.1 復(fù)合菌劑協(xié)同作用 從圖8可見，CM17組合菌系比其單菌株具有較好的纖維素分解效果，同等條件下完全崩解同等重量的濾紙，CM17需要72 h(3 d)，而D4、G5、S3、Z2等單菌株分別需要7、11、15和18 d；CM17的纖維素分解效率至少是其單菌株的2.33倍。由此可見，CM17分解纖維素的效率較高，究其原因，是由于復(fù)合菌之間的協(xié)同分解作用提高了CM17的濾紙崩解效率。

圖9 不同混合比例的CM17的濾紙分解結(jié)果 Fig.9 The filter paper disintegration ratio of CM17 mixed with different proportions

2.4.2 CM17的最適搭配比例 從圖9可見，D4、Z2、G5、S3按照不同比例混合的CM17，它們的72 h濾紙崩解結(jié)果表明，復(fù)合菌系各菌株之間的協(xié)同作用會受到各菌株組合量的影響。當(dāng)D4，Z2，G5，S3的混合體積比例為1∶1∶1∶1時，該菌系的濾紙分解率高達(dá)35.79 %；但是，當(dāng)D4∶Z2∶G5∶S3的混合比例為1∶3∶3∶3時，CM17的濾紙分解率僅為0.22 %。該結(jié)果表明，CM17復(fù)合菌劑中，D4等4種菌的含量大小會影響CM17對濾紙的降解能力，影響其對纖維素的協(xié)同降解作用。由D4，Z2，G5，S3按照1∶1∶1∶1混合的CM17，具有較佳的協(xié)同降解纖維素的能力，能有效的提高菌劑降解纖維素的效率。

3 討 論

一般在篩選復(fù)合微生物時，很多都選擇直接從相應(yīng)的環(huán)境條件或土壤中分離出優(yōu)勢菌，再進(jìn)行組合研究，培養(yǎng)成復(fù)合微生物，例如從土壤中分離純化出不同類型的微生物菌株，再選擇搭配優(yōu)勢群體培養(yǎng)成復(fù)合微生物菌劑[9]。在復(fù)合微生物菌劑的制備中，各個菌種復(fù)合的比例是一個影響復(fù)合微生物功能的一個重要因素。不同纖維素降解菌的降解能力相差較遠(yuǎn)，各纖維素降解菌之間存在著協(xié)同和拮抗作用，復(fù)合菌系中微生物相互作用和影響也很復(fù)雜。研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合微生物各菌株之間存在的拮抗作用，可以通過調(diào)整菌種配比來降低各個菌株間的拮抗作用[10]，因此，由2種以上的微生物構(gòu)建的復(fù)合菌在制備時，都對其組合配比進(jìn)行研究，例如乳酸菌、酵母菌和枯草芽孢桿菌復(fù)合發(fā)酵適宜添加比例為2∶2∶2[11]；康氏木霉、白腐菌、變色栓菌與EM菌、固氮菌、解磷菌和解鉀菌組合的高效復(fù)合微生物菌劑Ⅴ的最佳配比為15∶15∶15∶25∶10∶10[12]；細(xì)菌、放線菌、酵母菌和真菌的最佳配比為3∶3∶3∶1[13]；綠色木霉、米曲霉、枯草芽孢桿菌和假單胞菌組成的復(fù)合菌，它們之間的搭配比例在2∶2∶1∶1時，效果表現(xiàn)較佳[14]；通過研究，CM17的最佳菌劑配比為1∶1∶1∶1。

篩選纖維素分解菌的很多研究，強(qiáng)調(diào)更多的是菌劑在某一特定環(huán)境條件下的功能，并不特別關(guān)注其是否具有環(huán)境廣適性：例如只研究纖維素菌在溫度為35 ℃、發(fā)酵液初始pH值為6.5時的CMCase和FPase產(chǎn)酶活性[15]；用4株菌進(jìn)行不同組配，研究不同pH值對最佳復(fù)合菌系產(chǎn)酶活性的影響, 發(fā)現(xiàn)在偏堿性和偏酸性條件下表現(xiàn)出較高的酶活力[16]；以高溫期的堆肥樣品為材料，篩選構(gòu)建木質(zhì)纖維素分解菌復(fù)合系[17]；堆肥中木質(zhì)素降解的最適溫度在40～50 ℃[18]，而嗜熱真菌的最適溫度為40～50 ℃，因此篩選嗜熱菌；為解決低溫條件下玉米秸稈降解難的問題，專門篩選低溫復(fù)合微生物菌[19]等。在堆肥過程中，環(huán)境條件變化可能對菌劑的穩(wěn)定性造成影響，特別是溫度變化，酸堿度變化等這些對微生物生長影響極度敏感的因素，此外，堆肥過程中的高溫階段，溫度可達(dá)到60～70 ℃，復(fù)合菌劑在高溫下是否可以繼續(xù)發(fā)揮作用？此外堆肥的材料多種多樣，繁雜而又不穩(wěn)定，整個堆肥發(fā)酵過程中不斷發(fā)生各種物理和化學(xué)變化，復(fù)合菌劑是否具有足夠的穩(wěn)定性來適應(yīng)這些變化和不確定的環(huán)境因素？因此研究篩選復(fù)合菌，更著重關(guān)注菌劑的環(huán)境廣適性和功能穩(wěn)定性，篩選既具有環(huán)境穩(wěn)定性，又有纖維素分解能力的復(fù)合菌，為此廣泛選用了20種直接來自于環(huán)境的微生物，構(gòu)建25組復(fù)合菌，在不同溫度、不同酸堿度條件下研究其纖維素酶活，篩選得到CM17。青格爾等[20]對復(fù)合菌系GF-20的功能穩(wěn)定性及適應(yīng)性研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合菌系GF-20可在較大的溫度和pH范圍內(nèi)保持較高的纖維素和半纖維素酶活性，能發(fā)揮秸稈降解作用。有研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合菌會影響環(huán)境pH值，主要表現(xiàn)在，復(fù)合菌系對發(fā)酵液的pH值有良好的調(diào)節(jié)作用[21]；青格爾等發(fā)現(xiàn)發(fā)酵液pH值隨發(fā)酵時間的延長趨近于中性；復(fù)合系對環(huán)境pH的變化具有較強(qiáng)的緩沖調(diào)節(jié)能力，在不同初始pH的發(fā)酵環(huán)境下，其反應(yīng)體系內(nèi)的pH變化趨勢相似[22]；復(fù)合菌系的自我調(diào)節(jié)能力使發(fā)酵液中pH能夠恢復(fù)到中性或偏堿性[23]，有研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合微生物可以改變腐解過程中溫度與水解酶活性[24]等等。而CM17的纖維素酶活功能在不同的酸堿條件下都表現(xiàn)出很高的穩(wěn)定性。王衛(wèi)東等[25]對纖維素分解菌復(fù)合系WSC-6的穩(wěn)定性研究發(fā)現(xiàn)，在pH 4～10的范圍內(nèi)，復(fù)合系對pH值具有緩沖能力，并正常分解纖維素。樸哲等發(fā)現(xiàn)纖維素分解菌復(fù)合系MC1的纖維素酶在65 ℃以下和pH 4.5～10.5表現(xiàn)出很高的穩(wěn)定性，但超出此范圍，酶活性急劇下降直至喪失[26]。而CM17在35～55 ℃和pH 6～10都能正常分解纖維素，表現(xiàn)纖維素酶活功能具有穩(wěn)定性，在制備堆肥微生物菌劑中具有良好的應(yīng)用前景和潛力。

4 結(jié) 論

由鏈格孢菌、鏈霉菌、厄氏菌和短梗霉菌組合的纖維素降解菌系CM17具有良好的功能穩(wěn)定性，其對溫度和酸堿的適應(yīng)范圍較廣，外界溫度和酸堿變化對該復(fù)合菌功能影響較小，在35～55 ℃和pH 6～10，都能正常的分解纖維素，表現(xiàn)出很高的纖維素酶活功能穩(wěn)定性；CM17比單菌株具有較好的纖維素分解效果，其纖維素分解效率至少是單菌株的2.33倍；該復(fù)合微生物的最佳配比為1∶1∶1∶1，在制備生物堆肥微生物菌劑中具有良好的應(yīng)用前景和潛力。