腐秆剂快速分解水稻秸秆的机理及效果研究

杨 帆，罗 琳，魏建宏，何 飚

（湖南农业大学资源与环境学院，湖南 长沙 410128）

从20世纪80年代开始我国农业得到大力发展，各种粮食作物的产量大幅度提高，但是在解决了粮食问题的同时，各种作物秸秆的量随着粮食产量的提高不断增加，大量秸秆的堆积给环境造成了压力，秸秆的处理方式形成了新的环境问题[1]。秸秆催腐剂是一种高效的微生物制剂，它能将秸秆催腐后进行还田利用[2]。腐秆剂内含有大量的各种微生物群体，且能分泌多种微生物酶催化分解秸秆中的粗纤维，从而使秸秆迅速腐烂[3]，同时它的使用对土壤的抗病、增肥也具有一定的作用[4]。因此，研究腐秆剂在催腐秸秆过程中所产生的生化作用及其机理具有重要意义[5]。

1 材料与方法

1.1 材料

采用由佛山金葵子科技有限公司提供的秸秆腐熟剂作为研究对象，水稻秸秆采自湖南农业大学周边稻田。试验中所用仪器、器皿均经过高温高压消毒。

1.2 试验设计

分别称取30 g稻草粉加入6个（1个处理样，1个对照样，3个重复）500 mL锥形瓶中，同时称取10 g稻草粉加入6个250 mL锥形瓶中。在500 mL锥形瓶处理样中加入0.06 g的腐秆剂混匀。在250 mL锥形瓶处理样中加入0.02 g的腐秆剂混匀。所有锥形瓶均置于30℃培养。

1.3 测定指标和分析方法

每3 d无菌条件下称取5.000 0 g+0.000 1 g样品，1 g放入100 mL锥形瓶中，并相应贴好标签，用移液管各加蒸馏水10 mL，稍作振荡后，放入200 r/min摇床中振荡浸提1 h。振荡完毕后，略静置，用滤纸过滤再将清液装入离心管，盖好盖子，对称放入离心机，在10 000 r/min下离心15 min。上清液用于检测纤维素酶、半纤维素酶、酚氧化酶的活性。2 g用于微生物群落测定，2 g烘干测定含水率，烘干样用于木质纤维素三组分含量的测定。

1.3.1 纤维素酶酶活力的测定 主要检测内切葡聚糖酶活力。取0.1 mL适当稀释酶液，加入0.9 mL 0.05 mol/L pH 4.8的柠檬酸缓冲溶液配制成的1%羧甲基纤维素钠溶液，50℃下反应30 min，用DNS法测定还原糖。定义释放1 μmol/min还原糖所需的酶量为1个酶活单位U。纤维素酶的酶活力单位用下式计算：

式中：A为OD值在标准曲线上对应的木糖量（mg）；D为酶液稀释倍数。

1.3.3 酚氧化酶酶活力的测定 1 cm光径比色杯中含总反应体系2.9 mL（2.85 mL 0.2 mmol/L pH 7.0磷酸盐缓冲液，50 μL 60 mmol/L的儿茶酚溶液），加入100 μL酶液启动反应。在25℃、420 nm下测定反应3 min后光密度的增加值。定义3 min内引起光密度增加0.01的酚量为1个酶活单位U。

1.3.4 微生物群落的演替 采用纯种分离技术，平板菌落计数方法分别计算细菌、真菌和放线菌的数量。

1.3.5 木质纤维素三组分的测定 参照王玉万等[6]的定量分析程序测定木质纤维素3种组分含量，并计算出各组分的绝对含量及其降解率。

式中：A为OD值在标准曲线上对应的葡萄糖量（mg）；D为酶液稀释倍数。1.3.2 半纤维素酶酶活力的测定 主要检测木聚糖酶活力。取0.1 mL适当稀释酶液，加入0.9 mL 0.1 mol/L pH 4.8的醋酸缓冲溶液配制成的1%木聚糖溶液，50℃下反应60 min，用DNS法测定还原糖。定义释放1 μmol/min还原糖所需的酶量为1个酶活单位U。半纤维素酶的酶活力单位用下式计算：

2 结果与分析

2.1 添加腐秆剂对稻草腐解过程中纤维素酶的影响

添加腐秆剂对稻草腐解过程中纤维素酶的活性的影响如图1所示，与对照相比，添加腐秆剂后纤维素酶的活性在前3 d基本没什么变化，而在随后的培养过程中，纤维素酶的活性均比空白要高，说明添加腐秆剂有利于纤维素酶活的产生，且几乎在整个发酵过程中均有所增强。

2.2 添加腐秆剂对稻草腐解过程中半纤维素酶的影响

图1 羧甲基纤维素酶的活性变化

添加腐秆剂对稻草腐解过程中半纤维素酶的活性的影响如图2所示，添加腐秆剂后半纤维素酶的活性从一开始就表现出增加趋势，在6～12 d几乎保持稳定的活性，在培养后期有所下降，但总体比空白样中的酶活要高。

图2 木聚糖酶的活性变化

2.3 添加腐秆剂对稻草腐解过程中酚氧化酶的影响

添加腐秆剂对稻草腐解过程中酚氧化酶的活性的影响如图3所示，添加腐秆剂后酚氧化酶的活性在培养初期并没有增加，但从第9天开始便呈现明显的上升趋势。

图3 酚氧化酶的活性变化

2.4 添加腐秆剂对稻草腐解过程中生物量的影响

2.4.1 细菌微生物量的变化 细菌微生物量的变化曲线如图4所示，经过3 d的腐解后，添加了腐秆剂的处理样中细菌数量明显增加，但在后期数量没有明显优势，这是因为腐秆剂中含有大量纤维素分解细菌，而纤维素和半纤维素的分解主要发生在腐解的前期过程。同时研究中发现在添加了腐秆剂的处理样中主要有几种优势菌，这可能是因为腐秆剂中含有的大量纤维素分解细菌在腐解过程逐渐成为优势菌种。

图4 稻草腐解过程中细菌微生物量的变化

2.4.2 真菌微生物量的变化 真菌微生物量的变化曲线如图5所示，在腐解的前6 d，添加了腐秆剂的处理样中真菌的数量与空白样中相当甚至更低一些，但从第9天开始，其中的真菌数量明显多于空白样，这可能是因为腐秆剂中含有大量木质素分解真菌，而木质素的降解又主要发生在纤维素和半纤维素的降解之后，即发酵过程的后期阶段。因此，真菌数量在后期才表现出明显的增长趋势。

图5 稻草腐解过程中真菌微生物量的变化

2.4.3 放线菌微生物量的变化 放线菌微生物量的变化曲线如图6所示，在整个腐解过程中，添加了腐秆剂的处理样中的放线菌微生物量均高于空白样，这可能是因为腐秆剂中含有大量具有分解纤维素和木质素的放线菌，并且在腐解的整个过程中都表现出较强的生长优势。

2.5 添加腐秆剂对稻草腐解过程中木质纤维素三组分降解率的影响

2.5.1 纤维素降解率的变化 纤维素降解率的变化曲线如图7所示，经过18 d的腐解，空白样与添加了腐秆剂的处理样纤维素降解率分别为28.91%，37.88%，这说明添加腐秆剂对纤维素的降解起到了一定的促进作用。同时从图中还可以看到，各个样品的纤维素降解主要发生在3 d以后，这与监测的纤维素酶活数据反映的情况基本一致。

图6 稻草腐解过程中放线菌微生物量的变化

图7 稻草腐解过程中纤维素降解率的变化

2.5.2 半纤维素降解率的变化 半纤维素降解率的变化曲线如图8所示，随着腐解过程的进行，各个堆体的半纤维素的降解率都呈明显的上升趋势。经过18 d的腐解，空白样与添加了腐秆剂的处理样纤维素降解率分别为28.68%，36.87%，这说明添加腐秆剂对半纤维素的降解起到了一定的促进作用。同时从图中还可以看到，各个样品的半纤维素降解从一开始就有发生，而与之对应的半纤维素酶活也是从一开始就表现出增强的趋势。

图8 稻草腐解过程中半纤维素降解率的变化

2.5.3 木质素降解率的变化 木质素降解率的变化曲线如图9所示，经过18 d的腐解，空白样与添加了腐秆剂的处理样木质素降解率分别为12.29%和17.82%，同时从图中还可以看到，各个样品的木质素在前期降解不明显，在后期才表现出较强的降解能力。

图9 稻草腐解过程中半纤维素降解率的变化

3 结论

（1）腐秆剂的添加在稻草腐解过程中对纤维素酶、半纤维素酶、酚氧化酶的活性均有明显影响，腐秆剂对促进秸秆腐化进程有显著效果。

（2）添加腐秆剂后细菌、真菌和放线菌的生物量均有明显增加，但具有促进作用的时间有所不同。细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，放线菌的生物量在整个腐解过程都表现出较强的增加趋势。

（3）添加腐秆剂后，稻草秸秆中纤维素、半纤维素和木质素的降解率均有所提高。这说明：腐秆剂中富含有大量的纤维素降解菌和木质素降解菌，它们在生长繁殖过程中分泌出大量纤维素酶、半纤维素酶和酚氧化酶，从而促进木质纤维素三组分的降解。

[1]鞠昌华.我国农作物秸秆处理的困境与对策 [J].贵州农业科学，2011，39（6）：221-224.

[2]张 辉，吴 华，兰 洋.白腐真菌降解油菜秸秆的效果[J].湖北农业科学，2011，12（50）：2413-2415.

[3]邵世芳，吴琴燕.酶磨法处理玉米秸秆的糖化发酵研究[J].江西农业学报，2011，23（5）：157-159.

[4]刘淑花，宫晓杰，刘洪民，等.日光温室应用秸秆生物反应堆技术前景分析[J].内蒙古农业科技，2010，（5）：109-110.

[5]黄欢喜，姚茂君，姚 柳.草秸秆硫酸水解研究[J].安徽农业科学，2011，39（4）：1899-1901.

[6]王玉万，徐文玉.木质纤维素基质发酵物中半纤维素、纤维素和木素的定量分析程序[J].微生物学通报，1987，13（2）：82-84.