外源微生物及辅料对秸秆降解效果的影响

张庆华， 赵新海， 钟丽娟， 关艳丽

(辽宁省微生物科学研究院，辽宁 朝阳 122000)

外源微生物及辅料对秸秆降解效果的影响

张庆华， 赵新海， 钟丽娟， 关艳丽

(辽宁省微生物科学研究院，辽宁 朝阳 122000)

研究加入外源微生物及添加辅料对秸秆降解率的影响。通过秸杆固体培养进行了降解试验，结果显示，加入外源微生物后纤维素降解率明显提高，嗜热侧孢霉可提高34.76%，放线菌可提高18.99%。通过在秸秆中加入辅料香菇菌糠，培养后秸秆的纤维素含量由原来的32.11%降至14.19%，降解率达55.81%。加入外源微生物的秸秆降解过程具有升温快、温度高及高温维持时间长等优点。加入微生物的秸秆降解高温维持8 d，对照为6 d。秸秆降解过程中的最高温度分别 为63 ℃和58 ℃。为下一步外源微生物的进一步研究及菌糠的大量利用提供参考。

外源微生物；辅料；纤维素降解率

作物秸秆是仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源。据不完全统计，全世界每年可产生秸秆近20亿t，我国农作物秸秆年产量约为 6～7亿 t[1]，居世界之首，其中以玉米、小麦和稻谷秸秆为主，占总秸秆产量的80%。农作物秸秆除含有氮、磷、钾和有机碳养分外，还可提供相当数量的中量、微量元素和氨基酸等有机营养成分，是一种良好的作物所需养分的供给源和土壤改良剂[2-3]。传统的堆肥时间长，不利于养分的保存和利用。大量研究表明合理地接种外源微生物有利于缩短发酵时间，促进难分解物质的降解，从而提高基质的品质[4]。目前使用微生物发酵剂促进秸秆等发酵的研究较多，多数注重常规菌种的筛选[5-6]。本研究侧重研究外源微生物(包括嗜热菌)、辅料添加对秸秆降解率的影响，达到缩短发酵周期、提高降解率的目的，为获得快速的秸秆生物降解技术提供参考。

1 材料与方法

1.1材料

1.1.1 秸秆 降解试验所用的秸秆采自辽宁省朝阳市龙城区西大营子镇。切分长度为2 cm，备用。

1.1.2 菌种 绿色木霉(TrichodermaviridePersoon ex Fries)、黑曲霉(Aspergillusniger)、放线菌(Streptomycessp.)、嗜热侧孢霉(Sporotrichumthermophile)、墨汁鬼伞(Coprinopsisatramentaria)，分别制成0.5×107个/mL的孢子悬液，备用。

1.1.3 培养基 营养肉汁琼脂；高氏一号培养基；PDA培养基。

1.2方法

1.2.1 菌种筛选试验[7-8]以直径9 cm的标本瓶为培养容器，每瓶秸秆装量150 g，添加尿素1%(质量分数)，接种量1%，料水比1∶4，物料装好后，在上面覆土100 g，30 ℃培养40 d。

1.2.2 秸秆降解试验[9]以直径20 cm的标本瓶为培养容器，每瓶秸秆装量500 g，添加尿素1%(质量分数)，接种量1%，料水比1∶4，物料装好后，在上面覆土500 g，30 ℃培养40 d。

1.2.3 加入不同辅料的秸秆降解试验[10-11]设3组不同辅料的秸秆降解试验，辅料分别为质量分数20%的土、稻壳粉、香菇菌糠，菌种为嗜热侧孢霉。其他操作同1.2.2。

1.2.4 加入不同量香菇菌糠的秸秆降解试验 通过加入10%、20%、30%、40%和50%不同质量分数的菌糠，观察秸秆的降解效果，菌种为嗜热侧孢霉。其他操作同1.2.2。

1.2.5 加入不同氮源的秸秆降解试验 在秸秆中分别加入质量分数1%的牛粪、鸡粪和尿素作为氮源，菌种为嗜热侧孢霉。其他操作同1.2.2。

1.2.6 纤维素含量及纤维素降解率测定方法 采用范式洗涤剂分析法[12-13]。样品(W)经中性洗涤剂煮沸，不溶解的残渣为中性洗涤纤维，再用酸性洗涤剂煮沸，不溶解的残渣为酸性洗涤纤维W2，酸性洗涤纤维经75%硫酸处理，残渣为W3。纤维素含量(%)=((W2-W3)/W)×100%；纤维素降解率(%)=((降解后的纤维素含量-降解前的纤维素含量)/降解前的纤维素含量)×100%。

2 结果与分析

2.1不同微生物在秸秆中的生长情况

嗜热侧孢霉、放线菌、鬼伞、黑曲霉、木霉等5株菌种在秸秆中生长旺盛，培养第6天时木霉菌数达到2.6×108cfu/g(表1)，微生物良好的生长有利于底物纤维素的降解。图1为不同微生物在秸秆中的生长情况。图2为秸秆降解40 d结束时的外观形态，秸秆因降解颜色变得较黑、质地变软。

表1 不同菌株在秸秆中的生长

图1 不同菌株在秸秆中的生长Fig.1 Growth of different strains in straw

图2 秸秆降解40 d结束时的外观形态Fig.2 Appearance of straw degradation at the end

2.2不同微生物的秸秆降解试验

进行了嗜热侧孢霉、放线菌、大型真菌(鬼伞)、黑曲霉及木霉的秸秆降解试验，结果见表2。从培养40 d时的纤维素含量看，加入高温菌嗜热侧孢霉后纤维素含量明显降低，嗜热侧孢霉纤维素降解率提高34.76%，放线菌纤维素降解率提高18.99%。结果显示，秸秆降解过程中引入外源微生物有利于秸秆的降解，为进一步研究外源微生物的高效利用奠定了基础。

表2 不同微生物纤维素降解

2.3辅料对秸秆降解效果的影响

在秸秆中分别加入质量分数20%的土、稻壳粉及香菇菌糠等辅料进行降解试验，结果见表3。从表3看出，加入辅料后，纤维素含量显著下降，加入菌糠的最明显，纤维素降解率达55.81%。结果表明，菌糠的加入有利于微生物的生长，纤维素降解率显著提高。

表3 辅料对秸秆降解效果的影响

2.4不同菌糠加入量对秸秆降解效果的影响

通过加入10%、20%、30%、40%和50%不同质量分数的菌糠，观察秸秆的降解效果。从表4结果看出，菌糠的加入量为30%时，培养后的秸秆纤维素含量最低，其纤维素降解率为68.75%。

表4 不同菌糠加入量对秸秆降解效果的影响

2.5不同氮源对秸秆降解效果的影响

在菌糠中加入不同氮源进行降解试验，结果见表5。加入尿素的秸秆纤维素含量显著下降，纤维素降解率达65.12%，在秸秆的降解过程中，无机氮源可代替有机氮源，有利于下一步秸秆降解工艺稳定性研究。

表5 不同氮源对秸秆降解效果的影响

2.6秸秆降解过程中温度变化

从秸秆降解过程中温度变化曲线可以看出(图3)，加入外源微生物的秸秆具有升温快、温度高及高温维持时间长等优点。加入菌种的秸秆高温维持8 d，对照为6 d，降解过程最高温度分别为63 ℃和58 ℃。

图3 秸秆降解过程中的温度变化Fig.3 The temperature change in the process of straw degradation

3 讨 论

本研究将外源微生物用于秸秆降解，木霉和嗜热侧孢霉是高纤维素酶活力产生菌，有利于秸秆纤维素的降解。秸秆堆积后，物料快速升温，温度可达60 ℃以上，有利于高温菌的快速繁殖，分泌大量纤维素酶，纤维素降解率明显提高，嗜热侧孢霉提高34.76%，高温放线菌提高18.99%。在秸秆中加入辅料菌糠，首先菌糠可以缩小秸秆间的空隙，有利于微生物的生长，同时菌糠可以为微生物提供可溶性碳和微量元素及高酶活性物质，培养后秸秆的纤维素含量由原来的32.11%降至14.19%，降解率为55.81%，所以在降解秸秆的同时，为菌糠的开发利用提供了新途径。加入微生物菌种的秸秆降解过程具有升温快、温度高及高温维持时间长等优点,与胡海江、焦有宙等报道的一致[14-15]。加入菌种的秸秆高温维持8 d，对照为6 d，秸秆降解过程的最高温度分别为63 ℃和58 ℃。在秸秆的降解过程中，除了纤维素的降解，木质素的分解也起着至关重要的作用，下一步研究将引入木质素优势降解菌环状芽胞杆菌、黄孢原毛平革菌和杂色云芝等，为秸秆的快速降解建立高效的微生物复合菌系。

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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

辽宁省农业公关项目(2014215016)

张庆华 女,研究员。从事微生物菌种选育及发酵技术研究。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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