秸秆降解复合菌系的鉴定及其菌剂应用效果

[目的]防止秸秆资源浪费,解决秸秆降解问题,探究微生物降解条件下秸秆降解效率。[方法]通过富集驯化培养,从腐熟好的秸秆堆肥中筛选具有降解能力的菌株,构建出具有降解能力的复合菌系ZM-10,对其进行16S rDNA测序,确定系统发育地位。以液体摇瓶发酵产滤纸酶活性(FPA)变化为评价依据,设置单因素试验优化复合菌系ZM-10的产纤维素酶条件及固态菌剂发酵条件,制备出降解效率最佳的发酵菌剂,用于小白菜盆栽试验。[结果]组成复合菌系ZM-10的菌株分别为枸橼酸杆菌(Citrobacter cronae)、芽孢杆菌属(Bacillus velezensis)、台湾假单胞菌(Pseudomonas taiwanensis)、臭苣苔属菌(Myroides odoratus)、克雷伯氏菌属(Klebsiella sp.)。复合菌系ZM-10固态最佳发酵条件包括:培养基配方为玉米秸秆粉4.00 g、麦麸2.67 g、花生片粉2.67 g、豆粕2.67 g,最佳外加碳源为0.3%乳糖,最佳外加氮源为0.3%蛋白胨,最适培养条件为接种量24%、干燥温度60℃、发酵时间6 d,固态菌剂最适载体为生物炭,最佳负载量m(生物炭)∶m(复合菌液)为1∶1.375。盆栽试验表明,施用复合菌剂的处理下小白菜的株高、叶面积、根冠比、Vc含量、可溶性固形物含量等指标均高于对照。[结论]本试验成功构建了高效降解秸秆的复合菌系ZM-10及菌剂,并验证了菌剂对小白菜生长发育的积极影响,为解决秸秆资源浪费和作物生产效率提供了新思路。

常温纤维素降解细菌的筛选及其复合系的构建

对呼伦贝尔森林土壤中的常温纤维素降解细菌进行筛选,将酶活性高的菌株分别混合构建降解复合系并测定其滤纸降解能力。分别以微晶纤维素、CMC和D-水杨苷3种不同的底物为碳源在25℃下筛选纤维素降解细菌,以16S rDNA序列进行菌株的鉴定和系统发育分析,用DNS法测定单菌株的外切葡聚糖酶、内切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶的酶活性和复合系的滤纸酶活性。结果共分离到258株常温纤维素降解细菌,以微晶纤维素为底物分离到的细菌分属于5个纲,以CMC或D-水杨苷为底物分离到的细菌分属于6个纲,第一优势菌纲均为γ-Proteobacteria;其次为α-Proteobacteria;第一优势菌属均为假单胞菌属(Pseudomonas),其次为根瘤菌属(Rhizobium)、厄氏菌属(Oerskovia)、芽孢杆菌属(Bacillus)和Lelliottia。构建的27个常温降解复合系中滤纸酶活性最高的降解复合系为C11′3″、C32′2″和C33′2″,酶活性分别为200.60、200.05和208.79 U/mL,是复合系中单独菌株的6~10倍,滤纸降解率分别为26.8%、22%和32.4%。C11′3″、C32′2″和C33′2″为常温降解复合系最优菌群组合,具有较高的应用潜力。

低温纤维素降解复合菌系的选育及性能分析

以腐木和堆肥样品为材料,通过限制性继代培养和混合培养,筛选出一组高效稳定的低温纤维素降解复合菌系Y。对复合菌系Y不同生长阶段pH、酶活、失重率及产物之间的相互关系进行了研究。结果表明,0～6 d为复合菌系Y的对数生长期,4 d内滤纸条完全崩解,在20℃下静置培养10 d,水稻秸秆的降解率达到59%,酶活为103.5 U/mL,主要代谢产物为乙酸,并有少量的丁酸和丙酸,含量分别为1.70、0.21、0.12 g/L,其中乙酸占总挥发酸含量的85%。复合菌系Y适用于以秸秆为原料的低温产沼气发酵。

高温复合菌系WSC-6预处理稻秆对沼气生产的影响

为提高稻秆在沼气生产中的水解酸化效率,寻求复合菌系WSC-6生长的廉价氮源,降低稻秆酸化水解的运行成本,该试验利用高温复合菌系WSC-6,以未经处理的稻秆为碳源,分别以新鲜猪粪和干猪粪为氮源,对稻秆进行生物预处理。研究结果表明,高温复合菌系WSC-6对新鲜猪粪中的氮源利用更充分,总氮利用率达到81.5%,对稻秆的降解率也高于干猪粪,稻秆的总质量损失率达到48.3%,纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别达到67.3%、79.3%和27.9%。在稻秆的生物预处理中,无论采用哪种氮源方式,反应系统的pH值都在6.5～8.2之间变化,不会产生酸化现象。以新鲜猪粪代替蛋白胨作为稻秆生物预处理的氮源,既降低了稻秆生物预处理的运行成本,又消除了猪粪造成的环境污染,这对沼气的工业化生产具有重要的应用价值。

瘤胃纤维素降解菌系对灭菌水稻秸秆结构性碳水化合物降解的影响

为了提高水稻秸秆的青贮发酵品质,本研究旨在从黑白花奶牛瘤胃中筛选出具有降解纤维素能力的兼性厌氧复合菌系,探讨其对水稻秸秆青贮过程中结构性碳水化合物降解及发酵品质的影响。试验采集了黑白花奶牛瘤胃内容物,经富集培养、刚果红染色初筛,耐酸诱导,滤纸降解复筛,酶活力测定,获得高效兼性厌氧纤维素降解复合菌系M6。试验设4个处理组:1)水稻秸秆直接自然青贮(CK)组;2)灭菌后水稻秸秆青贮(IRR)组;3)灭菌水稻秸秆接种复合乳酸菌(CLAB)青贮组;4)灭菌水稻秸秆接种复合菌系(M6)青贮组,分别于青贮3、6、15、45、60和90 d后开窖取样分析。结果表明,青贮3 d后,M6处理组pH始终低于其他各组,青贮第60天达到最低值(4.62)。青贮45 d后,M6处理组乳酸含量始终显著高于其他各组(P<0.05),且在青贮90 d达到最高值(23.90 g·kg^(-1)DM)。青贮15d后,中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维和纤维素含量在M6组均显著低于其他各组(P<0.05),且在第90天达到最低值。青贮60 d后,IRR和M6组保持较高水平的水溶性碳水化合物含量,其次为CLAB组。综上所述,复合菌系M6在水稻秸秆青贮过程中具有降解粗纤维和促进乳酸发酵的作用,添加纤维素降解复合菌系可有效改善水稻秸秆青贮发酵品质,为青贮添加剂的研发与应用提供了理论依据。

纤维素降解复合菌系的微生物多样性及关键功能菌解析

为分析纤维素降解复合菌系中微生物多样性及关键功能菌,本研究通过梯度稀释法观察不同梯度下滤纸降解及酶活变化情况,确定复合菌系实现滤纸有效降解的临界点为10-5;在此基础上结合高通量测序技术对不同稀释度下的稀释液进行测序.研究结果表明,具有降解能力的稀释液(稀释度≤10-5)与无降解能力的稀释液(稀释度>10-5)微生物组成差异显著.从门水平热图看,Firmicutes和Proteobacteria为复合菌系的优势菌门;在属水平上,复合菌系中协同降解纤维素的菌株主要属于Clostridium、Petrobacter、Defluviitalea等属,Clostridium属在有降解能力(稀释度≤10-5)的稀释液中丰度较高,而随着稀释度的增大,在无降解能力(稀释度>10-5)的稀释液中几乎消失.经分析判断梭菌属Clostridium是纤维素降解复合菌系的关键功能属,它们与Petrobacter、Defluviitalea等菌属协同作用从而实现纤维素的高效降解.

碳氮比对稻草和猪粪生物处理及厌氧消化的影响

以农业废弃物稻草和猪粪为发酵原料,首次采用纤维素降解复合菌系对稻草和猪粪混合物进行生物处理,通过考察不同碳氮比(25∶1、30∶1、35∶1和40∶1)条件下稻草和猪粪混合物生物预处理的发酵特征及后续的产甲烷能力,探讨了碳氮比对稻草和猪粪的协同生物预处理及厌氧消化效果的影响.结果表明,控制碳氮比为30∶1、料水比为11%时,稻草和猪粪混合物经纤维素降解复合菌系于55℃预处理30 h后其厌氧消化效果最佳.在此条件下,稻草和猪粪降解液中滤纸酶活和羧甲基纤维素酶酶活分别达到了2.18和2.31 IU,其失重率高达41.69%;随后经厌氧发酵后其甲烷产率和产甲烷速率分别可达318.14 m L·g-1(以VS计)和10.61 m L·d-1·g-1(以VS计),且总量为9.9 g的稻草和猪粪混合物的总甲烷产量可达1948 m L,上述结果相对于未经生物预处理的对照组均提高了38%.本研究结果可进一步为其它种类的农作物秸秆和畜禽粪便的高效资源化利用提供理论支撑,展现出了巨大的应用潜力.