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微生物处理玉米秸秆的腐解特征研究

卢松  
【摘要】: 作物秸秆是一种重要的生物资源,我国秸秆资源丰富且产量巨大。但由于秸秆结构和性质的特殊性,导致其难以降解,进而限制了其资源化利用。传统的秸秆处理方法不仅浪费资源,而且造成大气污染,土壤板结、肥力下降等负面影响,秸秆生物处理以其污染少、效率高、利于工业化生产等特点被视为最有前途的处理方法。但在长期的科学研究和生产实践中,人们主要关注秸秆中纤维素的降解,忽略了主要的限速有机物——木质素的降解研究。自然界中,木质素的完全降解是真菌、放线菌、细菌或它们共同作用的结果,其中真菌起主导作用,而白腐真菌是目前公认的木质素降解首选微生物。秸秆降解是在微生物代谢过程中产生的一系列酶作用下完成的,而且需要多种酶协同作用。土地沙化是我国当前最为严重的生态环境问题之一,沙化土壤颗粒较粗、质地疏松,使得土壤蓄水保肥能力极差、有机质和养分含量低,不仅导致农业生产过程中N、P等营养元素的流失,也造成面源污染和水体富营养化等环境问题,引起生态环境的恶化。因此,利用纤维素分解菌与木质素分解菌联合处理秸秆,并用于沙质土壤改良具有良好的应用前景。 本文采用黄孢原毛平革菌单独发酵、黄孢原毛平革菌与青霉菌混合协同发酵两种方式处理粒度为0.5 cm、1-3 cm、4-5 cm的玉米秸秆。将培养5 d的黄孢原毛平革菌接种于不同粒度的玉米秸秆单独发酵,30℃下恒温培养,分别于培养5、10、15、20、25、30、35、40 d后取样分析。混合发酵是在接种黄孢原毛平革菌15、20、25 d后,接入降解纤维素的青霉菌菌块(1 cm×1 cm),在接种青霉菌的第5、10、15、20 d取样分析,研究生物处理玉米秸秆的腐解特征,获得如下研究成果: 1.黄孢原毛平革菌对0.5 cm、1-3 cm、4-5 cm的玉米秸秆均有不同程度的降解,分解率和分解时间与玉米秸秆的粒度具有相关性。秸秆粒径越大,木质素的降解率越高,腐殖化程度越高。发酵25 d后,秸秆的降解率和木质素的降解速率均明显趋缓,秸秆处理最佳粒径为4-5 cm。秸秆腐解产物中羧基含量不断增加,酚羟基含量不断降低,说明其腐解过程为氧化过程,酚羟基被氧化为羧基。 2.将降解木质素的黄孢原毛平革菌和降解纤维素的青霉菌做平板拮抗试验,发现青霉菌生长优势较强,对黄孢原毛平革菌有竞争性抑制作用,需将两种菌进行二步混合发酵降解秸秆,即先接种黄孢原毛平革菌,一段时间后再接种青霉菌。 3.自然温度条件下混合菌发酵玉米秸秆研究发现,0.5 cm的玉米秸秆在培养45 d后,P25+F20组合发酵玉米秸秆的降解率最高。接种青霉菌后腐殖酸类物质含量降低,说明青霉菌不利于腐殖酸的形成。酚羟基含量下降,说明接种青霉菌后纤维素得到有效降解。 4.电镜分析结果发现,未经发酵的玉米秸秆表观结构紧密规整,而经过黄孢原毛平革菌和混合菌发酵降解后的玉米秸秆,其表观结构已被破坏,存在很多的裂缝和空洞,且混合菌处理玉米秸秆的效果优于单一菌种的处理。 5.对比发酵前后秸秆样品的红外光谱图,发现黄孢原毛平革菌处理秸秆后,纤维素、木质素、半纤维素等碳水化合物发生分解,使得羟基和亚甲基基团减少,同时也表明酚类化合物被氧化成醌类物质。秸秆中的蛋白质和氨基酸分解后生成酰胺类化合物、硝酸盐和氨盐。


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