纤维素降解菌群构建及其与酶制剂对玉米秸秆堆肥的影响

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针对秸秆堆肥过程中降解缓慢、碳氮损失率高等问题,本研究以玉米秸秆为试验材料,利用实验室的纤维素降解菌构建纤维素降解菌群,在菌群产酶条件优化的基础上,明确纤维素降解菌、纤维素降解酶制剂以及菌酶联用对玉米秸秆堆肥理化性质、腐熟度的影响。主要研究结果如下:(1)通过菌株拮抗实验和纤维素降解酶活性测定,明确了藤黄单胞菌(Luteimonassp.)X11-1菌株、长梗木霉(Trichoderma longibrachiatum)Z8-2菌株、黄曲霉(Aspergillus flavus)Z5-3菌株可进行复配,且菌群酶活力较各单一菌株酶活都高。因此本试验纤维素降解菌群由这三株菌组成。纤维素降解菌群产酶条件优化的结果为:以玉米秸秆粉为唯一碳源,其碳源质量分数为2.50%,氮源为硝酸钠,C/N比为26:1,初始pH值为7.00,培养温度为30℃,接种量为9%,X11-1、Z8-2和Z5-3菌株的菌体(或孢子)数量比为20:1:1。该条件下,菌群的羧甲基纤维素酶(CMCase)活性和滤纸酶(FPase)活性分别为0.694U·mL-1和0.157 U·mL-1。(2)玉米秸秆堆肥添加不同接种量纤维素降解菌剂均能促进堆肥腐熟,缩短堆肥时间,提高堆肥产品品质,但不同处理间具有差异。研究结果表明,物料中添加菌剂处理较不加菌处理均能提高堆温,使物料提前1-2d进入高温期。其中,添加体积分数为15%菌剂处理较对照提前2d进入高温期。与不加菌处理的碳、氮损失37.97%和42.47%相比,添加纤维素降解菌各处理的物料碳、氮损失分别为21.18%-28.51%和17.55%-30.85%,均显著降低。其中,添加15%菌剂的处理碳、氮损失最低,分别为21.18%和17.55%,说明适量的菌剂添加量更有利于物料碳、氮损失的降低。堆肥中添加菌剂可促进物料养分转化,加菌处理全磷、全钾质量分数分别较不加菌处理增加13.22%-26.45%、40.54%-62.16%;速效磷、有效钾质量分数分别较不加菌处理增加3.87%-13.56%、9.31%-19.86%,其中15%菌剂处理的养分转化效果最佳。玉米秸秆堆肥中菌剂的添加,物料的纤维素酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性较对照均提高,明显缩短堆肥腐熟时间。其中添加15%菌剂处理腐熟时间最短,为23 d,较其它处理提前6-10d。因此,体积分数15%菌剂为玉米秸秆堆肥菌剂的最佳接种量。(3)玉米秸秆堆肥物料中添加不同质量分数的酶制剂,可促进堆肥腐熟,提高堆肥产品品质,不同的处理间具有差异。与不加酶处理相比,物料中添加不同质量分数的酶制剂可提前2d进入高温期。与不加酶处理的碳、氮损失38.18%和41.85%相比,堆肥时添加酶制剂处理的碳、氮损失分别为23.96%-38.18%和18.18%-24.59%,可以显著降低物料的碳、氮损失。其中,添加0.8%酶制剂的处理碳、氮损失最低,分别为23.96%和18.18%,显著低于其它加酶处理,表明添加适宜的酶制剂更有利于物料碳、氮损失的降低。堆肥中添加酶制剂可促进物料养分转化,其全磷、全钾质量分数分别较不加酶处理增加12.71%-37.52%、45.39%-96.76%;其速效磷、有效钾质量分数分别较对照增加4.84%-10.65%、5.28%-17.32%,其中0.8%酶制剂处理的物料养分转化效果最好。加酶处理可以提高物料的纤维素酶、蔗糖酶、脲-酶、脱氢酶、过氧化氢酶活性。堆肥物料中添加0.8%酶制剂,物料腐熟所需时间最短,为17 d,较其它处理提前2-16 d腐熟。因此,质量分数0.8%为玉米秸秆堆肥酶制剂的最佳用量。(4)玉米秸秆好氧堆肥中添加菌剂(体积分数15%)、酶制剂(质量分数0.8%)、菌酶联用(菌剂体积分数15%+酶制剂质量分数0.8%)均能促进堆肥腐熟,缩短堆肥周期,提高堆肥产品品质。与对照相比,堆肥物料各处理均能促进物料提前进入高温期。其中,菌酶联用处理时对照提前2d进入高温期,其物料的碳、氮损失最低,分别为18.91%和15.51%,较其它处理碳损失降低16.28%-50.34%、氮损失降低19.43%-63.09%,表明菌酶联用更有利于物料的保碳、保氮。至堆肥发酵结束,与对照相比,添加菌剂、酶制剂和菌酶联用处理的全磷、全钾质量分数分别增加34.48%-62.93%、71.43%-117.14%,速效磷和速效钾质量分数分别增加13.69%-15.65%、17.10%-23.23%。其中,菌酶联用处理的物料全效养分浓缩和转化效果最好。菌酶联用处理堆料的纤维素酶、脲酶、蔗糖酶、脱氢酶、过氧化氢酶活性最高。菌酶联用处理腐熟时间最短,仅为15d。因此,玉米秸秆堆肥添加菌剂体积分数15%和酶制剂质量分数0.8%为最佳处理。综上所述,在玉米秸秆堆肥中,添加体积分数15%的菌剂和质量分数0.8%的酶制剂,物料碳、氮素损失较其它处理更低,物料养分转化效果最好,腐熟时间最短,是最佳处理方案。
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