高效纤维素分解菌的筛选及其对还田秸秆的降解效果研究

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为改良植烟土壤,促进秸秆还田在烟区的推广,寻求促进秸秆高效分解的纤维素分解菌是有效的解决办法。本研究以贵州不同烟区植烟土壤为筛选纤维素分解菌材料,以烤烟残留物和玉米秸秆为碳源进行纤维素分解菌的筛选,并进行复合菌剂的配制,以期获得高效降解秸秆纤维素的菌株或复合菌剂。分别通过室内培养、盆栽试验探讨所筛纤维素分解菌及复合菌剂秸秆降解效果、最佳的秸秆还田形态及其对植烟土壤理化性状、烟叶主要化学性质的影响,研究结果如下:(1)以贵州遵义、安顺和毕节等烟区植烟土壤为材料,分别以玉米秸秆、烤烟残留物为唯一碳源进行纤维素分解菌的筛选,通过富集培养、刚果红染色,筛选出比D/d大于2.5具有较强的纤维素分解能力的菌株6株,其中FCM-1、FCM-10、FCM-11等3株来自遵义湄潭烟区,FTZ-5来自遵义乐山烟区,FCY-2来自安顺杨武烟区,FCW-2来自毕节威宁烟区,其中FCM-10的D/d最大为4.2。FTZ-5以烤烟残留物为碳源筛选而得,FCM-1、FCM-10、FCM-11、FCY-2、FCW-2以玉米秸秆为碳源筛选所得,通过形态学、16S r DNA序列及系统发育分析,以玉米秸秆为碳源的菌株均属于纤维菌属(Cellulosimicrobium),以烤烟残留物为碳源的菌株隶属于链霉菌属(Streptomyces)。(2)通过菌株拮抗试验,6株菌株两两交叉培养无拮抗现象;通过生长曲线测定,6株菌株于16 h~40 h处于生长对数期。(3)CMC酶活力测定显示复合菌剂酶活高于单菌剂酶活,其中以“FCY-2+FTZ-5”复合菌的酶活力最高,在第6 d时,CMC酶活力达517.37 U/m L。另外,纤维菌属菌株间虽具有相似的形态特征,但纤维素酶活却存在差异,以FCM-10菌株在第7 d时酶活达最大为260.45 U/m L,纤维菌属菌株间复合以“FCM-1+FCM-10”处理在第7 d时酶活达最大为358.11 U/m L,复合菌剂纤维素酶活高于单一菌剂;FTZ菌株则在第2 d时酶活达最大为321.23 U/m L。为达到既能降解玉米秸秆又能降解烤烟残留物的目的,以玉米和烤烟秸秆为碳源筛选的“FCY-2+FTZ-5”复合菌剂为最佳组合菌剂。(4)选择FCM-10、FCY-2、FTZ-5及其组配的3种复合菌剂的酶液按5%的接种量接种于玉米秸秆及烤烟残留物,结果表明添施纤维素分解菌菌剂可有效促进秸秆的降解,复合菌剂优于单菌株,添施菌剂50 d时效果最佳。以“FCY-2+FTZ-5”处理玉米秸秆失重率最大为76.53%,其次是“FCM-10+FTZ-5”和“FCM-10+FCY-2”,其失重率分别为73.60%和67.77%;而烤烟残留物失重率由高到低依次为“FCM-10+FCY-2”、“FCY-2+FTZ-5”和“FCM-10+FTZ-5”,其失重率分别为74.49%、74.32%与73.95%。玉米秸秆半纤维素、纤维素和木质素降解率皆大于烤烟残留物的,复合菌剂降解率高于单菌剂处理。最有利于玉米秸秆、烤烟残留物中半纤维素、纤维素、木质素降解的菌剂分别是“FCY-2+FTZ-5”、“FCM-10+FTZ-5”。(5)不同菌剂处理后的秸秆降解产物在3400 cm-1、2930 cm-1~2920 cm-1、1630cm-1~1640 cm-1、1520 cm-1~1500 cm-1、1420 cm-1、1250 cm-1和1100~1000 cm-1处吸收峰强度有所降低,在1000 cm-1~1640 cm-1波数区间与无秸秆吸收峰强度差异最大。玉米秸秆经过菌剂处理后,在3400 cm-1、1640 cm-1、1310 cm-1处吸收峰相对强度减弱,烤烟废弃物较则在3400 cm-1、2925 cm-1峰处相对强度下降明显,表明脂肪族化合物、木质素、部分苯环、木质纤维素、纤维素、半纤维素或多糖含量降低等发生了降解。从降解产物看,“FCY-2+FTZ-5”复合为最佳的。(6)添施“FCY-2+FTZ-5”复合菌剂处理下,80 cm、10 cm~15 cm、3 cm~5 cm和粉末状的玉米秸秆降解率分别为48.28%、56.38%、63.94%、73.33%,分别比不添施菌肥的高21.37%、26.97%、33.51%、13.33%。尽管粉末状的降解效果最好,但考虑人工投入和加工成本较高,3 cm~5 cm形态的玉米秸秆更利于还田。(7)盆栽试验显示,与不施菌剂相比,菌剂处理过后的玉米秸秆更易于降解,不同菌剂处理的秸秆其降解速率不同,以FCM-10、FCY-2菌株处理的玉米秸秆降解率最高,分别为79.98%、78.41%,是对照的1.15、1.18倍。秸秆还田可有效降低土壤容重,增加土壤孔隙度,促进团聚体的形成,其中以FCY-2、FCM-10处理土壤容重最小,分别为1.20 g/cm3、1.24 g/cm3,分别是对照的0.92、0.95倍;添施FCY-2菌剂的土壤孔隙度最大,为54.51%;FCY-2与FCM-10菌剂处理秸秆还田还增加了大于2 mm粒径以及在2mm~0.25 mm粒径的大团聚体的质量分数,促进了土壤大团聚体的形成。不同菌剂处理下土壤中有机质转化差异显著,以FCY-2菌剂处理的有机质降解最快,是未添施菌剂的1.09倍;菌剂添施秸秆还田提高了团棵期土壤氮的有效性,以FCY-2菌剂处理的玉米秸秆全氮含量增加最显著。秸秆还田条件下各处理烟株生长良好,农艺性状表现均在正常范围内FCM-1烟株生长情况优于其他处理;团棵期、旺长期和现蕾期烟叶全氮和速效钾含量呈现为先下降后上升的变化趋势,FCM-10最利于现蕾期烟叶含氮量的降低和钾的提高。综上,对烤烟生产而言,FCM-10、FCY-2是贵州烟区田间效果最佳的高效纤维素降解菌。
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