秸秆快速降解菌系的构建及其在有机污染物治理中的应用

来源 :浙江大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:LIUCHANGQI2003
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秸秆快速降解不仅可以解决农业废弃物资源浪费和秸秆焚烧造成的环境污染问题,而且对改善土壤结构、增加肥力具有重要价值,对促进农业生态健康发展意义重大。本文利用重组里氏木霉(Trichoderma reesei ZJ-09)、黑曲霉(Aspergillusniger ZU-06)和彩绒革盖菌(Trametes versicolor)构建而成的秸秆快速降解复合菌系(TATS)对秸秆降解进行研究,利用其固态发酵过程中生产的漆酶对环境中存在的几类典型有机污染物进行催化降解,并在此基础上开展TATS降解秸秆与土壤污染生物修复的耦合试验。以水稻秸秆为基质固态发酵过程中,发现重组里氏木霉不仅能高产纤维素酶,而且还可生产漆酶,对于里氏木霉不能利用的木质素具有一定的降解作用。固态发酵10天,滤纸酶(纤维素酶)和漆酶活力分别可达110.4 IU/g和24.5 IU/g;秸秆纤维素、半纤维素和木质素降解率分别为56.1%、49.3%、36.8%,失重率达41.1%,较出发菌株提高了 23.9%。研究发现:重组里氏木霉和枯草芽孢杆菌不适合进行协同发酵。黑曲霉作为辅助菌种可有效提高固态基质中纤维素酶和木聚糖酶活力,与重组里氏木霉协同发酵时滤纸酶和β-葡萄糖苷酶活力分别为132.7 IU/g和213.1 IU/g,木聚糖酶活力达6082.6 IU/g,较重组里氏木霉单独发酵分别提高20.2%、1200.1%和6.3%;秸秆纤维素和半纤维素降解率则分别提高5.5%和13.3%,秸秆失重率提高了 19.5%,但木质素降解率稍有下降。采用彩绒革盖菌作为重组里氏木霉的辅助菌种,可有效提高发酵基质中的漆酶活力,两者协同发酵时漆酶活力可达33.5IU/g,较重组里氏木霉单独发酵提高了 37.0%,木质素降解效果提升了 42.9%,但纤维素和半纤维素降解率则无明显提高。将重组里氏木霉、黑曲霉、彩绒革盖菌有机组合,使其优势互补,对TATS中不同菌种的组成比例、接种时间、接种顺序以及固态发酵条件等相关影响因素进行了研究。结果表明:根据菌种在发酵基质中的生长特性,彩绒革盖菌应首先接入发酵基质,重组里氏木霉和黑曲霉分别延后1天和2天接入,在3个菌种的适宜接种比例为2:2:1,总接种量10%(v/w),麸皮用量10%(w/w),基质含水率70%,30℃条件下,固态发酵第10天滤纸酶、木聚糖酶和漆酶活力分别可达134.7IU/g、6450.3 IU/g和30.4 IU/g;秸秆纤维素、半纤维素、木质素降解率分别可达64.2%、61.5%、46.2%,秸秆失重率为53.1%。TATS对不同作物秸秆均具有良好的降解效果,其中以小麦、玉米秸秆和甘蔗渣作为底物基质时漆酶活力最高分别可达27.3 IU/g、52.2 IU/g和37.8 IU/g,相应秸秆失重率分别为42.3%、46.8%和 35.4%。以水稻秸秆为基质进行TATS的模拟放大试验,结果表明:在自然条件下,种子液接种时固态发酵第10天漆酶活力峰值为12.3 IU/g,第12天滤纸酶活力峰值为78.4 IU/g,秸秆失重率为35.1%;而以酶曲接种时固态发酵第10天漆酶活力达到峰值16.4IU/g,第12天滤纸酶和木聚糖酶达到峰值,分别为96.4 IU/g和5247.8IU/g,且水稻秸秆纤维素、半纤维素和木质素降解率分别可达42.3%、44.5%、27.2%,秸秆失重率达41.5%。TATS不仅可以实现不同作物秸秆的快速降解,在自然条件下也有较好的应用效果,而且还可生产漆酶用于污染物的降解,具有实际应用潜力。利用TATS固态发酵过程中所产漆酶对兽用抗生素金霉素和土霉素进行降解,结果表明在无外加介体,pH5.0,60℃,120r/min条件下反应5h,金霉素降解率可达95.7%;另外,构建的漆酶-丁香醛/香草醛复合天然介体系统在漆酶用量0.1 IU/mL、50℃、120r/min、pH4.0的条件下反应4h,土霉素的降解率高达 95.1%。在TATS酶曲应用降解毒死蜱实验中发现在无需外加介体,酶曲用量0.04 g/mL,50℃,pH 4.5以及120 r/min水浴条件下反应6h,水体中毒死蜱降解率可达95.3%。在酶曲处理含毒死蜱污染土壤过程中,发现翻堆方式可加快酶曲对毒死蜱的降解但不影响毒死蜱的最终降解率,在保持酶曲含水率60%,酶曲用量10%(w/w)条件下将酶曲铺于污染土壤上层,作用第12天毒死蜱降解率最高达58.3%。在开放环境下的浅盘中进行TATS降解秸秆与含毒死蜱污染土壤生物修复的耦合实验,将秸秆基质平铺于含毒死蜱污染土壤上层,以酶曲接种方式接入2%(w/w)的酶曲,保持基质含水率为60%,作用时间14天。结果表明第10天时漆酶活力峰值达17.4 IU/g,第12天滤纸酶活力峰值达92.4 IU/g,第14天秸秆纤维素、半纤维素和木质素降解率分别为41.2%、45.5%、26.2%,秸秆失重率可达42.4%,毒死蜱降解率最高达53.3%。TATS在降解秸秆和污染物治理中具有良好的应用效果,也为其他污染物降解提供了借鉴意义。本文研究结果不仅在秸秆资源利用方面具有重要意义和推广价值,而且在秸秆降解过程中可高产具有作用底物宽泛和环境友好特点的漆酶,在污染物治理降解和生态环境保护方面具有重要的应用价值,为进一步开展秸秆快速降解技术升级和污染物生物修复工作奠定基础。
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