添加尿素和无机盐土对秸秆厌氧消化的影响

向厌氧消化体系加入外源添加剂是一种有效且简单的用于提高产气效率的方法。为了解决秸秆厌氧消化原料转化率低、易酸化、厌氧消化时间长等问题,该文选取尿素和无机盐土作为秸秆厌氧消化的添加剂,研究比较不同添加量对玉米秸秆厌氧消化过程产气特性、发酵环境、微生物活性以及物能转化效率的影响。结果表明,对于出现酸化问题且甲烷菌活性较低的厌氧消化系统,添加尿素和无机盐土有利于缓解酸化并促进微生物生长繁殖,三磷酸腺苷（ATP）峰值时的微生物数量可增加2.76×1011-5.31×1011个/L。添加一定量的尿素和无机盐土可使产气高峰提前,添加10%的无机盐土处理组与纯秸秆处理相比,产气高峰可提前4d;但酸化也会削弱尿素和无机盐土对产甲烷过程的促进作用,添加量越大,削弱效果越显著。研究结果可为秸秆厌氧消化的工程应用提供参考。     

高效木质纤维素分解菌群筛选及其酸碱调节能力研究

为获得能够改良土壤酸碱性的微生物群体, 以混合堆放牛粪、鸡粪的储粪池外围土样为材料, 采用限制培养技术筛选了一组木质纤维素分解菌群, 并对该菌群在不同初始pH下的适应能力和纤维材料的分解能力及其耐盐特性进行了研究。结果表明: 以不同碳源(滤纸、玉米秸秆、稻草秸秆和小麦秸秆)制作不同初始pH(5.0~11.0)的培养基, 接种木质纤维素分解菌群后培养基pH均迅速向中性变化, 第3 d集中至8.0左右, 6 d后稳定至7.8~8.6; 7 d内滤纸、玉米秸秆、稻草秸秆和小麦秸秆失重率分别超过93.15%、50.53%、44.29%和42.60%; 以滤纸为惟一碳源、NaCl浓度2.0%的培养基接种, 7 d滤纸失重率达84.82%。木质纤维素分解菌群具有较强的适应及调节pH能力, 且能够高效分解木质纤维材料, 并具有一定的耐盐特性, 可见该菌群在酸碱土壤酸碱性改良领域具有一定开发潜力。     

高温分解与乳酸菌分步发酵提高秸秆饲料消化率及适口性

以提高秸秆饲料的消化率和适口性为目的,该研究1)以干玉米秸秆为材料,接种木质纤维素分解菌复合系WDC2,进行高温分解发酵;2)以乳酸菌复合系SFC-2为接种物,进行乳酸菌液体发酵;3)将乳酸菌发酵液以质量体积比1∶1比例均匀喷洒到发酵秸秆中,制备发酵秸秆饲料。该研究从营养学和分子生态学角度探讨了高温分解与乳酸菌分步发酵提高秸秆饲料消化率和及适口性的可行性。结果表明,经高温分解发酵,秸秆中微生物多样性丰富,不含致病菌。以南阳黄牛为研究对象,秸秆的干物质、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维体外消化率分别提高了13.94%、22.56%和21.12%,采食量提高21.71%;部分分解的秸秆经乳酸菌发酵液吸附后,粗蛋白增加36.17%。秸秆的高温分解发酵与乳酸菌的乳酸发酵相结合的饲料制作工艺,即提高了秸秆的消化率和营养价值,也改善了秸秆的适口性。     

沼液微生物燃料电池的产电及有机物降解特性研究

为了使发酵沼液得到减量化、无害化处理及能源化利用,该研究构建了以玉米秸秆发酵沼液为阳极底物的双室微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)。通过对比不同浓度沼液MFC产电特性、化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)去除率及库伦效率等探究MFC对玉米秸秆沼液的降解效果及其能量回收效率。结果表明,玉米秸秆沼液MFC能够正常启动,并且能够长时间运行产生电流。当初始COD质量浓度为(3618.6±55.6)mg/L时,其最大功率密度为203.4 mW/m2,COD去除率可达63%;并随着沼液中有机物浓度降低,MFC运行稳定性下降,最大输出功率密度成线性降低。通过对原料及阳极溶液和阳极生物膜菌群结构分析可知,以玉米秸秆发酵沼液为阳极底物的MFC菌群结构合理,MFC可以利用沼液中的水解细菌分解阳极溶液中的纤维素等大分子物质,主要以Clostridia、Flavobacteria和Bacteroidia菌纲为主;同时阳极生物膜可以富集接种物中的产电细菌,分解小分子有机物产生电能,2类微生物可以互利共生,避免了沼液MFC的高浓度抑制。该研究表明,MFC可以降解较高浓度沼液废水,并产生电能,该研究可为发酵沼液的处理与利用提供参考。     

复合微生物预处理玉米秸秆提高其厌氧消化产甲烷性能

为促进微生物预处理方法在提高玉米秸秆高效厌氧消化产甲烷方面的应用效果,该文研究了由黑曲霉(Aspergillus)、木霉(Trichoderma)、草酸青霉(Penicillium)和白腐真菌组成的复合微生物菌系HK-4,对玉米秸秆预处理及厌氧消化产气性能的影响。将复合微生物菌系加入到粒径为0.7~1 cm玉米秸秆中,在28℃恒温条件下190 r/min震荡培养15 d,测得纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别可达64.52%、51.06%和3.89%。使用经HK-4处理过的玉米秸秆,用于沼气生产,发酵32 d,复合微生物菌系组共产生7364 m L气体,比未处理组提高了27.4%;预处理4 d,复合微生物处理组甲烷体积分数即可提升到40%以上,之后20 d在45%~53%之间波动,而未经HK-4处理过的玉米秸秆,甲烷体积分数在第6天才稳定到36.7%。     

油菜秸秆生物质炭对紫色土有机碳矿化和累积效应的影响

采用室内模拟培养试验,以油菜秸秆为对比,分析油菜秸秆生物质炭的施用对紫色土有机碳矿化的影响。在培养试验中,设置0.25%,0.5%和1%3个不同秸秆/土壤质量比的油菜秸秆还田培养处理,依次标记为J_1,J_2和J_3;同时,设置3个不同油菜秸秆生物质炭添加量的培养处理,其生物质炭添加量分别为J_1,J_2和J_3处理中添加的等量油菜秸秆在600℃下制成的生物质炭量,依次标记为S_1,S_2和S_3,所有处理置于25℃下避光培养56d。在培养期内,各处理中土壤有机碳(SOC)矿化速率随时间的变化符合乘幂函数。添加生物质炭处理的SOC累积矿化量、矿化强度和易分解有机碳占总有机碳含量的比例(Ca/CSOC)显著低于与其对应的油菜秸秆处理(P0.05),表明油菜秸秆经过热解制成生物质炭后可显著提高其在土壤中的稳定性。各添加生物质炭处理的SOC累积矿化量、矿化强度、Ca/CSOC和难分解有机碳占总有机碳含量的比例(Cs/CSOC)与对照(无外源碳添加)之间无显著性差异,添加生物质炭几乎不影响紫色土有机碳的分解。另外,S_1处理中外源碳的表观残留率显著高于其它培养处理,而S_2和S_3处理中外源碳的表观残留率则显著低于与其对应的油菜秸秆处理(J_2和J_3)(P0.05)。这表明在低量油菜秸秆还田时,将其制成生物质炭还田比直接还田更利于紫色土有机碳的积累。     

复合菌系MC1预处理对玉米秸秆厌氧发酵产甲烷效率的提高

采用高效纤维素分解菌复合系MC1对玉米秸秆进行预处理,以提高玉米秸秆厌氧甲烷发酵的效率和产气量。复合菌系预处理的结果表明,预处理发酵液的pH值呈先下降后升高的趋势,与以往的复合菌系发酵产物pH值特性相似。在14 d的预处理过程中,秸秆质量减少了59.0%,其中纤维素减少了53.1%,半纤维素减少了76.4%。发酵液中的可溶性糖含量最大值出现在第2 d,为1.44 g/L。化学需氧量（COD）和挥发性产物最大值均出现在第4 d,监测到的5种挥发性产物的量分别为乙醇2.38 g/L、乙酸0.57 g/L、丙酸0.11 g/L、丁酸0.62 g/L和甘油0.22 g/L,因此,处理4 d后最适合甲烷发酵。厌氧发酵的结果表明,与未处理的玉米秸秆的厌氧发酵相比,预处理后的秸秆总产气量和总甲烷量分别了提高了33.0%和58.1%。结果表明,MC1对玉米秸秆预处理后,可明显提高甲烷产量,具有较高的利用潜力。     

哈茨木霉和黑曲霉粗酶液预处理改善秸秆产甲烷性能

为提高玉米秸秆甲烷产率,该文研究了酶对玉米秸秆预处理后厌氧发酵的指标性质和对微生物的冲击。研究发现,哈茨木霉粗酶液(酶T)和黑曲霉粗酶液(酶A)预处理后,发酵体系中初始挥发性脂肪酸(volatile fatty acid,VFA)显著增加,主要体现在乙酸的积累。发酵1 d后,酶T处理组和酶A处理组的碱度/VFA比值及可溶性化学需氧量/VFA(s COD/VFA)比值较CK组显著增加,该变化主要体现在VFA的大量减少。发酵20 d,酶T处理组和酶A处理组的累积产甲烷量分别比CK组提高了7.79%和10.06%。厌氧发酵24 h,酶T处理组中9个属的细菌丰度显著高于CK组,其中Clostridium,vadin BC27,Ruminofilibacter与纤维素的降解有关。发酵系统中古菌主要为Methanosaeta,Bathyarchaeota,Methanosarcina,Methanobacterium等。预处理影响了发酵系统中微生物的菌群结构,对改善发酵条件具有重要的调节作用。该研究为木质纤维素的沼气转化提供参考。     

微生物预处理油菜秸秆对提高沼气产量的影响

为研究微生物预处理技术对秸秆发酵制沼气的影响,采用混合菌剂对油菜秸秆进行预处理,利用红外光谱分析仪和扫描电子显微镜对预处理前后的秸秆进行分析。结果表明,混菌共发酵预处理11 d后油菜秸秆的纤维素、木质素、半纤维素降解率分别达到了37.4%、28.9%和29.9%。混菌共发酵预处理使油菜秸秆的木质纤维素内部结构发生较大改变,产生很多裂缝和空洞。以油菜秸秆为原料进行沼气发酵试验,发现预处理后的秸秆日产气量最高峰值较未处理的提高了37.6%,累计产气量提高了17.8%。由此可见,通过混合菌剂降解油菜秸秆中的纤维素、木质素和半纤维素,可促进秸秆生物质转化为沼气。     

稻秸还田对油菜季径流氮磷及COD流失的影响

通过田间小区试验,设置CK(无施肥+无秸秆)、F(常规施肥)、SF(秸秆还田+常规施肥)和SFR(秸秆还田+常规施肥减15%)4个处理,研究在巢湖地区稻油轮作模式下,稻秸还田对油菜季农田径流氮磷及化学需氧量(COD)流失影响。结果表明,秸秆还田处理显著增加土壤微生物细菌、真菌和放线菌数量,显著降低径流总氮浓度,但增加总磷和COD含量,土壤微生物数量与径流氮磷及COD含量呈显著正相关关系。与F处理相比,SF、SFR处理总氮流失量分别减少16.9%~19.8%,27.1%~29.3%,总磷流失量分别降低2.4%~4.0%,4.0%~5.6%,COD流失量分别增加6.1%~10.0%,2.8%~6.1%。研究结果为揭示土壤微生物数量与径流氮磷及COD流失的作用机理提供了参考,为合理利用秸秆还田技术提供了理论依据。     

有机物料类型对烟草根际微生物及烟叶产质量的影响

作为土壤微生物重要的碳、氮源,有机物料在调节根际微生物群落结构、改善土壤养分循环、提高作物产质方面发挥着重要作用。本文以常规化肥处理为对照,设定等有效氮条件下水稻秸秆还田、油菜绿肥翻压和饼肥(腐熟)等3种有机物料类型对烟草根际土壤酶活性、微生物功能多样性及烟叶产质的影响,以期为合理施用有机物料来提高烟叶品质提供科学依据。结果表明,稻草还田和油菜绿肥翻压处理显著提升了烟草根际脲酶活性,但对根际过氧化氢酶活性无显著影响;Biolog分析发现稻草还田和油菜绿肥翻压显著提高了烟草生育后期根际微生物群落的代谢活性和功能多样性指数,碳源利用类型差异是引起有机物料处理下烟草根际微生物群落变异的重要因素,其中糖类碳源影响最大。有机物料处理下烟叶化学指标无显著变化,但上中等烟叶比例显著提高,其中稻草还田和油菜绿肥翻压处理下烟叶产值分别比对照提高29.4%、19.8%。本研究表明,植烟土壤上合理采用有机物料部分替代化肥的施肥措施有效改善了烟草根际微生态环境,提升烟叶品质,可作为烟草优质生产的有效栽培措施。     

牛粪厌氧发酵酸化处理条件的优化

在牛粪厌氧发酵过程中,高含量的木质纤维素降低了厌氧发酵的水解酸化速度,水解酸化阶段成为牛粪厌氧发酵过程的限速步骤。为提高牛粪两相厌氧发酵甲烷的产量,对酸化处理条件进行优化。利用两相厌氧发酵工艺,在35℃发酵条件下,研究牛粪酸化处理时间、搅拌频率、料液浓度和尿素添加量对甲烷总产量的影响。单因素试验结果表明,最佳的酸化时间、搅拌频率、料液浓度、尿素添加量分别为96 h、3次.24 h 1(60 r·min-1,1 min·次-1)、8.0%、1.28 g·L-1。在单因素试验基础上,选取酸化时间、料液浓度、尿素添加量为自变量,以甲烷总产量为响应值,根据中心组合设计原理设计试验。采用3因素5水平的响应面分析法,建立酸化处理条件对甲烷产量影响的回归模型,进行显著性和交互作用分析。结果表明,在35℃、搅拌频率为3次.24 h 1(60 r·min-1,1 min·次-1)酸化条件下,酸化料液浓度对甲烷产量影响最大,尿素添加量次之,酸化时间影响最小;酸化最佳处理条件为:酸化时间93.7 h、料液浓度8.3%、尿素添加量1.26 g·L-1。经过优化,甲烷含量、总产气量、挥发性固体含量(VS)和化学需氧量(COD)去除率分别比未酸化处理提高了14.3%、44.7%、41.8%和33.9%,而酸化处理对纤维素、半纤维素和木质素含量影响不显著。由此可见,牛粪酸化处理有利于甲烷产生,可提高甲烷含量及VS和COD去除率。     

Long-term alternative dairy manure management approaches enhance microbial biomass and activity in perennial forage grass

Removing solids from liquid dairy manure slurry reduces manure phosphorus (P) and increases the available (mineral) fraction of nitrogen (N) but also decreases the organic matter content of the manure. While this novel treatment reduces environmental concerns associated with excess N and P application to soils, it may also reduce microbial biomass and activity in soil. This study evaluated the long-term effects of this alternative manure treatment compared to more typical nutrient applications in a perennial grass sward (tall fescue, Festuca arundinacea Schreb.) on soil microbial biomass, community composition, hydrolytic enzyme activity, and forage yield. Nutrient treatments for this long-term field experiment in Agassiz, British Columbia, Canada were started in 2003. The treatments included liquid dairy manure slurry, liquid dairy manure with solids removed, commercial fertilizer, a combination of fertilizer and dairy manure, and a control. All treatments were applied at 400–600 kg total N ha^?1 year^?1 in four equal doses. Soil microbial community composition (phospholipid fatty acid analysis) and activity (hydrolytic enzyme activity) were determined several times during the 2013 and 2014 growing seasons to a depth of 15 cm. Time of sampling (date) had a strong influence on microbial biomass, community composition, and activity, while the response to soil properties and yield was more varied. All manure treatments (dairy manure slurry, liquid fraction, and the combination) increased microbial biomass (by 19–32%) and the potential activity of cellulose-degrading enzymes (by 31–47%) compared to commercial fertilizer and unamended plots. The commercial fertilizer and liquid fraction lowered fungal/bacterial ratios compared with both whole manure and unamended plots. Our results indicate that separating the solid from the liquid fraction of manure, to improve crop yield and reduce P loading, did not reduce microbial community size and activity and that all manure treatments increased microbial biomass and activity compared to mineral fertilizer application.     

Soil structure and microbial activity dynamics in 20‐month field‐incubated organic‐amended soils

Soil structure formation is essential to all soil ecosystem functions and services. This study aims to quantify changes in soil structure and microbial activity during and after field incubation and examine the effect of carbon, organic amendment and clay on aggregate characteristics. Five soils dominated by illites, one kaolinitic soil and one smectitic soil were sieved to 2 mm, and each soil was divided into two parts and one part amended with ground rape shoots (7.5 t ha^?1) as an organic amendment. Samples were incubated in the field for 20 months with periodic sampling to measure water‐dispersible clay (WDC) and fluorescein diacetate activity (FDA). After incubation, WDC and FDA were measured on air‐dried 1–2‐mm aggregates. Tensile strength was measured on four aggregate classes (1–2, 1–4, 4–8 and 8–16 mm) and results used to assess soil friability and workability. Intact cores were also sampled to determine compressive strength. During incubation, the amount of WDC depended on soil carbon content while the trends correlated with moisture content. Organic amendment only yielded modest decreases (mean of 14% across all sampling times and soils) in WDC, but it was sufficient to stimulate the microbial community (65–100% increase in FDA). Incubation led to significant macroaggregate formation (>2 mm) for all soils. Friability and strength of newly‐formed aggregates were negatively correlated with clay content and carbon content, respectively. Soil workability was best for the kaolinite‐rich soil and poorest for the smectite‐rich soil; for illitic soils, workability increased with increasing organic carbon content. Organic amendment decreased the compression susceptibility of intact, incubated samples at smaller stress values (<200 kPa).     

有机物料对污染土壤微生物碳和磷的影响

施用不同的有机物料对污染土壤微生物量及其磷素的固定作用的研究发现 ,有机物料施入污染土壤之后 ,土壤微生物碳 (C)在第 3d即达到高峰 ,土壤微生物磷 (P)在第 10d达到高峰 ,腐熟的牛粪对该土壤磷的活化作用很大 ,而葡萄糖的处理显著地降低了污染土壤磷的有效性 ,并不同程度地增加了对土壤磷的生物固定。     

等碳投入的有机肥和生物炭对红壤微生物多样性和土壤呼吸的影响

施用有机肥是快速培育瘠薄土壤的一个重要措施。针对中亚热带第四纪红黏土发育的红壤旱地,建立了玉米和花生单作系统等碳量投入有机肥和生物炭的田间试验,利用聚合酶链式反应—变性梯度凝胶电泳(polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis,PCR-DGGE)方法研究了土壤细菌和真菌群落组成和多样性的变化,分析了土壤呼吸速率(CO2通量)的变化及其与微生物多样性的关系。两年的试验表明,不同施肥方式导致微生物群落结构显著分异,施用有机肥和生物炭显著增加了细菌多样性,但施肥第二年真菌多样性有下降趋势。秸秆和猪粪配施显著增加了土壤呼吸速率,土壤呼吸速率与细菌和真菌多样性呈显著正相关,细菌多样性对土壤呼吸的影响(相对贡献率为71%)显著高于真菌(29%)。土壤磷素(全磷和速效磷)含量的变化是驱动红壤微生物多样性变化的主导因素,其对细菌和真菌多样性的相对贡献率分别为44.8%和47.4%。因此,合理配施秸秆和猪粪可以快速提高瘠薄红壤的生物功能。     

鸡粪与油菜秸秆高温堆肥中营养元素变化的研究

以鸡粪和油菜秸秆为原料,采用人工好氧翻堆方式进行高温堆肥试验,研究堆肥制作过程中养分的变化规律。结果表明,堆肥过程中pH值在堆肥前期上升而后期下降;氨态氮、硝态氮、总氮相对含量在堆肥前期下降,后期上升;有效磷在堆肥前期略上升而后期略下降;总钾量呈不断上升趋势;腐植酸总量随发酵时间延长而下降。鸡粪和油菜秸秆堆肥时间在30d左右为宜。     

玉米地土壤微生物量碳、氮及微生物熵对不同物料还田的响应

在四川丘陵区紫色土上进行田间试验,以无物料还田为对照,对比分析了蚕豆秸秆、油菜秸秆、猪粪3种物料还田对夏玉米吐丝期和收获期0—20,20—40cm土层土壤有机碳、全氮、微生物量碳氮含量及微生物熵的影响,以期为农业废弃有机物料的综合利用及四川丘陵区土壤质量的提升提供理论参考。结果表明:(1)尽管有机物料还田于0—20cm土层中,0—20,20—40cm土层土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、微生物量碳(SMBC)、微生物量氮(SMBN)含量均受到有机物料的深刻影响。各处理0—20cm土层SOC、TN、SMBC、SMBN含量均显著高于20—40cm土层,且上下2层土壤SOC、TN、SMBC和SMBN含量在生育时期间均表现为吐丝期>收获期。(2)在2个生育时期,3种物料还田均能提高0—20,20—40cm土层SOC、TN、SMBC、SMBN含量。与对照相比,物料还田处理的SOC、TN、SMBC、SMBN含量分别提高2.6%~141.2%,1.9%~33.0%,5.1%~114.7%,41.5%~98.7%,其中收获期各处理0—20,20—40cm土层SOC、SMBC、SMBN均表现为油菜秸秆>蚕豆秸秆>猪粪>对照,TN表现为蚕豆秸秆>猪粪>油菜秸秆>对照。(3)各处理SMBC/SMBN、qMB、SMBN/TN分别为3.74~10.53,0.86%~2.19%,1.01%~3.41%,且物料还田降低SMBC/SMBN,提高土壤qMB和SMBN/TN值。相关分析表明,SMBC、SMBN与SOC、TN之间均存在极显著正相关关系。因此,农业生产中可通过物料还田提供给微生物足够的碳氮营养,提高土壤SMBC、SMBN、SOC、TN含量和qMB值,维持较高的农田生产力,提升土壤质量,但具体施用物料时还需寻求土壤肥力提升、玉米产量增加以及环境效益之间的平衡。