降解玉米秸秆真菌复合菌系的构建及其降解效果评价

  【目的】  秸秆的木质纤维素含量丰富、结构复杂,在自然界中降解较慢,增加秸秆降解菌剂中菌株的多样性有利于提升还田秸秆的降解效果。探究菌株多样性水平和组成影响复合菌系秸秆降解的效果及原因,为复合菌系在秸秆降解中的应用提供理论支撑。  【方法】  通过富集驯化培养,从玉米秸秆还田土壤中筛选具有秸秆降解能力的真菌,从中挑选5株高效秸秆降解真菌进行基因间隔区序列 (ITS) 测定和物种鉴定,明确其分类地位。通过全组合构建菌株多样性为1～5的复合菌系,分别检测复合菌系的秸秆相对降解率及其滤纸酶、纤维素内切酶和木聚糖酶活性,利用方差分析和相关性分析等方法研究菌株多样性和组成对复合菌系玉米秸秆降解效果及其纤维素酶活性的影响。  【结果】  共筛选获得了15株具有秸秆降解能力的真菌,其中5株真菌的秸秆降解效果好、纤维素水解能力强。经ITS序列鉴定和系统发育分析,发现5株降解真菌的遗传差异较大,Z7-6、F7-5、F4-3、L1-1和J2-5分别与草酸青霉 (Z7-6: Penicillium oxalicum)、烟曲霉 (F7-5: Aspergillus fumigatus)、哈茨木霉 (F4-3: Trichoderma harzianum)、白囊耙齿菌 (L1-1: Irpex lacteus) 和木贼镰刀菌 (J2-5: Fusarium equiseti) 的ITS序列相似度均超过99.95%。全组合复配结果表明,复合菌系的秸秆降解能力和纤维素酶活力均高于各单一菌株,且随着菌株多样性水平的增加而提高。滤纸酶、纤维素内切酶和木聚糖酶的活力越强,复合菌系对玉米秸秆的降解效果越好,而其秸秆相对降解率主要取决于滤纸酶和纤维素内切酶的活性。抽样效应分析发现,不同菌株对复合菌系的秸秆降解效果、滤纸酶和纤维素内切酶活性的影响不同。不含菌株F7-5的复合菌系降解效果显著优于含有该菌株的组合,以Z7-6 (P. oxalicum)、F4-3 (T. harzianum)、L1-1 (I. lacteus) 和J2-5 (F. equiseti) 组合F1的玉米秸秆降解效果最佳、酶活性最高。  【结论】  秸秆降解复合菌系的构建过程需要同时考虑多样性效应和抽样效应,增加降解菌的多样性有助于增强秸秆的降解效果。本研究筛选获得的复合菌系F1在玉米秸秆降解中具有潜在的应用前景。     

高效纤维素降解菌的筛选及复合菌系的构建

本研究旨在筛选高效纤维素降解菌,组建复合菌系,用于堆肥接种剂的开发。通过纤维素刚果红选择性培养基,从腐殖土、堆肥样品中分离高效纤维素降解常温菌和耐高温菌。经过羧甲基纤维素酶活(carboxymethyl cellulase,CMCase)、滤纸条崩解能力、对稻杆及苦参(Sophora flavescens Ait.)残渣在液态和固态发酵条件下的降解能力测定逐级淘汰,筛选高效菌株组建复合菌系。研究结果表明,通过拮抗作用、单一菌株在复合菌系中作用测定,最终构建了由3株细菌(弗留明拜叶林克氏菌(Beijerinckia fluminensis)、微杆菌(Microbacterium sp.)和芽胞杆菌(Bacillus sp.)),1株链霉菌(Streptomyces sp.)和1株毛壳菌(Chaetomium sp.)组成的木质纤维素降解高效复合菌系。供试菌株在液态发酵条件下对稻杆和苦参残渣的降解效果明显强于固态发酵,稻杆比苦参残渣更容易被大多数微生物降解,供试真菌在稻杆和苦参残渣的降解中普遍表现出较高的降解效果。筛选得到弗留明拜叶林克氏菌XM-3可以在48 h内将滤纸条完全崩解,复合菌系在固态发酵20 d后对苦参残渣和稻秆的降解率分别达到31.4%和63.1%。本研究对堆肥接种剂的开发具有参考和借鉴意义。     

玉米秸秆低温降解复合菌系降解能力及微生物组成研究

根据还田秸秆配施尿素的生产实际,对玉米秸秆低温高效降解复合菌系GF-20进行氮源培养基驯化,探明其菌种组成和功能多样性及其与菌源菌种结构差异,完善复合菌系筛选方法,促进其开发利用。本文以低温高效降解复合菌系GF-20为研究对象,在硫酸铵和尿素不同配比下连续继代培养10代,获得不同氮源菌系(硫酸铵处理N1,硫酸铵和尿素混合处理N2-N5,尿素处理N6),测定其玉米秸秆降解率,评价复合菌系秸秆降解效率;采用MiSeq高通量测序对菌源土壤样品及不同氮源下继代培养的复合菌系菌种组成和功能多样性进行研究。结果显示N2处理玉米秸秆降解率显著高于其他处理;菌源土壤的Alpha多样性指数显著高于继代培养后的复合菌系,不同处理间N2处理显著高于其他氮处理;菌源和复合菌间以及不同氮处理间菌种组成具有显著差异, N2处理菌种组成多样性较高,菌群结构更加丰富、均匀,且碳水化合物的代谢通路丰度较高。菌源经限制性继代筛选后得到了参与玉米秸秆降解过程的功能菌,能有效提高秸秆降解率,其在硫酸铵和尿素氮源为0.16%+0.04%的条件下,菌系的秸秆降解效率较高,这为复合菌的生产实际开发利用提供了理论依据。     

低温复合菌系对玉米秸秆与牛粪堆肥的影响

玉米秸秆与牛粪混合堆肥是实现秸秆与粪便资源化利用的有效途径之一。将本实验室筛选的一组低温复合菌系接入堆肥中,研究结果表明:在8℃低温条件下,秸秆用量大时升温快、温度高,处理1与处理2堆温在第4 d和第3 d分别为50.8和53.4℃,最高温度分别达到58.4、64.8℃,50℃以上持续了6 d,而不加复合菌系的对照,最高温度为40.9℃,未达到堆肥无害化要求。堆肥结束时,处理1、处理2和对照有机质含量较初始时分别下降了37.54%、33.58%、13.50%;全碳含量分别为26.05%、27.80%、36.55%,较初始分别下降了43.18%、41.54%和19.69%;C/N分别下降了42.83%、41.54%和14.95%;处理1处理2纤维素降解率分别达到37.54%、32.80%,较对照分别提高2.24倍、1.83倍。表明本实验室筛选的低温复合菌系能够使堆肥快速升温,缩短堆肥周期,促进堆肥的腐熟。     

堆肥中纤维素降解菌的筛选及复配菌降解性能研究

为加快堆肥过程中秸秆纤维素的降解速率,本研究从玉米秸秆堆肥中分离纤维素分解菌,并通过测定羧甲基纤维素酶(CMCase)活力、滤纸条崩解能力及兼容性,筛选出优良菌株,进而构建复合菌系,并对降解性能进行评价。结果共获得29株纤维素分解菌,对其中的高效菌株进行配伍,构建了6组复合菌系。除复合菌系F外,其他复合菌系的滤纸酶活力均显著高于单一菌株(P<0.05),尤以复合菌系B(xw1、xw3、xw8)、D(xw16、xw21、xw31)的酶活力最高,分别为22.8、20.4 U·mL^-1,比其中的最强单菌株xw3、xw21高出58.3%、68.6%,且所产酶具有耐高温(40～55℃)性。复合菌系B、D培养5 d可将滤纸条崩解为糊状,10 d内对秸秆的降解率达24.5%、21.9%,较单菌株xw8、xw31增加9.4和4.7个百分点。经16S rDNA分子鉴定,复合菌系B由微杆菌属(Microbacterium sp.)、类芽孢杆菌属(Paenibacillus sp.)组成,复合菌系D由芽孢杆菌属(Bacillus sp.)、类芽孢杆菌属(Paenibacillu ...     

水稻秸秆在旱作土壤中的降解过程及降解菌剂施用效果

以水稻秸秆为试验材料,在温室盆栽和大田小区环境下,设置秸秆纤维素降解菌剂A、B、C为处理,以不施用菌剂为对照(CK),通过测定秸秆失重率(RW)、秸秆纤维素(RCD)和半纤维素降解率(RHCD),探讨水稻秸秆在旱作土壤中的降解过程及秸秆纤维素降解菌剂对秸秆降解的影响。结果表明:水稻秸秆在旱作土壤中的降解过程依据秸秆降解率可以划分为初期、前期、中期和后期4个阶段;秸秆纤维素降解菌剂对秸秆降解促进作用主要在初期阶段,且施用效果受环境温度影响很大:在温室盆栽(20℃)条件下,3种菌剂处理秸秆的初期阶段降解需要10 d,均比CK提前15 d左右;大田低温(10℃)环境下,菌剂B和菌剂A处理秸秆的初期阶段降解需要45 d,而CK需要60 d,菌剂C则没有明显效果。     

不同土著菌及其复合菌对玉米秸秆降解的影响

为研究一种高效的玉米秸秆降解复合菌,选取了木质素降解优势土著菌密黏褶菌、环状芽孢杆菌、铜绿假单胞菌、栗褐链霉菌、黄孢原毛平革菌、杂色云芝、绿色木霉、黑曲霉,对各单一菌种对玉米秸秆的降解能力进行了测定,通过菌种间的拮抗试验,将单一菌种进行组合,初步构建了一组木质纤维素降解复合菌。结果表明：在整个35 d的预处理周期中,黑曲霉、绿色木霉对秸秆中纤维素、半纤维素体现了较高的降解能力,黑曲霉、绿色木霉对半纤维素的降解率分别为47.81%、37.53%,对纤维素的降解率分别为38.96%、46.32%;黄孢原毛平革菌、杂色云芝对玉米秸秆中的木质素体现了较强的降解能力,对木质素的降解率分别为43.56%、39.17%;菌种拮抗试验表明该试验所选用的真菌、放线菌及细菌之间无拮抗反应,可以进行混合培养;对复合菌预处理前后的玉米秸秆微观结构进行扫描电镜分析,发现在降解过程中复合菌对木质纤维素的结构产生了破坏作用,提高了木质纤维素的可及性;木质素、纤维素、半纤维素的含量在整个发酵过程中都在逐渐减少,发酵结束时复合菌对半纤维素的降解率最高达到48.53%,纤维素的降解率为36.38%,木质素的降解率为40.11%,在提高木质素降解率的同时减少了纤维素消耗。该研究为秸秆类生物质降解及利用提供了参考依据。     

复合菌系XDC-2分解未经化学处理的水稻秸秆

利用最近筛选得到的一组木质纤维素分解复合菌系XDC-2分解未经任何化学方法预处理的水稻秸秆,结果表明,接种后第6 d,胞外木聚糖酶活达335 U/mL。经分解12 d,水稻秸秆总质量减少率达39.71%,其中半纤维素质量减少率为78.27%,纤维素质量减少率为14.08%。在分解第6 d,产物种类及含量均达到最多,共检测出4主要的物质分别为乙酸、丙酸、丁酸和甘油,这些有机物均可在工业生产中得到转化和利用。DGGE分析表明,复合菌系XDC-2在分解未处理水稻秸秆过程中的微生物组成结构稳定。结果表明,复合菌系XCD-2对于未经任何化学方法预处理的水稻秸秆分解能力强,极具开发利用潜力。     

氧浓度对复合菌系MC1纤维素降解能力的影响

堆肥系统内氧浓度一直是影响堆肥进程的重要因子,它决定了堆肥系统中微生物活动的强弱,从而影响堆肥中复杂有机物的分解速率.该文研究了氧浓度对纤维素降解复合菌系MC1功能的影响.通过不同封口方式与不同大小容器培养实验,揭示静置培养条件下复合菌系MC1在纤维素降解过程中,氧浓度对该复合菌系分解纤维素能力的影响.得出复合菌系MC1在微耗氧条件下(＜0.05 mg/L)分解纤维素,分解纤维素最佳的氧浓度范围在0.01～0.02 mg/L,氧浓度过高或过低均不利于纤维素的分解.特定氧浓度有利于复合菌系MC1执行分解功能.     

低温燕麦青贮乳酸菌复合菌系的构建及其青贮效果

该研究以燕麦青贮料的自然微生物为菌群来源,通过对其长期限制性培养和定向驯化,在10和25℃各筛选了一组能快速降低燕麦青贮料p H值、增加乳酸等风味物质、组成稳定的乳酸菌复合菌系,分别命名为LDS和MDS。LDS中主要为乳杆菌属(Lactobacillus);MDS中主要为片球菌属(Pediococcus)、明串珠菌属(Leuconostoc)和乳杆菌属(Lactobacillus)。以不添加复合菌系作为对照,燕麦中分别添加LDS、MDS,在10和25℃下进行青贮发酵,其中在10℃条件下,不添加复合菌系、添加LDS和MDS的分别记为10 CK、10 LDS和10 MDS,在25℃条件下的分别记为25CK、25LDS和25MDS。结果表明10LDS中乳酸菌数量是10CK的7400倍,乳酸含量比10CK提高14.3%;25MDS的乳酸菌数量是25 CK的27 000倍,乳酸含量比25CK增加30.3%。通过DGGE和Q-PCR技术,接种复合菌系发酵10 d时青贮料中的微生物群落已基本稳定,接种菌株在青贮料中得到定植。LDS、MDS在不同温度(10、25℃)下接种燕麦,发酵30 d后10LDS比10MDS乳酸含量高17.1%,乙酸高23%;25MDS比25LDS乳酸含量高19.0%,乙酸低19.5%。接种LDS复合菌系后WSC (水溶性碳水化合物,water soluble carbohydrate)、CP (粗蛋白,crude protein)、DMR(干物质回收,drymatterrecovery)都显著提高,LDS在10和25℃条件下能更好的保存燕麦中的营养成分,提高其营养品质。LDS在10和25℃中均可有效定植;MDS在25℃中有效定植,但在在10℃下未能定植。因此LDS对温度适应性更强。     

秸秆促腐还田对土壤养分和小麦产量的影响

利用布置在沿淮地区的两处田间试验,通过设计单施化肥(F)、单施化肥基础上加施秸秆(SF)、单施化肥基础上加施秸秆和腐秆剂(SFD)、单施化肥基础上减施20%磷钾肥(按P2O5和K2O计)后加施秸秆和腐秆剂(SF4/5D)和不施肥对照(CK)5个处理,研究秸秆促腐还田对沿淮中低产田土壤养分和小麦产量的影响。结果表明:不同处理小麦产量规律在水稻土上为SFD>SF>F>SF4/5D>CK,其中SFD较F有显著差异(P<0.05),在砂姜黑土上为SF>F>SFD>SF4/5D>CK,其中SF与F相比有显著差异(P<0.05);不同处理土壤全氮和碱解氮含量在水稻土上以SFD处理最高,在砂姜黑土上以SF处理最高,处理间无显著差异;不同处理土壤有机质、速效磷、速效钾和缓效钾含量在水稻土上以SFD最高,与F相比差异达到显著水平(P<0.05),在砂姜黑土上以SF最高,处理间无显著差异;两种土壤上处理SF4/5D与处理F相比,小麦产量和土壤养分元素含量均无显著差异(P<0.05)。从而得出以下结论:在腐秆剂品种选择恰当的条件下,秸秆与化肥配施并添加腐秆剂的秸秆促腐还田方式可以有效提高土壤肥力和作物当季产量,即使在单施化肥基础上减施20%磷钾肥(按P2O5和K2O计),也不会影响该处理的培肥和增产效果。     

稻草覆盖还田免耕抛秧技术的调查

稻草还田具有增加土壤有机质、改良土壤结构、提高土壤肥力、增加作物产量等作用。习惯上的稻草还田需翻耕入土,不方便犁耙作业;有人试用微生物催腐剂堆沤禾秆还田,但操作繁锁、费工、成本高。因此,每年只有少部分稻草还田,大多数被弃用或者焚烧,造成极大的浪费。2001年,我     

Promotive and inhibitory effects of rice straw and cellulose application on rice plant growth in pot and field experiments

Abstract

Quantitative characterization of crusts is necessary to evaluate the crusting susceptibility of soils, to reveal the soil properties affecting soil crust development and, thus, to predict the occurrence of crusting. For the quantification of the morphological characteristics of soil surface crusts, the authors applied an image analyzing method to quantify the state of pores, in terms of apparent porosity, using vertical thin sections of the surface crust formed under simulated rainfall.     

稻草还田与施钾效果研究

采用田间小区试验研究了稻草还田对水稻生长发育、产量及土壤培肥的影响,结果表明:在洞庭湖贫钾地区,稻草还田能显著促进晚稻生长发育,提高结实率,增加千粒重。同时还可以提高土壤有机质含量,有利于培肥地力。在稻草还田的条件下,施用适量钾肥,对晚稻生长的促进作用和培土作用更加显著。     

Changes in microbial biomass after continuous application of azolla and rice straw in soil

A model experiment was conducted under tropical conditions with a view to evaluating the changes in microbial biomass and nutrient dynamics in upland soil through the continuous application of azolla and rice straw (2 g C kg^-1 soil per each application). Flush decomposition of C was observed immediately after each application and the rate of mineralization did not change appreciably during this period. After flush decomposition, the rate of C mineralization from azolla was higher than that from rice straw until 9 to 13 weeks after each application and thereafter the mineralization rate was similar. The amount of inorganic N released from azolla increased following each application, whereas inorganic N in rice straw plot was immediately immobilized and the rate of immobilization increased until the 3rd application and did not increase further after the 4th application. The amounts of biomass C and N increased immediately after residue incorporation, reached the maximum level one week after each application and declined thereafter. Maximum biomass formation increased until the 2nd application and then the level remained constant. Maximum biomass N formation was higher in azolla than in rice straw after the 1st application, but after repeated applications, the difference became less pronounced: Continuous increase in biomass in a certain week after each application was observed, probably because of the cumulative effects of the previous applications. The increase suggests that continuous application of organic materials may enable to improve the amount of soil microbial biomass.     

Decomposition kinetics of straw saccharides and synthesis of microbial saccharides under field conditions

The decomposition of rice and barley straw saccharides under field conditions was well represented by the first-order kinetics model of Y_t=C₁e^?k1t+C₂e^?k2t, where Y_t is the remaining amount at time t, k₁ and k₂ are the decomposition rate constants (time^?1) for the labile fraction (C₁) and the non-labile fraction (C₂), respectively. About 82% of the total saccharide content of the rice straw was in the labile fraction with a rate constant 0.64–0.81, the values for the barley straw being 70–92% and 0.50–0.61, respectively. The non-labile fraction appeared to persist for a long time, with a half-value period of 9–59 months. Barley straw and its saccharides decomposed at a slower rate than rice straw. Much more favourable initial decomposition was observed in a paddy field than in an upland field. Mannose, fucose, rhamnose and ribose were synthesized in parallel with the flush of decomposition of straw saccharides.     

稻草还田配施菌剂对晚稻生长和土壤酶活性的影响

探索秸秆腐解菌剂配施尿素和石灰在稻草全量还田中对晚稻生长、土壤酶活性和产量的影响。将人工收割后的早稻草按全量还田鲜重25 008 kg·hm-2,配施30 kg·hm-2秸秆腐解菌剂、150 kg·hm-2尿素和225 kg·hm-2石灰,施于稻田中,栽插晚稻秧苗,观察记录晚稻农艺性状,测定植株氮磷钾含量、土壤酶活性和有机质含量、生物量和产量。结果表明,稻草全量还田配施秸秆腐解菌剂、尿素和石灰,能够显著提高晚稻分蘖、土壤酶活性、产量构成农艺性状、植株氮磷钾含量、生物量和产量,相比于未施秸秆腐解菌剂处理,稻谷产量提高了13.12%,生物量提高了13.37%。稻草全量还田配施秸秆腐解菌剂对晚稻产量具有显著地增产效应。     

旱改水对水稻幼苗生长的影响及秸秆的改良作用

本研究以江汉平原旱改水为研究背景,采用土壤盆栽试验和室内淹水培养相结合的方法,以多年水稻土为对照,研究了多年棉田土旱改水及添加秸秆(9 g·kg-1)对水稻幼苗生长和矿质元素吸收的影响以及土壤氧化还原电位和有效态铁、锰、铜、锌含量变化,为旱改水水稻的种植提供参考。结果表明,棉田土旱改水后,水稻幼苗生长缓慢并出现失绿黄化症状,其地上部干重和叶绿素含量仅分别约为水稻土处理的30%和20%。旱改水处理水稻植株Fe含量显著低于、而Cu和Zn含量则显著高于水稻土处理。棉田土旱改水土壤氧化还原电位(Eh)显著高于水稻土;淹水处理10 d,土壤DTPA-Fe含量仅为水稻土的7%左右,而DTPA-Cu和DTPA-Zn含量则分别是水稻土的1.4~2.5倍和1.6~1.8倍。随着淹水时间的延长,棉田土旱改水土壤有效态铁含量逐渐增加,有效态锰、铜和锌含量呈先升高后降低趋势;到淹水处理的第28 d,棉田土旱改水土壤有效态铁、锰、铜和锌含量与水稻土之间的差异逐渐缩小。Fe不足及Cu过量可能是导致旱改水水稻幼苗生长缓慢、失绿黄化的主要原因。旱改水条件下添加秸秆可以降低土壤的Eh值,提高土壤DTPA-Fe含量及降低土壤DTPA-Cu和DTPA-Zn含量,显著提高旱改水初期水稻幼苗叶绿素含量,但对水稻生物量无显著影响。添加秸秆并不能完全消除旱改水对水稻幼苗生长的抑制作用。