白腐菌在秸秆堆肥化中的应用

石河子大学学报(自然科学版)

Journal of Shihezi University(Natural Science)

Vol.7　No.2

Jun.2003

文章编号:100727383(2003)022*******

白腐菌在秸秆堆肥化中的应用Ξ

王连稹,王祯丽,黄华波

(石河子大学农学院园艺系,石河子832003)

摘要:提出了处理农作物秸秆的堆肥化方法,分析了在堆肥中加入微生物白腐菌的可行性,并对白腐菌的适宜培养条件和堆肥的堆腐条件进行了阐述。

关键词:堆肥化;秸秆;白腐菌

中图分类号:S141.4　　　　　文献标识码:A

1　堆肥化的概念

堆肥化是在人工控制下,在一定的水分、C/N比和通风条件下,通过微生物的发酵作用将有机物转变为肥料的过程。近年来,随着农业的快速发展,产生了大量的农作物秸秆。据报道,目前农作物秸秆的45%被当作燃料烧掉,15%还田,其余大部分被焚烧掉,对环境造成了很大的污染。将农作物秸秆经堆肥化处理后,将其作为有机肥料或无土栽培有机基质,是处理农作物秸秆的有效方法之一。农作物秸秆经堆肥化处理后有以下优点:易分解的有机物大部分分解;施入土壤后不产生氮的生物固定;通过降解除去酚类等有害物质,消灭病原菌、害虫卵和杂草种子[1]。目前在世界农业提倡有机农业的前提下,通过堆肥化处理农作物秸秆是应该大力倡导并推广的有效方法。

2　堆肥化中微生物培养剂的添加

为加速堆肥化的进程,国内外许多学者进行了大量的研究,在适宜的条件下添加微生物培养剂是研究热点之一。微生物培养剂是一些从堆肥中分离出来的高温菌、中温菌、放线菌和真菌,它们作为堆肥接种剂能加速细胞壁和木质素、纤维素分解,促进腐殖化过程,避免堆肥早期pH下降,提高堆肥氮素含量和促进堆肥过程中磷的可溶性。

2.1　添加微生物培养剂的效果

接种微生物培养剂对堆肥进程及堆肥产物的质量历来众说纷纭。接种微生物的初衷有:1)提高堆肥初期微生物的群体,增强微生物的降解活性;2)缩短达到高温期的时间;3)接种分解有机物质能力强的微生物。但大量的研究实践表明,接种微生物对加快堆肥进程或提高堆肥产品质量没有促进作用。其主要原因是:1)堆腐条件的影响。堆腐条件稍有变化对堆肥进程会造成很大的影响。2)微生物培养剂的添加时期。添加时期不同对其能否有效发挥作用是很关键的。

2.2　影响微生物培养剂效果的因素

2.2.1　杂菌　堆肥化是一个庞大的工程,堆肥物料本身含有大量的杂菌,其中有些杂菌会抑制接入微生物的生长。

2.2.2　添加时期　一个完整的堆肥过程由4个阶段组成:升温阶段、高温阶段、降温阶段、腐熟阶段。温度超过40℃,中温菌死亡,温度超过60℃时,嗜热真菌死亡,唯有产孢细菌和放线菌继续存活。高温期间,微生物菌剂的存活情况影响到其是否能有效地发挥作用。堆肥菌株一般情况下为高温菌株,如微生物制剂酵素菌,该菌种在±70℃内均可成活[2]。据此,对于嗜热微生物菌剂,可以在高温期加入。因

Ξ收稿日期:2002205222

作者简介:王连稹(19762),女,硕士生,从事无土栽培基质研究。

为高温期间大部分杂菌被杀死,减少了对微生物菌剂的抑制。对于嗜温微生物菌剂,应在降温阶段加入,此时大部分杂菌被杀死,接入微生物培养剂易于占据主导地位,竞争性抑制了其它杂菌的生长。

3　白腐菌在秸秆堆肥化中的应用

目前国内应用较多的微生物培养剂有:301菌剂、催腐剂、酵菌素、腐秆灵[3]、E M菌剂等。目前在造纸、饲料[4]等方面研究利用白腐菌来处理秸秆较多,至于在堆肥上的应用则少见报道。白腐菌绝大多数为担子菌,少数为子囊菌[5]。据资料报道,白腐菌包括绒毛革盖菌(Coriolud villosus)、拟革盖菌(Co2 rilopsis gsllica)等49种真菌,能彻底降解木质素、纤维素和半纤维素等为C O2和水。白腐菌处理秸秆主要是由于其在生长活动过程中能分泌多种酶,这些降解酶主要是木素降解酶,其次是纤维素降解酶及半纤维素降解酶,以降解细胞壁物质中的木素、纤维素及半纤维素。

纤维素的降解主要在外切葡聚糖酶和内切葡聚糖酶及氧化酶的参与下共同完成。半纤维素的降解与纤维素的降解大致相似,但对其反应机理的细节则研究较少,半纤维素分子首先被内切酶(葡甘聚糖酶、木聚糖酶)分解而产生过渡性短链,再被糖甘酶水解为单糖,外切酶是否参与对半纤维素的降解目前还不清楚[6]。木素降解酶是在降解的第2个阶段发生的,即某些营养(氮、碳源)的短缺启动了第2代谢阶段。木素降解酶包括木素过氧化物酶(Lip),赖锰酶(Mnp+)及漆酶(Laccase)。木素的降解由以上几种酶为主进行氧化反应,同时还有其它活性氧及芳香醛酸还原酶和醌还原酶等催化反应和还原反应。

白腐菌降解木素存在2种明显不同的方式,即非选择性降解细胞壁和选择性降解半纤维素和木质素。Z adrazil等研究了200多种白腐菌,结果表明:被研究的200多种白腐菌处理秸秆表现出较强的种间差异,同时培养发酵的条件不同,处理秸秆的效果也不同,但是经筛选和选育的优良菌种,在适当的环境条件下,固体发酵能明显地改变秸秆的理化性质[7](表1)。

由表1可见,经上述5种白腐真菌处理的秸秆,碳水化合物发生选择性降解,木质素降解40%～60%,纤维素和半纤维素降解20%～40%,干物质损失10%～40%。将白腐菌应用于秸秆的处理是可行的。

表1　小麦秸经白腐真菌30天固体发酵后化学成分及

营养价值的变化[7]

项　目CK DQ HC P L I A I D

中性洗涤纤维71.758.668.471.270.170.4

酸性洗涤纤维56.147.454.556.055.054.9

纤维素46.241.949.448.746.446.5

半纤维素15.511.213.915.215.115.4

木质素8.8 5.5 5.97.48.68.1

粗蛋白 3.7 4.7 4.5 4.0 4.9 4.2 PH 6.7 4.1 4.1 4.6 4.3 4.4

I VDM D41.459.256.350.251.452.0

干物质损失率043.512.024.024.522.0

纤维素损失率048.7 5.919.924.222.4

半纤维素损失率059.526.825.831.629.9

木质素损失率065.140.836.418.731.1

　　注备:1)CK为对照;DQ为Daedalea quercina;HC为H eri2 cium clathroide;P L为Phelinus leavigatus;I A为Inonotus ander son2 li;I D为Inonotus dryophilus.

2)以上数值除pH外,其余均表示百分数;I VDM D,48h活体内瘤胃干物质消化率。

林鹿等发现[8],白腐真菌能降解对环境污染较严重的芳香族化合物,对多环芳烃、酚类、氯代苯类、氯代酚类、烷基苯类和硝基苯类,均有明显的降解效果,这主要是因为白腐菌中的细胞外酶(包括木质素过氧化物酶LiPs和锰过氧化酶MnPs)对许多结构不同的、高毒性、高分子难降解有机化学物质具有广谱的降解能力[8～10]。而且,一定浓度混合溶剂(如:丙酮和乙醇)的加入,可以促进芳香族化合物的降解[11],这样可以使秸秆所带农药进行有效的降解。

基于上述分析,我们做了试验。试验设了3个处理,处理1为自然腐熟棉秆基质(不加任何微生物培养剂);处理2为在后熟阶段添加白腐真菌的腐熟棉秆基质;处理3为废棉籽壳,用于番茄育苗。育苗期间仅浇灌清水,不施任何肥料。

结果见表2。从表2可以看出,处理2较处理1,其育苗效果较好;在后熟阶段加入白腐真菌是可行的。

261　　　　　　　　　　　　　　　　　　　石河子大学学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　　　　　　　第7卷表2　40天后番茄幼苗的生长状况

处理株高/cm茎粗/cm叶片数叶面积(长×宽)/cm展开度/cm

单株鲜重

地下部地上部地下/地上

17.10.452 3.6 3.5×2.0 6.3 1.5 3.938.5 212.20.701 6.7 4.8×3.413.0 3.88.345.7 313.560.551 5.6 4.4×2.810.2 2.5 5.743.8

4　影响白腐菌在堆肥化中应用的因素

为了使白腐菌更好地应用于堆肥化生产,下面对白腐菌的最适培养条件和堆肥化最适堆腐条件进行阐述。

4.1　白腐真菌菌种

由于不同的生理要求,不同白腐菌对木质素的降解具有选择性[12]。孟庆翔等[7]研究也发现,同一白腐真菌对不同底物(小麦秸、稻草秸和玉米秸)木质素、半纤维素降解也明显不同。所以,堆肥时应根据不同的堆肥物料选择合适的菌种。

4.2　培养方式

在培养方式上,人们越来越倾向于采用混合菌发酵体系。在双菌或多菌混合发酵中,酶促作用生成的糖立即被发酵糖的微生物所利用,这样就维持了降解物的浓度,消除了酶合成作用受到的降解物的阻遏作用,同时,也解除了终产物对酶的反馈抑制[13]。

4.3　温度

堆肥的最适温度为55～60℃。Z adrazil等研究表明,大多数白腐真菌适宜生长的最适温度为20～35℃[7]。在此温度范围内,为了达到理想效果,可选择几种具有最适温度范围互补的白腐真菌混用,并于堆肥的后发酵过程,即温度低于40℃时添加白腐真菌。堆体和菌种混合后温度稍有降低,这适合白腐真菌的生长。但后发酵过程最好不要在严冬季节进行,因为虽然主发酵即使在-5℃～0℃的温度下也能进行,但是在后发酵时,由于堆体保温效果不好,使得温度低于20℃,从而不适于白腐真菌的生长。

4.4　水分含量

堆肥的水分含量对微生物的生长和繁殖十分重要。微生物细胞含水70%～80%,但在堆肥化中,水分大于70%时,通风不良,从而造成厌氧状态,不利于白腐菌及其它好氧微生物的生长。一般堆肥的水分含量应在50～60%。4.5　C源、N源及C/N比

白腐菌最理想的营养需求是不确定的,木素自身不能作为白腐菌重要的C源,白腐菌能否在秸秆上生长,主要取决于它们有无利用非结构性糖类碳水化合物而迅速生长蔓延的能力。因此,无论菌丝生长还是对秸秆的降解,秸秆腐解时自身碳水化合物作为C源是至关重要的[6]。

大多数白腐菌具有氮的新陈代谢及再利用的有效机制,菌丝通过细胞的自溶作用及对菌丝自身氮的再利用而实现,或通过其它真菌的细胞溶解,加之代谢过程中非常节约地使用氮而实现。白腐真菌可以在富氮及缺氮的培养基中生长,但只有在氮源抑制性(氮源含量不足)的培养基中,大多数白腐真菌才能在次生代谢阶段产生木素过氧化物酶和锰过氧化酶[10,12,14]。赵守仁[15]的试验也表明,加N量与白腐真菌的生长呈负相关。但白腐菌Bjerkandera sp.strain BOS55只有在碳源抑制性培养基中才能产生大量的细胞外氧化酶,与大多数白腐菌不同[16]。

一般情况下,堆肥化合适的C/N比为1/25～1/ 35,这是根据堆肥中大多数微生物的生长需要而定的。

多数白腐菌均可由人工合成的培养基培养,说明多数白腐菌不一定非得需要有机氮,但就生长效果来说,有机氮比氨盐效果更好。王宜磊等[17]研究也表明,以尿素为氮源时漆酶、愈创木酚氧化酶和多酚氧化酶酶活最低。实际应用中可添加人畜粪等。

4.6　酸碱度

在堆肥化过程中酸碱度呈碱性,而白腐菌喜酸性环境,所以,实际生产中需用稀酸对物料进行酸碱度调整。

4.7　供氧方式

堆肥的供氧方式有2种,即强制通风供氧和自然扩散供氧。实际生产中,二次发酵堆高在1.5m 以下时,采用自然扩散的供氧方式。白腐真菌是好氧菌,Beid研究指出,液体通氧可加速菌的生长,但较大的通气量和较高氧的浓度会抑制白腐真菌的活动[7]。二次发酵在堆体低于1.5m的情况下,自然

361

　第2期　　　　　　　　　　　　　王连稹,等:白腐菌在秸秆堆肥化中的应用扩散供氧法可以满足白腐真菌的生长。

4.8　维生素

维生素B1对多数白腐菌是必需的一种维生素。

4.9　诱导剂

在固体培养基中加入邻二甲氧基苄醇(藜芦醇),能够显著提高木素过氧化酶的产生,锰也可以起到同样的作用[18]。在摇瓶培养时加入吐温280也能显著提高木素过氧化酶的含量[14],500μm ol/L浓度的3,42二甲氧基苯乙烯酸是漆酶最有效的诱导剂[12],铜(Ⅱ)也可以起到同样的作用[19]。

4.10　培养时间

培养时间的长短对白腐真菌的降解活性有一定的影响。白腐真菌只有在次生代谢时(培养3～4天以后)才能产生较多的木素过氧化酶和锰过氧化酶等酶类,其中锰过氧化酶比木素过氧化酶出现的要晚(5天以后)。

参考文献:

[1]李国学,张祖锡,白瑛.高温堆肥和沤肥碳、氮转化和杀菌病原菌的比较研究[J].北京农业大学学报,1995,21(3): 2862290.

[2]潘国庆.酵素菌技术的原理特点及应用效果[J].江苏农业科学,1998,(6):52253.

[3]葛树春,张桂兰,慕兰,等.腐秆灵腐熟秸秆效果及其肥效试验初报[J].河南农业科学,2001,(5):37229.

[4]陈翠微,刘长江,郭文洁,等.微生物发酵农作物秸秆生产蛋白饲料的研究与应用[J].微生物学通报,2000,27(4): 2912293.

[5]S B P ointing.Feasibility of biore mediation by white-rot fungi [J].App Microbiol Biotechnol,2001,57:20233.

[6]丁佐龙,费本华,刘盛全.木材白腐机理研究进展[J].木材工业,1997,(5):18221.

[7]闵晓梅,孟庆翔.白腐真菌处理秸秆的研究[J].饲料研究,2000,(9):729.

[8]林　鹿,邓耀杰,詹怀宇.白腐菌对芳香化合物的降解[J].环境化学,1999,18(6):4082413.

[9]陈　勇,郑向群,张　从,等.降解菌对堆肥中多环芳烃降解作用的初步研究[J].农业环境保护,2000,19(1):53255.

[10]程永前,黄民生,张国莹,等.白腐真菌对染料脱色及降解过程机理和影响因素[J].环境污染治理技术与设备, 2000,1(6):25234.

[11]J A Field,F Boelsma,H Baten,et al.Oxidation of anthracene in water/s olvent mixtures by the white2rot fungus,Juerkandera sp. strain BOS55[J].Appl Microbiol Biotechnol,1995,44:2342240. [12]A Sethuraman,D E Akin,K E L Erikss on.Production of ligni2 nolytic enzymes and synthetic lignin mineralization by the bird’s nest fungus Cyathus stercoreus[J].Appl Microbiol Biotechnol,1999,52: 62697.

[13]陈翠微,刘长江,郭文洁,等.微生物发酵农作物秸秆生产蛋白饲料的研究与应用[J].微生物学通报,2000,27(4): 2912293.

[14]浦跃武,甄浩铭,冯书亭,等.白腐菌产锰过氧化物酶条件的研究[J].菌物系统,1998,17(3):2512255.

[15]赵守仁.用生物技术开发秸秆资源[J].饲料工业,1997, 18(2):34236.

[16]T Mester,M Pena,J A Field.Nutrient regulation of extracellu2 lar peroxidases in the white rot fungus,Bjerkandera sp.strain BOS55 [J].Applied Microbiol Biotechnol,1996,44:7782784.

[17]王宜磊.碳源和氮源对彩绒革盖菌Coriolus ver sicolor木质纤维素和木质素酶分泌的影响[J].微生物学杂志,2000,20 (1):29231.

[18]T Scheel,M hofer,S Ludwig,et al.Differential expression of manganese peroxidase and laccase in the white2rot fungi in the pres2 ence of manganese or aromatic compounds[J].Appl Microbiol Biotechnol,2000,54:6862691.

[19]C G alhaup,D Haltrich.Enhanced formation of laccase activity by the white2rot fungus T rametes pubescens in the presence of cop2 per[J].Appl Microbiol Biotechnol,2001,56:2252232.

Application of White R ot Fungi in Stalk Composting

WANGLian2zhen,WANG Zhen2li,HUANG Hua2bo

(Depatment of H ortilulture,C ollege of Agriculture,Shihezi University,Shihezi,X injiang832003,China)

Abstract:The method of com posting desposing of agronomic crops stalk was put forward in the paper,and it analysed that it was necessary to add white rot fungi to com post during fermentation.Finally,the optimum culture conditions of white rot fungi and the optimum com posting conditions is discussed in the paper.

K ey w ords:com posting;stalk;white rot fungi

461　　　　　　　　　　　　　　　　　　　石河子大学学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　　　　　　　第7卷