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我国秸秆资源产量丰富,但利用率不高,长期以来,大量的秸秆被弃置或焚烧,不仅造成资源浪费和环境污染,也给农田土壤生态系统带来严重破坏。秸秆的主要成分木质纤维素结构较为复杂,在自然条件下分解较难,在秸秆的利用过程中,一般需借助微生物分泌降解酶类使其分解。研究发现,木质纤维素的高效降解并不是某种单一微生物分泌单一的酶类完成的,而是多种微生物同时分泌多种酶类的协同作用。因此,筛选和研究高效秸秆降解菌群是解决当前秸秆资源化利用问题的热点。
本研究利用以水稻秸秆为主要碳源的培养基,在30℃、40℃、50℃下对源自两种不同原料堆肥样品中的菌群进行富集和驯化,并对传代效果较好的菌群进行研究,通过测序分析菌群传代前后微生物组分的差异及其与降解率、酶活等相关特性的关系。通过对菌群中细菌的分离和降解效果的研究,获得在菌群中对秸秆降解起主要作用的功能菌株,并对其进行相关特性研究。所获主要研究结果如下:
1、在30℃、40℃、50℃三个温度条件下,以秸秆粉为主要碳源的产酶培养基对秸秆堆肥、稻壳堆肥两个样品中的菌群进行富集和驯化,发现在30℃和40℃下菌群传代后的降解效果有正向的变化趋势。依据菌群对秸秆的相对降解率,获得了两种样品在两个温度下(30℃和40℃)降解效果较好的4个菌群,分别为秸秆30-D5、秸秆40-D4、稻壳30-D4、稻壳40-D3。通过对菌群降解木质纤维素相关酶活的测定,发现菌群的滤纸酶活和纤维素内切酶活与菌群对水稻秸秆的相对降解率呈现大致相同的变化趋势,木聚糖酶活的变化不稳定。
2、通过微生物多样性测序测定了各菌群的微生物群落结构,分析比较了不同温度及堆肥原料富集菌群中细菌丰度及组成的变化及差异。结果表明,温度和堆肥原料对微生物菌群的组成有一定的影响。同种堆肥样品的微生物群落在不同温度下的变化不同;有多个种属的微生物丰度在两个温度下的变化不一致,如假黄单胞菌属在30℃秸秆堆肥菌群中丰度增加较少,在40℃菌群中的丰度显著增加。同一温度下,不同属水平的菌株对秸秆相对降解率和相对滤纸酶活的影响不同,如30℃时Lacunisphaera属的微生物与菌群的滤纸酶活呈显著正相关,与菌群秸秆相对降解率呈极显著正相关。
3、通过平板培养分离降解效果较好的菌群中的可培养微生物,共获得细菌126株。对分离出的细菌进行水稻秸秆降解效果的验证,在30℃、40℃两个温度下共获得12株对秸秆有明显降解效果的菌株,并对其生长特性、降解酶活进行了研究。12株细菌对秸秆的相对降解率均达到15%以上,最高的可高达40%。秸秆相对降解率较高的细菌其相关酶活也较高,但其达到的生物量和最大生长速率并不是最高,可能存在产酶与生长的权衡作用。菌株鉴定发现,降解能力较强的菌株来自假黄单胞菌属(Pseudoxanthomonas)和变形杆菌属(Proteus)。
综上所述,本研究以水稻秸秆降解菌群研究为着手点,从两个堆肥样品中筛选获得了4个秸秆高效降解菌群,并通过分离培养从这些菌群中获得12株对秸秆有明显降解效果的菌株,为秸秆资源的高效利用提供了高效降解菌。
本研究利用以水稻秸秆为主要碳源的培养基,在30℃、40℃、50℃下对源自两种不同原料堆肥样品中的菌群进行富集和驯化,并对传代效果较好的菌群进行研究,通过测序分析菌群传代前后微生物组分的差异及其与降解率、酶活等相关特性的关系。通过对菌群中细菌的分离和降解效果的研究,获得在菌群中对秸秆降解起主要作用的功能菌株,并对其进行相关特性研究。所获主要研究结果如下:
1、在30℃、40℃、50℃三个温度条件下,以秸秆粉为主要碳源的产酶培养基对秸秆堆肥、稻壳堆肥两个样品中的菌群进行富集和驯化,发现在30℃和40℃下菌群传代后的降解效果有正向的变化趋势。依据菌群对秸秆的相对降解率,获得了两种样品在两个温度下(30℃和40℃)降解效果较好的4个菌群,分别为秸秆30-D5、秸秆40-D4、稻壳30-D4、稻壳40-D3。通过对菌群降解木质纤维素相关酶活的测定,发现菌群的滤纸酶活和纤维素内切酶活与菌群对水稻秸秆的相对降解率呈现大致相同的变化趋势,木聚糖酶活的变化不稳定。
2、通过微生物多样性测序测定了各菌群的微生物群落结构,分析比较了不同温度及堆肥原料富集菌群中细菌丰度及组成的变化及差异。结果表明,温度和堆肥原料对微生物菌群的组成有一定的影响。同种堆肥样品的微生物群落在不同温度下的变化不同;有多个种属的微生物丰度在两个温度下的变化不一致,如假黄单胞菌属在30℃秸秆堆肥菌群中丰度增加较少,在40℃菌群中的丰度显著增加。同一温度下,不同属水平的菌株对秸秆相对降解率和相对滤纸酶活的影响不同,如30℃时Lacunisphaera属的微生物与菌群的滤纸酶活呈显著正相关,与菌群秸秆相对降解率呈极显著正相关。
3、通过平板培养分离降解效果较好的菌群中的可培养微生物,共获得细菌126株。对分离出的细菌进行水稻秸秆降解效果的验证,在30℃、40℃两个温度下共获得12株对秸秆有明显降解效果的菌株,并对其生长特性、降解酶活进行了研究。12株细菌对秸秆的相对降解率均达到15%以上,最高的可高达40%。秸秆相对降解率较高的细菌其相关酶活也较高,但其达到的生物量和最大生长速率并不是最高,可能存在产酶与生长的权衡作用。菌株鉴定发现,降解能力较强的菌株来自假黄单胞菌属(Pseudoxanthomonas)和变形杆菌属(Proteus)。
综上所述,本研究以水稻秸秆降解菌群研究为着手点,从两个堆肥样品中筛选获得了4个秸秆高效降解菌群,并通过分离培养从这些菌群中获得12株对秸秆有明显降解效果的菌株,为秸秆资源的高效利用提供了高效降解菌。