农林废物堆肥化中木质纤维素降解微生物学研究

摘要

目前，堆肥化处理技术已成为农业废物资源化利用技术之一，该方法能实现农业废物循环利用，既可取得良好的经济效益，又可实现清洁生产，防止环境污染。目前，堆肥化处理技术正进入科学化的新阶段，为了改善该技术存在的如历时时间长，肥效低等诸多不足，提高堆肥效率、提升产品质量，使之能大规模推广应用，国内外研究者就堆肥设备、堆肥化工艺、堆肥微生物学、堆肥化控制以及堆肥技术和产品的应用等方面开展了大量研究工作。其中，限速有机物的降解一直被认为是快速堆肥的关键，农业废物堆肥化中的限速有机物主要是指木质纤维素，这类有机物结构坚硬，分解困难，与腐殖质产生有密切联系，尤其是木质素，最难攻击且难以分离，其降解被认为是快速堆肥的关键。 本文系统研究了农业废物堆肥化中木质纤维素的降解过程及其微生物特性，运用传统方法研究木质素降解微生物变化规律，筛选出高效优势的木质素降解微生物，并研究了不同菌种对木质纤维素的降解特性和初步的降解机理。同时还建立了一种堆肥过程中量化真菌生物量的方法——麦角固醇法。 应用传统培养分离方法系统研究农业废物堆肥化过程中木质素的生物降解。发现在堆肥过程中，木质素的生物降解不仅仅是一种菌在起作用，各种菌从堆肥初期到末期的降解能力也不相同。在堆肥的初期，各木质素降解菌的降解作用并不明显，这段时间各类菌对木质素降解作用是同等重要的，没有哪种菌占据着绝对优势；在一次发酵的高温期，真菌和放线菌对木质素的降解的作用是主要的，此阶段木质素降解菌的浓度很高，但是其对木质素降解的能力并不突出，不适合作为优势菌种筛选时期。在一次发酵的降温期，木质素降解菌协同作用。在一次发酵转入二次发酵的时期和二次发酵初期，细菌和真菌起主要作用，这阶段真菌降解木质素的能力十分强，并且木质素降解真菌占总真菌比率十分高，是筛选木质素降解真菌的最佳时期。在堆肥的后期，木质素的降解主要依靠真菌和放线菌的作用。从一次发酵高温期到二次发酵前，木质素降解真菌是这阶段最主要的作用者，其浓度的变化直接影响着木质素总降解菌的变化，相应的木质素降解放线菌是堆肥后期主要的作用者，其浓度的变化也影响着总降解菌的浓度。木质纤维素降解主要发生在高温期和二次发酵期。多酚氧化酶PPO和过氧化物酶POD是木质素降解的主要酶系，其中高温期微生物分泌的主要为POD酶系，而二次发酵期间微生物分泌POD与PPO，它们在木质素降解过程中共同作用。就整个堆肥化过程而言，木质素的生物降解更主要依赖PPO的催化氧化作用通过比较从堆肥中筛选得到的细菌，放线菌，真菌对木质纤维素的降解及产酶特性发现：从堆肥中筛选得到的细菌X6、放线菌F2、黑曲霉都具有木质纤维素降解能力，兼具低分子量木质素酚型、非酚型类物质的降解能力。在本实验条件下，主要依靠Lip、MnP、Lac、纤维素CMC酶活以及木聚糖酶活的共同作用降解木质纤维素，但各种菌产这5种酶的比例各不相同。细菌、放线菌产酶高峰处于菌体生长较稳定的时期，对木质素的降解发生初级代谢阶段。这与真菌的次级代谢机理有所不同。在本实验条件下培养30d，细菌X6对木质素、纤维素、半纤维素的降解率分别为9.43％，38.8％，41.84％。放线菌F2对木质素、纤维素、半纤维素的降解率分别为11.5％，40.26％，46.24％。红外光谱显示经细菌X6和放线菌F2降解的木质纤维素在降解前后各官能团都发生了一定的变化，细菌X6和放线菌F2对木质素降解官能团的作用有所不同，进一步证实其利用木质纤维素的能力。黑曲霉产酶高峰处于菌体生长较稳定的时期，但它对木质素的降解都发生在后期。这说明其代谢木质素的机理与白腐菌次级代谢机理有所相同。在本实验条件下培养30d，黑曲霉对木质素、纤维素、半纤维素的降解率分别为16.87％、39.85％、45.32％。红外光谱显示木质纤维素降解前后各官能团都发生了一定的变化，黑曲霉对木质素官能团的降解作用有所不同，进一步证实了黑曲霉利用木质纤维素的能力。 由于麦角固醇是存在于真菌细胞膜中占主导的物质且结构稳定，可以用其有效地表征生物量，这种方法在土壤系统得到了广泛应用，鉴于堆肥系统与土壤系统的相似性，鉴于此，我们可以将这一方法引入堆肥过程，通过测定堆肥中真菌麦角固醇的含量，找到麦角固醇与真菌生物量之间的线性关系，进而可以得知真菌的数量，以此定量堆肥中真菌生物量。经实验验证，从生物量绝对值大小来看，培养方法测定出来的真菌生物量比麦角固醇定量的真菌生物量高出两个数量级，误差比较大，而采用麦角固醇测定真菌生物量方法，简便、准确、可靠，对于研究堆肥中真菌具有十分重要的意义。