李秀玲 辛磊 安慧 覃勇榮
摘要:為尋找高效的高溫腐熟菌用于蠶沙的無害化處理,從蠶沙傾倒地篩選到1株菌株CP2,該菌株纖維素酶活性達(dá)到136.67 U/mL。將該菌株接種到蠶沙中進(jìn)行堆肥試驗(yàn),通過檢測堆肥過程中堆體的溫度、含水率、pH值、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、碳氮比及種子發(fā)芽指數(shù)等指標(biāo)評(píng)價(jià)菌株CP2的應(yīng)用效果。結(jié)果表明,試驗(yàn)組較對(duì)照組更能提高堆體溫度、延長高溫期、降低堆體含水量、促進(jìn)有機(jī)質(zhì)分解、降低碳氮比;試驗(yàn)組種子發(fā)芽指數(shù)在腐熟25 d時(shí)已達(dá)到88%,高出對(duì)照組15百分點(diǎn);以上結(jié)果說明,加入CP2菌株進(jìn)行堆肥,可加快蠶沙腐熟并提高堆肥品質(zhì)。
關(guān)鍵詞:蠶沙;纖維素降解菌;堆肥;高溫腐熟;CP2菌株
中圖分類號(hào):S141.4;S182文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A
文章編號(hào):1002-1302(2019)18-0314-04
收稿日期:2018-06-09
基金項(xiàng)目:河池學(xué)院碩士專業(yè)學(xué)位授予單位立項(xiàng)建設(shè)基金(編號(hào):2016HJA006)。
作者簡介:李秀玲(1983—),女,山東泰安人,碩士,講師,主要從事固體廢棄物的資源化應(yīng)用研究。E-mail:lixiuling0606@163.com。
通信作者:覃勇榮,博士,教授,主要從事石漠化生態(tài)修復(fù)研究。E-mail:1595677337@qq.com。
隨著我國新農(nóng)村建設(shè)的速度日益加快,固體廢棄物的資源化利用受到高度重視[1]。農(nóng)村固體廢棄物總體而言主要包括日常的生活垃圾、農(nóng)林廢棄物及畜禽糞便等[2],產(chǎn)生量大、成分復(fù)雜且含有有機(jī)物質(zhì)。如果處理得當(dāng),這些物質(zhì)會(huì)變成富含養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)的優(yōu)質(zhì)肥源;如若處理不當(dāng),勢必會(huì)造成環(huán)境的二次污染[3]。
我國種桑養(yǎng)蠶歷史悠久,種植面積、養(yǎng)蠶數(shù)量及蠶絲出口量一直保持世界領(lǐng)先水平。蠶沙作為養(yǎng)蠶行業(yè)的主要副產(chǎn)物之一,產(chǎn)量巨大并含有豐富的氮、磷、鉀及微量元素和有機(jī)質(zhì)[4],是一種優(yōu)質(zhì)的有機(jī)源。蠶農(nóng)多是將蠶沙以及病死蠶在不處理的情況下直接回施于桑園,代替有機(jī)肥使用,但蠶沙不僅隱藏有大量的病原菌,而且含有大量的難以降解的纖維素,不經(jīng)處理會(huì)提高蠶病發(fā)生概率及嚴(yán)重程度,且會(huì)對(duì)桑園土質(zhì)造成破壞,直接或間接給蠶農(nóng)造成不可估量的損失,因此蠶沙的資源化利用一直被業(yè)界關(guān)注[5]。
我國“東桑西移”工程的實(shí)施,使廣西壯族自治區(qū)尤其是河池市宜州區(qū)的種桑養(yǎng)蠶數(shù)量保持?jǐn)?shù)年全國第1,在2018年宜州區(qū)更是被我國蠶學(xué)會(huì)授予“中國蠶桑之鄉(xiāng)”稱號(hào),因此宜州區(qū)每年養(yǎng)蠶所產(chǎn)生的蠶沙數(shù)量非常大,其中所存在的問題亟待解決。本研究從宜州區(qū)當(dāng)?shù)氐男Q沙傾倒地采集樣品,從中分離出纖維素降解菌,經(jīng)濾紙條降解試驗(yàn)及產(chǎn)酶活性測定等研究,確定該菌株的纖維素酶活性,進(jìn)一步通過研究堆體的溫度、碳氮比、發(fā)芽指數(shù)等確定該菌對(duì)蠶沙的腐熟應(yīng)用效果,以期篩選到適合當(dāng)?shù)貞?yīng)用的菌株,為廣西蠶沙的綜合利用提供研究基礎(chǔ)。
1?材料與方法
1.1?試驗(yàn)材料
1.1.1?樣品
試驗(yàn)樣品采自廣西壯族自治區(qū)河池市宜州區(qū)蠶沙傾倒地的腐殖土。
1.1.2?培養(yǎng)基
LB培養(yǎng)基:蛋白胨10 g,酵母浸出粉10 g,NaCl 5 g,瓊脂20 g,蒸餾水1 000 mL。羧甲基纖維素鈉(CMC)培養(yǎng)基:CMC-Na 15.0 g,NH4NO3 1.0 g,蛋白胨1.0 g,MgSO4·7H2O 0.5 g,KH2PO4 1.0 g,瓊脂20.0 g,蒸餾水1 000 mL。纖維素剛果紅培養(yǎng)基:K2HPO4 0.50 g,CMC-Na 2.00 g,MgSO4·7H2O 0.25 g,明膠2.00 g,剛果紅0.20 g,瓊脂15.00 g,蒸餾水1 000 mL。赫奇遜培養(yǎng)液:KH2PO41.00 g,MgSO4·7H2O 0.30 g,CaCl2 0.10 g,NaCl 0.10 g,F(xiàn)eCl30.01 g,NaNO3 2.50 g,pH值7.2~7.3,蒸餾水1 000 mL。
1.2?試驗(yàn)方法
1.2.1?高溫纖維素降解菌的篩選?(1)初篩過程:取10 g樣品加入含有玻璃珠的90 mL無菌水中,采用漩渦振蕩器振蕩搖勻,取1 mL加入9 mL無菌水中,依次稀釋10-1、10-2、10-3、10-4、10-5、10-6、10-7、10-8共8個(gè)稀釋度,取10-6、10-7、10-8等3個(gè)稀釋度溶液各200 μL 涂布于CMC培養(yǎng)基上,每個(gè)梯度設(shè)3個(gè)重復(fù),置60 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng),待菌落長出后挑取外形不同的單菌落劃線培養(yǎng),備用。(2)復(fù)篩過程:將初篩菌株接種在纖維素剛果紅培養(yǎng)基上,每個(gè)菌株3個(gè)重復(fù),置于培養(yǎng)箱中培養(yǎng)后,測量透明圈直徑(D)與菌落直徑(d)的差值,初步判斷所篩選菌株降解纖維素的能力大小。
1.2.2?濾紙條降解試驗(yàn)
將1 mL篩選得到的降解菌發(fā)酵液接種到裝有50 mL赫奇遜培養(yǎng)液的三角瓶中,瓶中放置1 cm×6 cm的新華Ⅰ號(hào)濾紙條,每個(gè)處理3個(gè)重復(fù),設(shè)不加菌液的濾紙條作為對(duì)照,置于32 ℃ 180 r/min恒溫?fù)u床上、振蕩培養(yǎng)5 d,觀察各瓶中濾紙條潰爛情況[5]。
1.2.3?纖維素酶活性測定
參照NY/T 1847—2010《微生物肥料生產(chǎn)菌株質(zhì)量評(píng)價(jià)通用技術(shù)要求》[6]中規(guī)定的方法測定纖維素酶活性。在25 mL具塞試管中加入濾紙條、1 mL檸檬酸鹽緩沖液和2 mL DNS試劑處理后,用蒸餾水定容至25 mL,測定540 nm 下的吸光度,對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算酶活性,以蒸餾水代替發(fā)酵液為對(duì)照。在50 ℃、pH值為5.5條件下,以1 min內(nèi)1 mL樣品降解濾紙產(chǎn)生1 μg葡糖糖為1個(gè)酶活性單位(IU)。
1.3?堆肥試驗(yàn)
1.3.1?纖維素降解菌發(fā)酵液制備
將“1.2.1”節(jié)中篩選到的菌株接種到LB培養(yǎng)液中進(jìn)行搖瓶培養(yǎng),培養(yǎng)完畢后將該菌液混勻,采用平板涂布法計(jì)數(shù),確保有效活菌數(shù)為1億個(gè)/mL,備用。
1.3.2?蠶沙堆肥處理
從宜州區(qū)當(dāng)?shù)氐男Q農(nóng)家收集蠶沙,分為試驗(yàn)組和對(duì)照組,試驗(yàn)組添加“1.3.1”節(jié)中制備的菌液,對(duì)照組添加同等量的無菌水,確保含水率為60%,每組設(shè)2個(gè)重復(fù),每個(gè)重復(fù)50 kg蠶沙。添加菌液和無菌水后,將堆體混合均勻,置于河池學(xué)院溫室大棚中,并加蓋黑色塑料布,4 d翻堆1次,堆肥時(shí)間為2017年6月30日至7月29日,為期30 d。
1.3.3?溫度測定
以堆體中心處為測量點(diǎn),每天10:00和17:00測定溫度,取平均值作為堆肥溫度,同時(shí)測定環(huán)境溫度。
1.3.4?蠶沙發(fā)酵前后理化指標(biāo)測定
以堆體四周對(duì)稱的4個(gè)點(diǎn)為采樣點(diǎn),采樣深度為20 cm,各點(diǎn)采樣50 g,混合后備用。對(duì)堆體腐熟前后的含水率、pH值、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量等理化指標(biāo)進(jìn)行測定。堆體含水率測定采用常壓干燥法。pH值測定:將樣品與蒸餾水按1 ∶10(質(zhì)量濃度)比例混合,配制成蠶沙懸濁液,室溫180 r/min振蕩1 h后靜置,用pH計(jì)測定上清液pH值。有機(jī)質(zhì)含量的測定采用重鉻酸鉀-濃硫酸氧化比色法。全氮含量采用H2SO4-H2O2消煮、奈氏比色法測定[7]。
1.3.5?堆肥處理的種子發(fā)芽指數(shù)測定
參照黃國鋒等的方法[8]進(jìn)行種子發(fā)芽指數(shù)測定。稱取不同腐熟時(shí)間的堆肥樣品10 g,加入蒸餾水100 mL,充分振蕩后過濾,吸取濾液10 mL 置于鋪有雙層濾紙的培養(yǎng)皿中,在濾紙上均勻擺放10粒白菜種子,置于25 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h后,計(jì)算發(fā)芽率(GI),設(shè)置3次重復(fù),對(duì)照為蒸餾水。種子發(fā)芽率的計(jì)算公式為GI=(堆肥浸提液處理的種子發(fā)芽率×堆肥浸提液處理的種子根長)/(蒸餾水處理的種子發(fā)芽率×蒸餾水處理的種子根長)×100%。
1.4?統(tǒng)計(jì)方法
試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 20數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
2?結(jié)果與分析
2.1?高溫纖維素降解菌的篩選
經(jīng)過初篩,共得到8株高溫纖維素降解菌,編號(hào)為CP1、CP2、CP3、CP4、CP5、CP6、CP7、CP8;將8株菌株進(jìn)行復(fù)篩培養(yǎng)后,分別測量透明圈直徑和菌落直徑,計(jì)算平均值。結(jié)果表明,有5株菌株產(chǎn)生了透明圈,其中CP2產(chǎn)生的透明圈直徑最大,透明圈直徑與菌落直徑的差值也最大,數(shù)據(jù)如表1所示。統(tǒng)計(jì)分析表明,CP2菌株的透明圈直徑與其他菌株存在顯著性差異;而CP2菌株的菌落直徑除與CP8菌株不存在顯著性差異外,與其他菌株均存在顯著性差異。
2.2?濾紙條降解試驗(yàn)
將篩選到的5株菌株進(jìn)行濾紙條降解試驗(yàn),結(jié)果(表2)表明,CP2菌株對(duì)濾紙條的降解效果最好,濾紙條變?yōu)楹隣?,其?株菌株處理下的濾紙條均未達(dá)到糊狀。
2.3?纖維素酶活力測定
將篩選到的5株菌株進(jìn)行纖維素酶(濾紙酶)活性測定,結(jié)果見表3,CP2菌株的纖維素酶活性高于其他4株菌株,達(dá)到136.67 U/mL;其次為CP3菌株,纖維素酶活力為68.69 U/mL;其他3株菌株的酶活性均較低。通過該試驗(yàn)可以看出,濾紙條降解試驗(yàn)及酶活性測定試驗(yàn)結(jié)果基本一致。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析表明,除CP1與CP8菌株不存在顯著性差異外,其余菌株均存在顯著性差異。
2.4?堆肥試驗(yàn)
2.4.1?堆肥過程的溫度變化
溫度是堆肥無害化的重要指標(biāo),可直接反映堆體內(nèi)微生物活性的變化及有機(jī)物的轉(zhuǎn)化情況,因此堆體溫度可直觀、快速地評(píng)價(jià)堆肥腐熟程度[9]。微生物在分解蠶沙中有機(jī)質(zhì)的同時(shí),會(huì)產(chǎn)生大量的熱量,導(dǎo)致堆溫上升。50 ℃以上堆溫保持持續(xù)5 d以上,能夠有效地殺滅蠶沙中的致病菌,是保證堆肥無害化的重要條件[10]。從圖1可以看出,試驗(yàn)組和對(duì)照組的堆體溫度都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,試驗(yàn)組在堆肥6 d時(shí)達(dá)到最高溫(65 ℃),其溫度上升速度及最高溫度都優(yōu)于對(duì)照組,且高溫(>50 ℃)持續(xù)19 d,比對(duì)照組延長了4 d左右,符合堆肥無害化的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。在堆肥說明加入CP2菌株后可加速堆體升溫,使堆體提前進(jìn)入高溫期,且持續(xù)時(shí)間更長,有利于堆肥的腐熟。
2.4.2?堆肥過程中各理化指標(biāo)變化
2.4.2.1?堆肥過程中含水率變化
堆肥過程中含水率總體呈下降趨勢,微生物的代謝、堆溫等都會(huì)對(duì)含水率產(chǎn)生影響。從圖2可以看出,試驗(yàn)組和對(duì)照組的含水率均呈現(xiàn)下降趨勢,在高溫階段含水率下降最快,這是由于高溫有利于水分的蒸發(fā)。隨著溫度的下降,含水率的下降幅度也隨之放緩,最后試驗(yàn)組水分降低50%,達(dá)到30%,符合有機(jī)肥對(duì)水分的要求。試驗(yàn)組比對(duì)照組的含水率在高溫期下降更快,降低幅度高出8%,說明加入CP2菌株在增加堆體溫度的同時(shí),也可更好地降低堆體的含水率。
2.4.2.2?堆肥過程中pH值變化
在堆肥過程中,伴隨著含碳有機(jī)物被微生物分解產(chǎn)生有機(jī)酸和含氮有機(jī)物被分解產(chǎn)生氨,堆體的pH值也會(huì)隨之發(fā)生變化。從圖3可以看出,在堆肥的初始階段,含碳有機(jī)物分解產(chǎn)生有機(jī)酸,造成pH值下降;隨著堆體溫度上升、含水率下降,含氮有機(jī)物分解產(chǎn)生氨氣,使堆體pH值開始上升;后期隨著氨氣的減少以及微生物的降解活動(dòng)產(chǎn)生大量H+,堆體的pH值又開始回落。至堆體腐熟完畢,其pH值基本穩(wěn)定在堿性范圍內(nèi)。試驗(yàn)組最后的pH值為7.9,對(duì)照組為8.1,均符合有機(jī)肥規(guī)定的pH值為5.5~8.5的標(biāo)準(zhǔn)。在試驗(yàn)過程中,試驗(yàn)組的pH值下降和上升趨勢與對(duì)照組基本一致,其下降和上升幅度大于對(duì)照組,說明加入CP2菌株(試驗(yàn)組)有利于堆體中有機(jī)物的分解。
2.4.2.3?堆肥過程中有機(jī)質(zhì)含量的變化
有機(jī)質(zhì)是來源于生命的物質(zhì),是微生物生存的基本物質(zhì)。堆肥過程一方面可使微生物將有機(jī)物降解成礦物質(zhì)、二氧化碳、水和熱量等而使有機(jī)質(zhì)含量降低[11];另一方面,有機(jī)物在降解過程中轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的腐殖質(zhì),最終使有機(jī)質(zhì)含量趨于穩(wěn)定。當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量低時(shí),堆肥腐熟過程無法產(chǎn)生足夠的熱量來滿足堆肥對(duì)溫度的需要,無法達(dá)到腐熟的指標(biāo)和效果,因而會(huì)影響堆肥的肥效;有機(jī)質(zhì)含量過高則對(duì)堆肥通風(fēng)供氧要求較高,若達(dá)不到微生物生長對(duì)氧的需求,則會(huì)導(dǎo)致堆體局部厭氧釋放臭氣。
蠶沙中含有大量的有機(jī)質(zhì),含量在87%左右。從圖4中可以看出,隨著腐熟天數(shù)的增加,有機(jī)質(zhì)含量逐漸下降。試驗(yàn)組從堆肥5 d時(shí)開始有機(jī)質(zhì)含量就出現(xiàn)大幅的下降,到20 d時(shí)由最初的87%降低到61%左右,而對(duì)照組的有機(jī)質(zhì)含量也發(fā)生了下降,但下降幅度較試驗(yàn)組小,只降低到了70%左右。說明試驗(yàn)組加入CP2菌株后,加速了蠶沙中有機(jī)物的分解,到堆肥結(jié)束時(shí),堆肥的有機(jī)質(zhì)含量基本維持在相對(duì)穩(wěn)定的水平。
2.4.2.4?堆肥過程中全氮含量變化
氮素是微生物生長繁殖的主要條件之一,微生物在降解有機(jī)物的同時(shí)也會(huì)影響全氮的含量[12]。從圖5可以看出,試驗(yàn)組和對(duì)照組的全氮含量在腐熟的前10 d呈現(xiàn)下降趨勢,10 d后又逐漸上升,最后穩(wěn)定在3.21%左右。原因是堆肥腐熟的初始階段,在微生物的作用下有機(jī)氮分解轉(zhuǎn)化成揮發(fā)性氮而導(dǎo)致氮含量下降,但是隨著揮發(fā)性有機(jī)物的分解轉(zhuǎn)化,堆體的體積和質(zhì)量均降低,造成全氮含量的絕對(duì)值有所下降而相對(duì)值卻有所上升。
碳氮比是堆肥腐熟的重要指標(biāo),初始腐熟的碳氮比為 (25~30 )∶1,這是腐熟的理想狀態(tài),而碳氮比到達(dá)20 ∶1以下時(shí)認(rèn)為腐熟完成[13]。結(jié)合圖4和圖5來看,堆體的初始碳氮比為29 .0∶1,到腐熟完成,試驗(yàn)組的碳氮比為18.7 ∶1,對(duì)照組為21 .0∶1,說明在相同的時(shí)間內(nèi),加入CP2菌株縮短了堆肥的腐熟時(shí)間,也提高了堆肥的腐熟效果。
2.4.3?不同時(shí)期的堆肥發(fā)芽指數(shù)測定
種子發(fā)芽試驗(yàn)可檢驗(yàn)堆肥的腐熟水平。種子發(fā)芽指數(shù)>50%表示堆肥基本腐熟;指數(shù)達(dá)到80%以上則表示堆肥完全腐熟[14]。從圖6可以看出,試驗(yàn)組腐熟15 d后,其種子發(fā)芽指數(shù)已達(dá)到51%,說明堆肥基本腐熟,比對(duì)照組提前了3 d;試驗(yàn)組腐熟到25 d時(shí),其種子發(fā)芽指數(shù)達(dá)到88%,說明堆肥已完全腐熟,而此時(shí)對(duì)照組為73%。說明加入CP2菌株能夠加快堆肥的腐熟進(jìn)程。
3?結(jié)論與討論
堆肥是包含一系列生化反應(yīng)的復(fù)雜體系,是在微生物參與下通過高溫發(fā)酵使有機(jī)物礦質(zhì)化、腐殖化和無害化而變成腐熟肥料的過程[15],利用高溫腐熟菌來處理固體廢氣物,可提高腐熟溫度、縮短堆肥周期、提高腐熟度,這已被廣泛證實(shí)[16]。
自然界中大部分細(xì)菌、真菌、放線菌及原生動(dòng)物均可產(chǎn)生纖維素酶,因細(xì)菌培養(yǎng)簡單、易分離,研究較多。蔣明星等從朽木周圍的土壤中篩選到3株活性較高的纖維素降解細(xì)菌并優(yōu)化了產(chǎn)酶條件[17];羅奉奉等從桑園土壤中篩選到的YZB46菌株,葡萄糖酶活性達(dá)到17.08 U/mL[18];馮紅梅等篩選的復(fù)合菌群酶活性達(dá)到135.9 U/mL[19]。本試驗(yàn)篩選到的CP2菌株,產(chǎn)酶活性達(dá)到136.67 U/mL,優(yōu)于許多已報(bào)道的細(xì)菌菌株,甚至達(dá)到復(fù)合菌群的酶活性,且遠(yuǎn)超農(nóng)業(yè)農(nóng)村部對(duì)微生物肥料中纖維素降解菌產(chǎn)纖維素酶活性(70 U/mL)的規(guī)定。將該菌株發(fā)酵后接種到蠶沙中進(jìn)行堆肥試驗(yàn),結(jié)果表明,添加CP2菌株后試驗(yàn)組堆體最高溫度可達(dá)到65 ℃,高溫持續(xù)時(shí)間比對(duì)照組長4 d左右。試驗(yàn)組和對(duì)照組的含水率均出現(xiàn)下降趨勢,但試驗(yàn)組的含水率在高溫期下降更快,降幅比對(duì)照組高出8%;試驗(yàn)組和對(duì)照組的有機(jī)質(zhì)含量隨著腐熟的進(jìn)行逐漸下降,最終試驗(yàn)組的有機(jī)質(zhì)含量降低到61%左右,低于對(duì)照組;堆體的碳氮比起初為29.0 ∶1,腐熟完成后,試驗(yàn)組降低到18.7 ∶1,而對(duì)照組為21.0 ∶1;試驗(yàn)組種子發(fā)芽指數(shù)在腐熟25 d時(shí)已達(dá)到88%,高于對(duì)照組的73%,說明堆肥較對(duì)照組更快地達(dá)到完全腐熟。以上試驗(yàn)表明,加入CP2菌株可以加快蠶沙的腐熟進(jìn)程,提高堆肥的質(zhì)量。
隨著研究的深入,單一菌株已無法滿足正常生產(chǎn)的需要,研究重點(diǎn)也逐漸轉(zhuǎn)向復(fù)合菌劑,相比較而言,復(fù)合菌劑可更快地增加功能菌株的數(shù)量、改善堆肥中微生物的群落結(jié)構(gòu),加強(qiáng)各菌株之間的協(xié)同作用,從而縮短堆肥腐熟的時(shí)間和提高腐熟度[20]。后續(xù)研究將在本研究的基礎(chǔ)上尋找多株高溫腐熟菌,并進(jìn)行優(yōu)化配制,構(gòu)建功能更加完善的復(fù)合菌劑,進(jìn)而為廣西壯族自治區(qū)蠶沙的無害化處理提供更有效的方法。
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